半潜式起重铺管船总强度直接计算研究

钟 晨周 佳杨 辉

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

半潜式起重铺管船总强度直接计算研究

钟 晨1周 佳1杨 辉2

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

［摘 要］半潜式起重铺管船由上平台中若干立柱和横撑以及两个下浮体组成。工作和运营时的结构受力十分复杂，文中采用直接计算方法，对各种典型工况进行有限元计算，对半潜式起重铺管船总强度载荷模式，主要载荷传递路径和结构设计关键区域进行分析和论述。

［关键词］半潜起式重铺管船；总强度；有限元

引 言

起重铺管工程船是在无限航区航行，并在满足设计要求的作业环境和海区内进行海洋工程结构物吊装、铺管等作业的特种工程船舶。大型起重铺管船以其出色的作业能力和稳定性而备受业界关注；同时，也因其体积巨大、作业设备较多，使该类型船的设计和建造成本大大高于普通船舶。本文研究的起重铺管船为半潜式，作业时既要遭受可能的环境载荷作用，也要同时承受较大的起重作业载荷，受力情况远较常规船舶复杂；因此，对船体结构的总强度提出了很高的要求。对此，在船体结构的方案设计阶段进行结构总强度的分析与评估，为进一步的结构设计提供参考依据，是船体结构设计的重要部分。［1］

总强度评估中的波浪载荷计算采用DNV-GL船级社的Sesam/Wadam软件，之后将计算得到的各典型工况的外载荷，包括湿表面水动压力、静水压力以及惯性力加载到有限元模型上，采用Sesam/ Sestra模块对全船有限元模型进行准静态求解，并对计算结果进行分析讨论。

1 船型简介

本文研究的是一艘钢质全电焊半潜型起重铺管工程船。

主要尺度及参数如下：

总 长LOA225 m

水线长 LWL223.06 m

型 宽B 90.00 m

型 深D 47.00 m

航行吃水 12.00 m

起重作业 27.00 m

生存吃水 16.00 m

该半潜式起重铺管船的主船体由左右两个流线型下浮体、4对对称立柱及横撑和上平台构成，如图1和图2所示。其浮力主要由水下部分（包括左右下浮体和部分立柱）来提供，同时仅由4对立柱提供有限的水线面面积，因此减小了恶劣海况下受到的波浪力，从而改善了船舶的运动性能。此外，由于平台箱型上船体远离水面，因此不易受海水波浪载荷影响。

图1 半潜起重铺管船侧视图

图2 半潜起重铺管船俯视图

可见，该半潜式起重铺管船的结构形式与常规船型有很大不同。为满足设计需要，主船体绝大部分结构材料都采用高强度钢和超高强度钢，以减轻结构重量。鉴于该船载荷工况复杂、结构受力形式特殊，将采用直接计算方法对结构强度进行校核。

2 载荷与计算工况

根据规范和相关参考资料要求，半潜式起重铺管船的典型装载工况包括作业（起重和铺管）、航行和生存工况。因此，将根据不同工况下的吃水和质量分布分别建模。采用短期预报方法，根据不同超越概率对应的有义波高和谱峰周期，平均跨零周期预报船体所受的波浪载荷，并根据所得的波浪载荷对结构总强度进行计算分析。其中，作业装载需要考虑起重时的外载荷最大，但波浪工况只需计算一年一遇即可。航行装载需计算二十年一遇的波浪载荷，生存装载则需要考虑目标海域百年一遇的波浪载荷。具体装载工况和海况条件见表1。

表1 装载工况和海况条件

本文的分析采用基于三维绕辐射势流理论的水动力计算软件，可完成海上结构物的载荷预报，坐标系为船体重心处的随船坐标系。

半潜式起重铺管船典型的装载载况包括作业（起重和铺管）状态和生存状态，对不同载况需要分别进行仅受静水载荷和受最大波浪载荷条件下的总强度分析。参考工程经验和相关规范对半潜式平台的设计要求，需校核以下主导载荷参数确定的等效设计波下结构强度［2-3］；其中，前6个典型受载状态是参考ABS对半潜平台的计算要求选取，最大垂向剪切则是因为本船长宽比大于普通半潜平台而需要进行校核。船体主导载荷下的受力情况见图3。

计算中建立船体的三维湿表面模型（见图4）。按照三维绕辐射势流理论，通过计算作用在船体上的流体动力，获得波浪诱导的船体各剖面典型波浪载荷的传递函数，根据该船的海况，采用对波浪载荷进行预报［4-8］，进而对结构强度进行分析和评估。

图3 半潜起重铺管船最大波浪工况

图4 半潜起重铺管船三维湿表面模型

3 结构有限元计算

本船的主体结构模型采用壳单元-梁单元结合的力学模型。模型整体采用粗网格单元建模，网格尺度取为两倍肋骨间距。舱壁板、外板、甲板板，船底板和强框腹板等采用壳单元，强框的面板、纵骨、舱壁扶强材等弱构件采用梁单元，设备、压载、起重作业时的吊重等质量采用质量单元进行模拟。如图5所示，整体模型约有32万个单元、17万个节点。

图5 全船有限元模型

结构计算时的载荷加载采用设计波法，对频率为3～35 s、浪向为全浪向的设计波进行搜索，并计算相应的传递函数，结合预报的波浪载荷可以得到用于有限元计算载荷加载的设计波。并将设计波载荷加载到有限元模型上进行计算。

为了避免结构模型发生刚体位移，必须在模型中施加位移边界条件。由于半潜起重铺管船结构的特殊性，在选择边界条件时，既需要避免强制变形和刚体位移，也需要考虑求解时能体现最大特征载荷的变形状况。经过不同工况和边界条件的计算比较，按如下选取边界条件可以对本船计算的7个工况得到比较准确的计算结果：在下浮体纵横舱壁和中间甲板的交错处选取3个节点，每个节点施加如下的位移边界条件，如图6所示。

图6 有限元模型的边界条件

根据计算结果可知，工作装载下，最危险状况出现在静水工况，下浮体靠后部的纵舱壁、尾部立柱的纵舱壁和上平台的纵舱壁。此外，下浮体的底板屈曲强度也较为紧张。航行装载的最危险状况出现在最大横向加速度工况时，船首方向的两组立柱外板和立柱与上平台连接位置应力最高。生存装载时，最危险工况出现在波浪最大扭矩和最大纵向剪切工况，最大应力出现在船首方向的两组立柱外板、立柱和上平台、下浮体连接位置。

4 分析与讨论

由于特殊的结构形式和作业特点，本船与传统的半潜式平台应力分布既有相似之处，也有很大不同。

在作业（尾吊）工况，波浪载荷相对很小，但由表1可知，因为规范规定了较大的静水工况安全因子，所以静水工况成为设计控制工况。计算中的最大应力出现在下浮体靠近尾部的纵舱壁（如图7所示），对应的上平台纵舱壁尾部立柱纵舱壁明显剪应力较大，可以看出清晰的应力传导路径。同时，由于在此工况下，船体浮态的调整要求，靠近船前部往往需要注入大量压载水进行平衡；因此，半潜起重铺管船的整体变形情况，类似排水型船的船体最大中拱。虽然结构形式不同导致应力分布也有差异，但对下平台的船底屈曲强度同样也提出了很高的设计强度要求。

图7 尾吊工作工况下浮体纵舱壁高应力区域（静水）

图8 航行装载立柱外板高应力区域（最大横向加速度）

在航行装载中，危险区域出现在最大横向加速度工况时，首部前2组立柱和立柱内侧外板区域（如图8所示）。因为在航行装载的状况下，本船吃水较浅，而船体的重心相对其他装载工况较高，因此在横摇时产生了更大的横向加速度，并且两个下浮体之间的受力分布不均。相对而言，靠近船尾的2组立柱之间各有3对横撑，可以较好地分散应力，而靠近船首的2组立柱只有近船中的1组立柱之间有3对横撑，结构刚度偏小，因此外板受力更大。其中一组立柱既无横撑又靠近船首，并且要承受纵向受力不均和横向受力不均，故所受拉压和剪应力更大。

在生存装载下，采用百年一遇的波浪工况，波浪载荷的影响达到最大。生存装载吃水介于作业装载和航行装载之间，波浪力主要作用于立柱。最危险工况出现在扭矩与纵向剪切工况的最大立柱外板以及立柱与下浮体、上平台连接的位置，如图9所示。

图9 生存装载（百年一遇海况）立柱外壳高应力区域（最大纵向剪切状态）

相对于作业航行装载，生存装载的变形主要是左右船体和立柱受到纵向不均匀力而引起。因此，在立柱与下浮体、上平台连接的转圆处，应力集中非常明显，粗网格往往已经不能满足计算校核的要求，建议进行细网格分析，并且对转圆区域的结构连接形式进行特别设计，以满足强度要求。

根据本船计算研究，可以总结出半潜式起重铺管船的总强度。直接计算的一般流程如图10所示。

5 结 论

图10 半潜式起重铺管船总强度计算的一般计算流程

本文通过半潜式起重铺管船的实际研究设计，对结构设计中的核心分析技术（总强度分析）进行介绍；通过对计算结果的讨论，分析半潜式起重铺管船结构设计中需要注意的要点，归纳、总结出针对半潜式起重铺管船的直接计算工况，可供相关人员参考。

［参考文献］

［1］ 王风云，罗超. 深水起重铺管船船型研究［J］. 天津航海，2012（1）：41-44.

［2］ 董宝辉，高定全，羊字军，等. 半潜式平台整体强度分析［J］. 中国造船，2012（11）：211-216.

［3］ 冯国庆，任惠龙，李辉，等. 基于直接计算的半潜式平台结构总强度评估［J］. 2009（3）：255-261.

［4］ 韩荣贵，时磊，王金光，等. 半潜式平台总体波浪载荷的几种算法对比［J］. 船舶标准化工程师，2013（1）：38-40.

［5］ DNV. Wave Analysis by Diffraction and Morison Theory ［S］. Sesam User's Manual，2006.

［6］ DNV. Postprocessor for General Response Statistics［S］，Sesam User's Manual，2006.

［7］ 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.

［8］ ABS. Rule for Building and Classing［S］. Mobile Offshore Drilling Units. 2008.

［中图分类号］U661.4

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0052-05

［基金项目］重大专项深水铺管起重船及配套工程技术（2011ZX05027-002）。

［收稿日期］2014-09-11；［修回日期］2014-10-08

［作者简介］钟 晨（1982-），男，硕士，工程师，研究方向：海洋工程结构设计、结构分析和优化。周 佳（1981-），男，博士，高级工程师，研究方向:海洋工程结构强度设计和计算以及结构分析和优化。杨 辉（1980-），男，硕士，高级工程师，研究方向：海洋平台与工程船舶总体设计与性能研究。

Global strength analysis and calculation of semi-submersible crane/pipe-laying vessels

ZHONG Chen1ZHOU Jia1YANG Hui2

(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; (2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

Abstract：A semi-submersible crane/pipe-laying vessel consists of upper hull， several columns， braces and two low attached hulls. Its structural stress is very much complicated under working and sailing conditions. With a direct calculation method， this paper carries out the analyses and discussions of the load mode of global strength，transfer path of main loads and key area for the structural design of the semi-submersible crane/pipe-laying vessel under the various typical working conditions by FEM.

Keywords：semi-submersible crane/pipe-laying vessel； global strength； FEM