半潜船沉浮作业工况动载荷研究

常永全，张润华

(中国船级社 上海分社，上海 201306)

半潜船沉浮作业工况动载荷研究

常永全，张润华

(中国船级社 上海分社，上海 201306)

基于三位势流理论，根据《国内航行海船法定检验技术规则2011》中有关半潜船沉浮作业工况外界环境条件要求，应用2012年《钢质海船入级规范》及2014年修改通报要求的波浪载荷直接计算方法，对半潜船沉浮作业过程的波浪动载荷，以及波浪诱导加速度导致的甲板货物动载荷进行计算，为半潜船沉浮作业工况的结构设计提供较为准确的外载荷依据，并为规范的修订提供技术支撑。

半潜船；波浪载荷；设计波

半潜船是一种装载和运输大型海上装备的特种工程船舶[1]。为获得更加宽敞的作业甲板，布置方面采用短艏楼、方型船艉、设置艉部可拆式浮箱等方式[2]；船型尺度方面，半潜船船宽与船长、型深、吃水的比值明显大于常规运输船[3]。目前只有中国船级社和挪威船级社给出了针对半潜船的规范。文中以《国内航行海船法定检验技术规则2011》[4](《国际海船法定检验技术规则》引用该法规)(下面简称《法规》)中半潜船沉浮作业外部环境条件要求和中国船级社《钢质海船入级规范》[5](下面简称《规范》)波浪载荷直接计算的规定为依据，采用挪威船级社开发的SESAM软件建立船体的三维湿表面积模型和质量模型，按照三维绕辐射势流理论，计算作用在船体上的流体动力，获得波浪诱导的船体剖面弯矩载荷传递函数。通过《规范》要求的短期预报方式获得等效设计波，计算设计波下船舶遭受的波浪动载荷以及诱导的运动响应，对比规范经验公式中波浪动载荷，计算半潜船货物的动载荷极值，用以说明《规范》应该考虑《法规》规定的沉浮作业工况下的波浪动载荷，作为外载荷的一部分加入有限元计算中。

1 设计波应用

1.1 设计波法及波浪载荷短期预报

船舶处于随机海浪作用下，波浪载荷具有随机性和复杂动力性，难以精确计算。目前普遍采取的方法是等效设计出在一定概率水平下的规则波施加在船舶上，进而计算运动和应力响应，这就是所谓的设计波。

考虑半潜船沉浮作业工况海况条件相对确定，沉浮作业时间为几小时内，只经历某几种海况，海况条件可以作确定性预报，如采用长期预报方式却不能得到对应具体海况的确切反应，因此认为采用短期预报设计波用于计算波浪载荷更能反映实际情况[6]。

1.2 海况要求

船舶强度评估中极限波浪载荷对应船舶航行和作业海区内船舶预计营运年限内的最恶劣海况，计算中应选取航行海区中的最恶劣波浪散布图。但由于半潜船作业及载运货物的特殊性，出于船舶及货物的安全性考虑，对航线及作业海况也有严格要求《法规》对半潜船沉浮作业的环境条件作出了以下明确规定。

1)在有义波高不超过0.3 m的水域，蒲氏风级不超过3级时，经自有液面修正后的初稳性高度不小于0.5 m，或蒲氏风级不超过5级时，经修正后的初稳性高度不小于0.5 m。

2)在蒲氏风级不超过6级，有义波高不超过0.5 m的水域，或者蒲氏风级不超过4及级，有义波高不超过1 m的水域，经自由液面修正后的初稳性高度不小于0.15 m。

根据《法规》要求，半潜船沉浮作业工况应在不大于1 m有义波高的条件下方可进行升沉作业操作[7-9]。

1.3 波谱的参数确定

根据《规范》直接计算部分的要求，船舶在波浪上运动和波浪载荷及其短期预报计算采用P-M波浪谱

考虑到半潜船升沉作业海况的约束条件，这里将H1/3取值为1m；波浪圆频率ω选取区间为0.2～3，步长取0.1rad/s；波浪跨零周期T2则选择一定区间内的多个值进行比较，最后确定导致预报载荷极值的T2，计算浪向角θ取0°～180°，步长取15°。

2 计算实例

以一艘钢质、全电焊、流线型船艏、短艏楼、方型艉部、宽敞作业甲板、电力推进、具有DP-1 级动力定位的自航半潜船为研究对象。选取载运5 000t无浮力货下甲板入水和深潜吃水的两种典型沉浮工况，根据其作业手册中的配载要求，采用SESAM软件建立船舶三维湿表面模型及质量分布模型，计算船舶船舯最大弯矩的频响函数，确定等效设计波，计算设计波诱导波浪动载荷及运动响应。

主尺度及相关参数见表1。

文中主要讨论半潜船沉浮作业工况下施加于船体的波浪动载荷及波浪诱导船体加速度导致的甲板货动载荷问题，因此选取半潜船载重5 000 t非浮力货下船舶主甲板浸没(吃水12.64 m)和深潜(吃水19.53 m)两种吃水工况。SESAM建模的全船湿表面网格模型见图1。

表1 主尺度及相关数 m

图1 半潜船三维模型网格

2.1 确定频响函数

计算模型选取船舯弯矩作为用于设计波预报的主要控制参数，船舶沉浮作业下航速为0，计算目标船在规则波不同浪向角下的频率响应函数曲线。对比发现，在两种吃水工况下浪向角为180°，遭遇频率接近0.54 rad/s时获得船舯弯矩最大值，船舶甲板入水时船舯最大弯矩大于深潜船舯最大弯矩，见图2。

图2 船舯弯矩频率响应函数

2.2 确定设计波

采用P-M波浪谱，三一波高H1/3取《法规》限制最大值1m；跨零周期T2选取6.5～11.5s区间内多个值进行比对预报载荷极值，短期预报时长取3h。计算得设计波参数见表2。

由表2可见，对应半潜船主甲板刚刚浸没和船体达到最深吃潜水的两种工况的设计波波幅分别为0.245m和0.317m，设计波频率分别为0.534rad/s和0.548rad/s。中拱、中垂对应设计波相位分别为325°/303°和145°/123°。

2.3 波浪动载荷的影响

SESAM软件计算获得的船舶深潜工况中垂弯矩极值下的波浪载荷见图3。

表2 设计波参数

图3 波浪动载荷云图(T=19.53 m,中垂)

取船舯剖面研究波浪外载荷，并对比《规范》中常规运输船波浪外载荷计算公式结果。图4～图6为船舶沉浮作业不同吃水下直接计算和《规范》规范经验公式计算所得的船体甲板、舷侧、船底处的波浪动压力图。

图4 甲板波浪动压力

图5 船舷侧波浪动压力

图6 船底波浪动压力

由图4～6可见，半潜船在甲板入水和深潜工况下直接计算所得的舷侧处和船底处波浪动压力小于规范计算很多，在接近甲板处波浪动压力迅速上升。对比甲板处波浪动压力与规范计算值可知。

1)T=12.64 m工况船舯甲板中心位置波浪动压力直接计算值为38.1 kPa，规范计算值为51.7 kPa。直接计算值为规范计算值的73%。

2)T=19.53 m工况船舯甲板中心位置波浪动压力直接计算值为13.1 kPa，规范计算值为30.1 kPa，外部静水压力为75.6 kPa。直接计算值为规范计算值的43%，外部静水压力的18%。

2.4 货物动载荷

通过SESAM软件计算等效设计波诱导船体在6个自由度的加速度,见表3。

表3 船体梁6个自由度的绝对运动加速度

表3中6个自由度加速度中影响货物动载荷的加速度分量为垂荡加速度、横摇加速和纵摇加速度，其中横摇加速度和纵摇加速度基本为0；垂荡加速度引起货物动载荷相比货物本身重量之比为垂荡加速度与重力加速度之比：0.25%，由垂向加速度引起的货物与甲板面之间的相互作用力远小于货物重力，基本可忽略。

3 结论

1)法规对半潜船沉浮作业工况的环境条件有明确要求，等效设计波参数采用短期预报波浪载荷的方式是可行的。

2)半潜船在法规要求的最严重海况下的沉浮作业，其波浪诱导的船体梁加速度很小，可忽略不计，但法规中未对涌浪等情况进行考虑，建议法规明确相应的坏境条件。进而对货物动载荷作进一步的考量。

3)半潜船沉浮作业工况下，由于环境条件比较理想，沿水深方向波浪动压力迅速衰减，舷侧及船底波浪动压力较小

4)半潜船甲板承担货物压力、外部静水压力和波浪动压力。从软件计算结果来看，半潜船深潜工况的波浪动压力为外部静水压力的18%，考虑波浪动压力的影响是非常必要的。

通用规范对半潜船的波浪动载荷及货物动载荷计算缺乏实用性。但对这种载货多样的特殊船型精细化的计算是必要的，因此建议《规范》在关于半潜船结构强度校核中增加对波浪动载荷的考虑[10]。

[1] 吴宗铎,宗 智,钱 昆．半潜船波浪载荷计算研究[J]．造船技术，2010,4(1)：1-4.

[2] 迟少燕,杨 青．38 000 t级自航半潜船结构设计[J].上海造船.2011(4):17-20.

[3] 冯志根．半潜船船型特点及其发展前景[J]．上海造船，2006(1)：49-51.

[4] 中华人民共和国海事局．国内海船法定检验技术规则[S].北京：人民交通出版社,2011．

[5] 中国船级社．钢制海船入级规范[S].2012.北京：人民交通出版社,2012．

[6] 贺俊松，彭文科.船舶波浪载荷短期极值的经验公式[J].中国造船，2011，52(2)：76-86.

[7] 刘应中，缪国平.船舶在波浪上的运动理论[M].上海：上海交通大学出版社，2005.

[8] 戴遗山，段文洋.船舶在波浪中运动的势流理论[M].北京：国防工业出版社，2008.

[9] 戴仰山，沈进威，宋竞正.船舶波浪载荷[M].北京：国防工业出版社，2007.

[10] 肖丽娜，索双武.深水半潜平台的环境载荷分析[J].船海工程，2012，41(1)：85-91.

Research on Dynamic Loads of the Semi-submersible Vessel during the Submersible Operations

CHANG Yong-quan, ZHANG Run-hua

(Shanghai Branch of China Classification Society, Shanghai 201306, China)

The external dynamic loads of the semi-submersible vessel during the submersible operations are studied based on the three-dimensional potential flow theory. According to the statutory requirements about the external environmental conditions for semi-submersible vessel in Legal Inspection Rules For International Navigation Sea Vessel, and the wave loads direct calculation methods stated in the Rules for Classification of Sea-going Steel Ships, the dynamic wave loads and cargo loads of semi-submersible vessel during the submersible operations are calculated, so as to provide more accurate external loads for structure design of semi-submersible vessel, and technical support for revising the specification.

semi-submersible vessel; wave loads; design wave

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.036

2014-07-24

国家973项目

常永全(1982-)，男，硕士，工程师

U674941

A

1671-7953(2015)01-0141-04

修回日期：2014-08-10

研究方向:波浪动载荷

E-mail:yqchang@ccs.org.cn