常永全，張潤華

(中國船級(jí)社 上海分社，上海 201306)

半潛船沉浮作業(yè)工況動(dòng)載荷研究

常永全，張潤華

(中國船級(jí)社 上海分社，上海 201306)

基于三位勢流理論，根據(jù)《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則2011》中有關(guān)半潛船沉浮作業(yè)工況外界環(huán)境條件要求，應(yīng)用2012年《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》及2014年修改通報(bào)要求的波浪載荷直接計(jì)算方法，對(duì)半潛船沉浮作業(yè)過程的波浪動(dòng)載荷，以及波浪誘導(dǎo)加速度導(dǎo)致的甲板貨物動(dòng)載荷進(jìn)行計(jì)算，為半潛船沉浮作業(yè)工況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供較為準(zhǔn)確的外載荷依據(jù)，并為規(guī)范的修訂提供技術(shù)支撐。

半潛船；波浪載荷；設(shè)計(jì)波

半潛船是一種裝載和運(yùn)輸大型海上裝備的特種工程船舶[1]。為獲得更加寬敞的作業(yè)甲板，布置方面采用短艏樓、方型船艉、設(shè)置艉部可拆式浮箱等方式[2]；船型尺度方面，半潛船船寬與船長、型深、吃水的比值明顯大于常規(guī)運(yùn)輸船[3]。目前只有中國船級(jí)社和挪威船級(jí)社給出了針對(duì)半潛船的規(guī)范。文中以《國內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則2011》[4](《國際海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》引用該法規(guī))(下面簡稱《法規(guī)》)中半潛船沉浮作業(yè)外部環(huán)境條件要求和中國船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[5](下面簡稱《規(guī)范》)波浪載荷直接計(jì)算的規(guī)定為依據(jù)，采用挪威船級(jí)社開發(fā)的SESAM軟件建立船體的三維濕表面積模型和質(zhì)量模型，按照三維繞輻射勢流理論，計(jì)算作用在船體上的流體動(dòng)力，獲得波浪誘導(dǎo)的船體剖面彎矩載荷傳遞函數(shù)。通過《規(guī)范》要求的短期預(yù)報(bào)方式獲得等效設(shè)計(jì)波，計(jì)算設(shè)計(jì)波下船舶遭受的波浪動(dòng)載荷以及誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，對(duì)比規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式中波浪動(dòng)載荷，計(jì)算半潛船貨物的動(dòng)載荷極值，用以說明《規(guī)范》應(yīng)該考慮《法規(guī)》規(guī)定的沉浮作業(yè)工況下的波浪動(dòng)載荷，作為外載荷的一部分加入有限元計(jì)算中。

1 設(shè)計(jì)波應(yīng)用

1.1 設(shè)計(jì)波法及波浪載荷短期預(yù)報(bào)

船舶處于隨機(jī)海浪作用下，波浪載荷具有隨機(jī)性和復(fù)雜動(dòng)力性，難以精確計(jì)算。目前普遍采取的方法是等效設(shè)計(jì)出在一定概率水平下的規(guī)則波施加在船舶上，進(jìn)而計(jì)算運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力響應(yīng)，這就是所謂的設(shè)計(jì)波。

考慮半潛船沉浮作業(yè)工況海況條件相對(duì)確定，沉浮作業(yè)時(shí)間為幾小時(shí)內(nèi)，只經(jīng)歷某幾種海況，海況條件可以作確定性預(yù)報(bào)，如采用長期預(yù)報(bào)方式卻不能得到對(duì)應(yīng)具體海況的確切反應(yīng)，因此認(rèn)為采用短期預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)波用于計(jì)算波浪載荷更能反映實(shí)際情況[6]。

1.2 海況要求

船舶強(qiáng)度評(píng)估中極限波浪載荷對(duì)應(yīng)船舶航行和作業(yè)海區(qū)內(nèi)船舶預(yù)計(jì)營運(yùn)年限內(nèi)的最惡劣海況，計(jì)算中應(yīng)選取航行海區(qū)中的最惡劣波浪散布圖。但由于半潛船作業(yè)及載運(yùn)貨物的特殊性，出于船舶及貨物的安全性考慮，對(duì)航線及作業(yè)海況也有嚴(yán)格要求《法規(guī)》對(duì)半潛船沉浮作業(yè)的環(huán)境條件作出了以下明確規(guī)定。

1)在有義波高不超過0.3 m的水域，蒲氏風(fēng)級(jí)不超過3級(jí)時(shí)，經(jīng)自有液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.5 m，或蒲氏風(fēng)級(jí)不超過5級(jí)時(shí)，經(jīng)修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.5 m。

2)在蒲氏風(fēng)級(jí)不超過6級(jí)，有義波高不超過0.5 m的水域，或者蒲氏風(fēng)級(jí)不超過4及級(jí)，有義波高不超過1 m的水域，經(jīng)自由液面修正后的初穩(wěn)性高度不小于0.15 m。

根據(jù)《法規(guī)》要求，半潛船沉浮作業(yè)工況應(yīng)在不大于1 m有義波高的條件下方可進(jìn)行升沉作業(yè)操作[7-9]。

1.3 波譜的參數(shù)確定

根據(jù)《規(guī)范》直接計(jì)算部分的要求，船舶在波浪上運(yùn)動(dòng)和波浪載荷及其短期預(yù)報(bào)計(jì)算采用P-M波浪譜

考慮到半潛船升沉作業(yè)海況的約束條件，這里將H1/3取值為1m；波浪圓頻率ω選取區(qū)間為0.2～3，步長取0.1rad/s；波浪跨零周期T2則選擇一定區(qū)間內(nèi)的多個(gè)值進(jìn)行比較，最后確定導(dǎo)致預(yù)報(bào)載荷極值的T2，計(jì)算浪向角θ取0°～180°，步長取15°。

2 計(jì)算實(shí)例

以一艘鋼質(zhì)、全電焊、流線型船艏、短艏樓、方型艉部、寬敞作業(yè)甲板、電力推進(jìn)、具有DP-1 級(jí)動(dòng)力定位的自航半潛船為研究對(duì)象。選取載運(yùn)5 000t無浮力貨下甲板入水和深潛吃水的兩種典型沉浮工況，根據(jù)其作業(yè)手冊中的配載要求，采用SESAM軟件建立船舶三維濕表面模型及質(zhì)量分布模型，計(jì)算船舶船舯最大彎矩的頻響函數(shù)，確定等效設(shè)計(jì)波，計(jì)算設(shè)計(jì)波誘導(dǎo)波浪動(dòng)載荷及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

主尺度及相關(guān)參數(shù)見表1。

文中主要討論半潛船沉浮作業(yè)工況下施加于船體的波浪動(dòng)載荷及波浪誘導(dǎo)船體加速度導(dǎo)致的甲板貨動(dòng)載荷問題，因此選取半潛船載重5 000 t非浮力貨下船舶主甲板浸沒(吃水12.64 m)和深潛(吃水19.53 m)兩種吃水工況。SESAM建模的全船濕表面網(wǎng)格模型見圖1。

表1 主尺度及相關(guān)數(shù) m

圖1 半潛船三維模型網(wǎng)格

2.1 確定頻響函數(shù)

計(jì)算模型選取船舯彎矩作為用于設(shè)計(jì)波預(yù)報(bào)的主要控制參數(shù)，船舶沉浮作業(yè)下航速為0，計(jì)算目標(biāo)船在規(guī)則波不同浪向角下的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在兩種吃水工況下浪向角為180°，遭遇頻率接近0.54 rad/s時(shí)獲得船舯彎矩最大值，船舶甲板入水時(shí)船舯最大彎矩大于深潛船舯最大彎矩，見圖2。

圖2 船舯彎矩頻率響應(yīng)函數(shù)

2.2 確定設(shè)計(jì)波

采用P-M波浪譜，三一波高H1/3取《法規(guī)》限制最大值1m；跨零周期T2選取6.5～11.5s區(qū)間內(nèi)多個(gè)值進(jìn)行比對(duì)預(yù)報(bào)載荷極值，短期預(yù)報(bào)時(shí)長取3h。計(jì)算得設(shè)計(jì)波參數(shù)見表2。

由表2可見，對(duì)應(yīng)半潛船主甲板剛剛浸沒和船體達(dá)到最深吃潛水的兩種工況的設(shè)計(jì)波波幅分別為0.245m和0.317m，設(shè)計(jì)波頻率分別為0.534rad/s和0.548rad/s。中拱、中垂對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)波相位分別為325°/303°和145°/123°。

2.3 波浪動(dòng)載荷的影響

SESAM軟件計(jì)算獲得的船舶深潛工況中垂彎矩極值下的波浪載荷見圖3。

表2 設(shè)計(jì)波參數(shù)

圖3 波浪動(dòng)載荷云圖(T=19.53 m,中垂)

取船舯剖面研究波浪外載荷，并對(duì)比《規(guī)范》中常規(guī)運(yùn)輸船波浪外載荷計(jì)算公式結(jié)果。圖4～圖6為船舶沉浮作業(yè)不同吃水下直接計(jì)算和《規(guī)范》規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得的船體甲板、舷側(cè)、船底處的波浪動(dòng)壓力圖。

圖4 甲板波浪動(dòng)壓力

圖5 船舷側(cè)波浪動(dòng)壓力

圖6 船底波浪動(dòng)壓力

由圖4～6可見，半潛船在甲板入水和深潛工況下直接計(jì)算所得的舷側(cè)處和船底處波浪動(dòng)壓力小于規(guī)范計(jì)算很多，在接近甲板處波浪動(dòng)壓力迅速上升。對(duì)比甲板處波浪動(dòng)壓力與規(guī)范計(jì)算值可知。

1)T=12.64 m工況船舯甲板中心位置波浪動(dòng)壓力直接計(jì)算值為38.1 kPa，規(guī)范計(jì)算值為51.7 kPa。直接計(jì)算值為規(guī)范計(jì)算值的73%。

2)T=19.53 m工況船舯甲板中心位置波浪動(dòng)壓力直接計(jì)算值為13.1 kPa，規(guī)范計(jì)算值為30.1 kPa，外部靜水壓力為75.6 kPa。直接計(jì)算值為規(guī)范計(jì)算值的43%，外部靜水壓力的18%。

2.4 貨物動(dòng)載荷

通過SESAM軟件計(jì)算等效設(shè)計(jì)波誘導(dǎo)船體在6個(gè)自由度的加速度,見表3。

表3 船體梁6個(gè)自由度的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度

表3中6個(gè)自由度加速度中影響貨物動(dòng)載荷的加速度分量為垂蕩加速度、橫搖加速和縱搖加速度，其中橫搖加速度和縱搖加速度基本為0；垂蕩加速度引起貨物動(dòng)載荷相比貨物本身重量之比為垂蕩加速度與重力加速度之比：0.25%，由垂向加速度引起的貨物與甲板面之間的相互作用力遠(yuǎn)小于貨物重力，基本可忽略。

3 結(jié)論

1)法規(guī)對(duì)半潛船沉浮作業(yè)工況的環(huán)境條件有明確要求，等效設(shè)計(jì)波參數(shù)采用短期預(yù)報(bào)波浪載荷的方式是可行的。

2)半潛船在法規(guī)要求的最嚴(yán)重海況下的沉浮作業(yè)，其波浪誘導(dǎo)的船體梁加速度很小，可忽略不計(jì)，但法規(guī)中未對(duì)涌浪等情況進(jìn)行考慮，建議法規(guī)明確相應(yīng)的壞境條件。進(jìn)而對(duì)貨物動(dòng)載荷作進(jìn)一步的考量。

3)半潛船沉浮作業(yè)工況下，由于環(huán)境條件比較理想，沿水深方向波浪動(dòng)壓力迅速衰減，舷側(cè)及船底波浪動(dòng)壓力較小

4)半潛船甲板承擔(dān)貨物壓力、外部靜水壓力和波浪動(dòng)壓力。從軟件計(jì)算結(jié)果來看，半潛船深潛工況的波浪動(dòng)壓力為外部靜水壓力的18%，考慮波浪動(dòng)壓力的影響是非常必要的。

通用規(guī)范對(duì)半潛船的波浪動(dòng)載荷及貨物動(dòng)載荷計(jì)算缺乏實(shí)用性。但對(duì)這種載貨多樣的特殊船型精細(xì)化的計(jì)算是必要的，因此建議《規(guī)范》在關(guān)于半潛船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核中增加對(duì)波浪動(dòng)載荷的考慮[10]。

[1] 吳宗鐸,宗 智,錢 昆．半潛船波浪載荷計(jì)算研究[J]．造船技術(shù)，2010,4(1)：1-4.

[2] 遲少燕,楊 青．38 000 t級(jí)自航半潛船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].上海造船.2011(4):17-20.

[3] 馮志根．半潛船船型特點(diǎn)及其發(fā)展前景[J]．上海造船，2006(1)：49-51.

[4] 中華人民共和國海事局．國內(nèi)海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則[S].北京：人民交通出版社,2011．

[5] 中國船級(jí)社．鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S].2012.北京：人民交通出版社,2012．

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[9] 戴仰山，沈進(jìn)威，宋競正.船舶波浪載荷[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[10] 肖麗娜，索雙武.深水半潛平臺(tái)的環(huán)境載荷分析[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

國家973項(xiàng)目

常永全(1982-)，男，碩士，工程師

U674941

A

1671-7953(2015)01-0141-04

修回日期：2014-08-10

研究方向:波浪動(dòng)載荷

E-mail:yqchang@ccs.org.cn