一种计算FPSO坞墩支反力的新方法

阮磊 陈斌华

摘要：本文提供一种使用GHS软件求解FPSO坞墩支反力的新计算方法。经过迭代计算多种吃水状态下的坞墩支反力情况，绘制出支反力曲线图，直观的反映出整体坞墩和关键区域坞墩受力情况，计算结果更加趋近真实。为大型海工项目精准布置坞墩、提前排查隐患提供科学依据，为进出坞配载提供技术支持。

关键词：坞墩;支反力计算;呆木结构

中图分类号：U671.5                 文献标识码：A

Abstract： This paper provides a more scientific calculation method to solve the dock block reaction force of FPSO by using GHS software. The reaction force under various draft conditions is calculated iteratively， thus the reaction force curve is plotted， intuitively reflects the force situation of the dock block as a whole and the key area of the dock block， and the calculation results are more realistic. It provides scientific basis for the accurate dock block layout， the investigation of hidden risks in advance for large offshore projects， and provides technical support for loading in and out of dock.

Key words： Dock block; Reaction force calculation; Deadwood

1 前言

浮式生产储油船，又称为浮式生产储存卸货装置，简称FPSO。通常与海上采油平台配合使用，可以在海上对开采的原油进行初步粗加工处理，储存粗加工后的油品，并输送给前来驳运的穿梭油轮，是一种高附加值的海洋工程产品，造价较高，服务年限一般在25～35年，服务期间不进行重大修理。此类型海工船通常是无动力，整体型线较为饱满，船体尾部外板线型采用折线型设计，船体尾部居中位置设计大型呆木结构（也称为艉鳍），主要起到导流作用。

我司为希腊船东ENERGEAN建造的某FPSO项目，总长227.0m、型宽50.0m、型深27.0m、设计吃水19.5m、方形系数为0.94，服务于以色列近海油田，水深约为1700米。该船尾部外板居中位置具有大型呆木结构，呈斜三角体形状（见图1），呆木长25m、宽4m、高13.5m，作为独立空舱与船体尾部外板以角焊缝形式连接。

建造开始应策划整体坞墩布置，重点考虑呆木结构下方坞墩布置。在船体尾部结构模块组装合拢阶段，呆木结构发挥着支撑上部船体结构的重要作用;在船体起浮阶段，船体呈首倾状态，呆木结构作为支撑点会受到船体整体浮力和重力的双重作用，受力最大，因此呆木结构的受力情况需重点关注。我们通过分析起浮过程中整体坞墩受力情况，寻求更贴合实际情况的计算方法。

船体坞内起浮时坞墩支反力计算，目的是预先判断船舶在坞内注水起浮或放水落墩时船体和坞墩接触处的应力是否在安全范围内，采取措施避免过大的应力传导到邻近船体结构上，导致船体结构损坏。

通常情况下，坞墩支反力的传统计算方法是根据船舶在恒定吃水状态下的静水力数据来进行，且坞墩支反力集中到最后一排坞墩上。本船空船起浮后的艏艉吃水为TF=2.634m、TA=4.072，纵倾值Trim为1.438m，故按照船舶设计手册计算公式，坞墩支反力为：

查船体平浮吃水T=2.634时的静水力数据：纵倾力矩 MTC=1353.900 t.m/cm、漂心LCF=119.053m。按照坞墩布置图，FR0到最尾部第一排坞墩的距离为xR=4.8m，故坞墩支反力为：

以最尾部第一排坞墩为支点进行计算：

（A）浮力对最尾部第一排坞墩的力矩為：

Mom_B=2928160.216 t.m

（B）重力对最尾部第一排坞墩的力矩为：

Mom_G=3499112.024 t.m

因浮力力矩Mom_B < 重力力矩Mom_G，故此时船舶不会产生艏浮。

经过多次迭代计算，船舶吃水为3.150时，浮力对最尾部第一排坞墩的力矩为：Mom_B= 3508625.573 t.m，船舶开始艏浮，此时的坞墩支反力为：

经过对比，坞墩支反力较上面的计算结果值有所提高。

上述计算方法的弊端，主要有以下三点：

（1）整个支反力集中在最尾部第一排坞墩上，计算结果明显说明坞墩是难以承受的（每个坞墩安全荷载为200t，最尾部坞墩数量为2个）;

（2）起浮点即艏部开始浮起的瞬间，吃水不是船体全浮时的艏吃水;

（3）起浮过程中的坞墩支反力变化情况不明朗。

该方法是在船体梁为理想刚性前提下，根据力矩平衡来进行坞墩受力分析，存在求解过程太粗放、不直观的问题。下面，本文提供一种新的方法来求解坞墩支反力。

2 计算模型

船厂可以利用船舶的搁浅情景功能来求解船舶坞内起浮或落墩时的坞墩支反力，如NAPA软件的ER模块、GHS软件的SALVAE模块。本文采用GHS软件的GROUND命令来求解每排坞墩的支反力，将船体刚性梁的柔性增加到GHS 软件的GROUND命令，从而使通过上述命令计算的坞墩支反力更加合理。

以艉鳍区即呆木结构下方区域坞墩布置为例（见图2）平面图如，坞墩计算模型构造图，图3所示：

船体艉鳍区、中部区、艏部区坞墩支反力计算模型横剖面图，见图4：

3 计算结果与分析

按照船体重量分布曲线图，采用命令weight依次为各搁墩点赋予重量值，也可用Excel表格一次性导入赋予重量值;然后按照坞墩布置图受软件允许设置的搁墩坐点数量的限制以及程序运行的快慢性，可以选择平板龙骨处的坞墩来设置搁墩情况。

按照本船的坞墩布置特点，把坞墩分为三个区：

艉鳍区为Block_skeg 1 ～ Block_skeg 11;

中部区为Block_body 12 ～ Block_body 76;

艏部区为Block_fore 77 ～ Block_fore 92。共计92个特征搁墩点，如图5所示。每个特征搁墩点表示横向一排坞墩，具体的搁墩点三维坐标值参考表1中的纵向LCR /横向TCR/垂向VCR数值。

（1）通过计算不同吃水状态下的支反力变化情况，绘制总的支反力和特定坞墩处的支反力变化曲线，找出船舶在坞内起浮或落墩时支反力变化特点。

（A）通过计算，得到船舶吃水为0时即排水量为0时各坞墩支反力情况共计92个特征搁墩点承载32132.29t 的支撑力，其中最尾部第一排的坞墩承载389.41t的支撑力，其在坞墩承载能力范围内;

（B）通过计算，得到船艏起浮时平均吃水为3.148m 各坞墩支反力情况，艉鳍区共计19个特征搁墩点承载1696.67t的支撑力，其中最尾部第一排坞墩承载235.31t的支撑力，也在坞墩的承载能力范围内;

（C）通过迭代求解，得到在船艏起浮过程中尾部单排坞墩的受力最大情况。船舶在尾吃水为3.456m 时，最尾部第一排坞墩承载323.04t 的支撑力，亦在坞墩的承载能力范围内。此状态较船艏起浮开始时的最尾部第一排坞墩承载235.31t 的支撑力要大88t。

（D）进一步分析船舶起浮过程中总的坞墩支反力情况。坞墩总支反力变化的拟合曲线，如图6所示：

（E）船舶起浮过程中最尾部第一排坞墩（即艉鳍区 Block_skeg 1）受力的情況，支反力变化拟合曲线，如图7所示：

图7中：第一个点为船舶在平均吃水为3.148m 时（船艏起浮开始），最尾部单排坞墩的支反力为235.31t;第二个点为船舶在尾吃水为3.456m 时（船舶艏浮过程中），最尾部单排坞墩的支反力为323.04t。根据这两个标注点可以看出，艏浮过程中最尾部单排坞墩的承载力比艏浮开始时的支撑力要大88t，这个结果是传统坞墩支反力的计算中没有出现的一个特点。

传统坞墩支反力的计算都是在把船体看成理想刚性梁的前提下完成的，这是为了简化支反力计算和受计算方法的限制下的解决方法，但实际上船体的刚性梁是具有一定的柔性，一般情况下的柔性度可以达到1/800，这样在船舶起浮的瞬间就不只是仅有一个点接触坞墩而是多点接触，从而可以把最尾部的坞墩受力减少下来。

在布墩图中，需要满足船舶在坞内的整个过程中最尾部单个坞墩的支反力均需要小于每个坞墩允许使用的最大支反力，此时就不会出现安全事故，因此船舶在坞内起浮全过程中所有坞墩的总支反力变化情况的拟合曲线，以及最尾部单排坞墩的支反力变化情况，对船厂有实际的指导作用。

4 结论

（1）本方法根据船体刚性梁的柔性特征，计算出船舶在不同吃水情况下对应的所有坞墩总支反力及最尾部坞墩的支反力，并绘制出船舶在坞内起浮全过程中所有坞墩的总支反力变化情况的拟合曲线，以及最尾部单排坞墩的支反力变化情况，因此能方便船厂真实了解坞墩的受力情况，并根据迭代计算的方法对坞墩布置不合理的情况进行调整，从而能有效避免船舶在进出坞过程中易出现的坞墩受力过大而危害船舶的安全事故，对船厂布墩具有实际的指导意义。并且由于该方法中考虑了实际船体的柔性，从而使通过该方法计算的支反力，比传统方法中直接利用理想刚性梁计算出的支反力更加接近实际状况，结果更加真实;

（2）船厂的坞墩一般采用砼木组合坞墩/钢木组合坞墩，属于刚性坞墩，本方法适用于计算这类坞墩的布置受力分析;

（3）结合不同吃水状态下的重量分布曲线、剪力弯矩曲线、挠度曲线等有助于综合分析船舶起浮过程中坞墩的受力变化情况;

（4）本方法可以快速直观地分析船舶起浮过程中沿船长方向各区域坞墩受力情况，为船舶建造或修理布墩提供合理的布局，为船舶安全进出坞提供有力的技术支持。

参考文献

[1] 中国船舶工业集团公司. 船舶设计实用手册 （第3版）-总体分册[M]，北京：国防工业出版社，2013.8.