陳 莉、伍蓉暉、張 雷、何 珍、陳方紅

（中船黃埔文沖船廠有限責(zé)任公司，廣州510725）

1 概述

目前常規(guī)半潛船在下潛、浮船、貨物裝載操作過(guò)程中，因?yàn)榉€(wěn)性、船舶應(yīng)力過(guò)高等潛在安全問(wèn)題，操作人員需要結(jié)合船舶配載系統(tǒng)、貨物裝載計(jì)算、船舶實(shí)時(shí)姿態(tài)、船舶實(shí)時(shí)壓載狀態(tài)進(jìn)行人為連續(xù)的壓載調(diào)整，以保證船舶潛浮操作安全。因?yàn)榘霛摯瑝狠d系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算、人為判斷、操作調(diào)整、操作響應(yīng)等都需要大量時(shí)間，為了保證半潛船船舶安全，常規(guī)半潛船的潛浮操作是以時(shí)間和效率換船舶安全，但是因?yàn)椴僮魅藛T錯(cuò)誤判斷和誤操作原因，半潛船在作業(yè)過(guò)程中依然會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)姿態(tài)，影響船舶安全。因此為了確保半潛船的安全作業(yè)，同時(shí)有效提高半潛船作業(yè)效率是半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方向。

2 半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)簡(jiǎn)介

半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)通過(guò)船舶設(shè)計(jì)和建造數(shù)據(jù)構(gòu)建船舶基礎(chǔ)應(yīng)力截面，通過(guò)船舶潛浮過(guò)程、裝載過(guò)程中船舶不同分段的浮力變化和相應(yīng)壓載水變化，以及具體貨物重量分布參數(shù)，對(duì)每個(gè)應(yīng)力截面的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)合成，通過(guò)壓載水艙壓載水量調(diào)整來(lái)消除船體局部應(yīng)力升高，同時(shí)也可以保證船舶穩(wěn)性安全。

半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：首先，系統(tǒng)通過(guò)電腦系統(tǒng)對(duì)船舶采樣截面的應(yīng)力進(jìn)行快速計(jì)算和優(yōu)化提示，降低了船舶操作人員的工作強(qiáng)度，提高系統(tǒng)操作效率。其次，系統(tǒng)可以進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)預(yù)設(shè)，減少大型構(gòu)件貨物裝載產(chǎn)生的船舶應(yīng)力過(guò)高的風(fēng)險(xiǎn)，提高船舶工作安全性。再者，系統(tǒng)可以根據(jù)船舶極限重心高的限制優(yōu)化船舶重心位置，適應(yīng)一定等級(jí)的浪涌危險(xiǎn)。

3 半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)主要目的是：（1）通過(guò)船舶設(shè)計(jì)建造數(shù)據(jù)、船舶浮態(tài)、船舶壓載狀態(tài)以及船舶裝載情況和裝載計(jì)劃，計(jì)算船舶采樣切面的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)船體應(yīng)力過(guò)高位置；（2）通過(guò)船舶壓載系統(tǒng)對(duì)船舶壓載水進(jìn)行調(diào)控，對(duì)船舶的應(yīng)力過(guò)高位置的應(yīng)力進(jìn)行消減，提高船體安全性；（3）通過(guò)船舶壓載水系統(tǒng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)船舶應(yīng)力預(yù)設(shè)或應(yīng)力轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)貨物裝載前后船體局部應(yīng)力綜合優(yōu)化，以及船舶穩(wěn)性優(yōu)化，提高船舶裝載安全性；（4）通過(guò)船舶優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算和優(yōu)化操作指導(dǎo)，提高半潛船操作的效率，降低系統(tǒng)操作強(qiáng)度。

因此根據(jù)某半潛船具體船舶結(jié)構(gòu)，采用合理簡(jiǎn)單的方法對(duì)船體進(jìn)行應(yīng)力采用切面取樣，通過(guò)對(duì)相應(yīng)采用截面的應(yīng)力疊加計(jì)算，發(fā)現(xiàn)船舶取樣截面中異常應(yīng)力截面，通過(guò)壓載水量的預(yù)設(shè)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)船體應(yīng)力安全，提高船舶的安全性是半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)。

3.1 半潛船船舶船體應(yīng)力截面與應(yīng)力計(jì)算方案

基于具體船舶強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)樣船進(jìn)行縱向分割，設(shè)定應(yīng)力采樣截面。

船體從設(shè)計(jì)建造開(kāi)始進(jìn)行船舶應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)切面劃分，根據(jù)具體船型進(jìn)行應(yīng)力切面劃分，原則上劃分切面為壓載水艙艙壁。整個(gè)船舶將縱向劃分為N個(gè)分段劃分，每個(gè)分段進(jìn)行獨(dú)立受力計(jì)算，包括：船舶固有重量G1N、船舶壓載水艙/油水柜中液體重量G2N、船舶分段浮力F1N、貨物重量C1N（貨艙分段承擔(dān)重量），參見(jiàn)圖1。

船舶分段垂直方向綜合受力：FN=G1N+G2N+C1NF1N+F(N-1)

通過(guò)對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)的曲線柔化連接，則可以得到船體近似應(yīng)力分布曲線，見(jiàn)圖2。

如果FN=0，則船舶分段對(duì)兩側(cè)分段應(yīng)力作用為0，如果FN≠0，則該分段取樣切面應(yīng)力為FN，分段應(yīng)力作用對(duì)相鄰分段應(yīng)力可以疊加傳遞。[1]

圖1 船舶分段應(yīng)力示意圖

在應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中，每個(gè)分段綜合受力計(jì)算方程中的變量有：船舶壓載水艙/油水柜中液體重量G2N、船舶分段浮力F1N。主動(dòng)調(diào)整變量為G2N，被動(dòng)變量為F1N。因此通過(guò)主動(dòng)變量的循環(huán)調(diào)整，被動(dòng)變量的反饋修正，可以盡量降低船體應(yīng)力，實(shí)際操作中，根據(jù)具體船舶的船體安全應(yīng)力設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)船體操作進(jìn)行安全應(yīng)力范圍多級(jí)設(shè)定，系統(tǒng)保證船體應(yīng)力處于較高安全等級(jí)狀態(tài)。

船舶空載應(yīng)力建模：通過(guò)每個(gè)分段的設(shè)計(jì)和建造數(shù)據(jù)和空載浮態(tài)建立船舶空載應(yīng)力曲線作為船舶應(yīng)力參比計(jì)算基礎(chǔ)。

船舶形變校準(zhǔn)模型：通過(guò)船舶首、舯、尾吃水傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)安裝數(shù)據(jù)，建立船舶空載形變模型，作為船舶初始形變參考曲線，以評(píng)估后期船舶形變安全。船體形變示意曲線見(jiàn)圖3。

圖2 船舶應(yīng)力曲線示意圖

圖3 船舶總縱變形示意圖

船舶通過(guò)壓載水量的調(diào)整。可以對(duì)全船的應(yīng)力曲線進(jìn)行調(diào)整，船舶壓載水艙的重力曲線可以通過(guò)壓載水艙水位測(cè)量和艙容數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和建模。壓載水在船舶的實(shí)際分布狀態(tài)和預(yù)期分布，以及對(duì)船舶的受力影響可以通過(guò)分布縱向曲線進(jìn)行觀測(cè)和預(yù)測(cè)，見(jiàn)圖4。

圖4 船舶壓載水重量分布示意圖

船舶通過(guò)以上曲線的嚙合、對(duì)沖和修復(fù)，最佳理想狀態(tài)是船舶整體采樣點(diǎn)應(yīng)力為零，這是趨勢(shì)，實(shí)際上船舶采樣點(diǎn)的應(yīng)力需要保證在船舶設(shè)計(jì)應(yīng)力極限之內(nèi)，但是這是安全最低需求，通過(guò)設(shè)定計(jì)算，應(yīng)力采樣點(diǎn)將循環(huán)優(yōu)化。

船舶應(yīng)力動(dòng)態(tài)調(diào)整：船體的應(yīng)力狀態(tài)實(shí)際上與航行海域海況、船體構(gòu)件尺寸、裝載量有關(guān)聯(lián)，因此關(guān)聯(lián)貨物、海況、浪級(jí)的船舶應(yīng)力轉(zhuǎn)移方案將提高船舶應(yīng)力動(dòng)態(tài)安全與整體安全性。

船體疲勞檢測(cè)：船舶經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，船體的鋼板、骨材的疲勞問(wèn)題將會(huì)潛在影響船舶安全，通過(guò)新造船的船舶應(yīng)力和船體形變曲線、運(yùn)營(yíng)期間基于時(shí)間的船舶應(yīng)力和船體形變曲線，通過(guò)船體形變對(duì)比，可以設(shè)定船舶船體結(jié)構(gòu)的疲勞預(yù)警點(diǎn)，提醒船體維修和維護(hù)工作。

3.2 船舶貨物裝載與船舶壓載方案

半潛船主要用于大型、非規(guī)則性貨物，貨物重心和重量分布不受控，每次貨物裝載的方案都需要進(jìn)行計(jì)算論證，裝載方和船運(yùn)方需要對(duì)各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行交換和對(duì)裝載方案進(jìn)行溝通確認(rèn)，但是半潛船的裝載方案同時(shí)受到船舶裝載過(guò)程中的實(shí)時(shí)船舶裝載狀態(tài)的變化影響，在裝載過(guò)程中船舶依然存在船舶穩(wěn)性和船舶應(yīng)力安全問(wèn)題。

基于上述船舶截面應(yīng)力分析結(jié)合船體彎曲應(yīng)力分析，半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)通過(guò)負(fù)載曲線、船舶壓載曲線對(duì)船舶應(yīng)力曲線疊加方案，可以實(shí)現(xiàn)船舶截面應(yīng)力尋優(yōu)，快速靈活的實(shí)現(xiàn)半潛船的船舶安全裝載。見(jiàn)圖5所示。

（1）船舶應(yīng)力預(yù)測(cè)

針對(duì)半潛船裝載貨物特定形狀、重量分布等信息，半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)可以對(duì)貨物裝載前、貨物裝載后、船舶壓載系統(tǒng)調(diào)整后的船舶應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行預(yù)分析計(jì)算，避免船舶應(yīng)力奇點(diǎn)，提供船舶貨物裝載前的預(yù)裝載船舶應(yīng)力提前儲(chǔ)備，平衡裝載后的船體應(yīng)力奇點(diǎn)，避免船舶在整個(gè)裝載過(guò)程中出現(xiàn)船體應(yīng)力危險(xiǎn)峰值，提高船舶應(yīng)力安全和船舶穩(wěn)性安全。

圖5 船貨應(yīng)力疊加影響示意圖

（2）船舶連續(xù)壓載調(diào)整

傳統(tǒng)半潛船和其他類似商船的壓載水調(diào)整方案是操作人員依照配載系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，操作人員逐步對(duì)相應(yīng)壓載水艙進(jìn)行壓載水量調(diào)整，在船舶應(yīng)力達(dá)到預(yù)期限定后進(jìn)行下一步調(diào)整動(dòng)作，以保證船舶的安全。

半潛船船舶應(yīng)力安全保障系統(tǒng)可以針對(duì)半潛船船舶應(yīng)力和穩(wěn)性安全的連續(xù)計(jì)算，基于壓載水調(diào)整狀態(tài)和過(guò)程對(duì)船舶應(yīng)力變化和船舶穩(wěn)性提供趨勢(shì)預(yù)測(cè)和危險(xiǎn)預(yù)判，系統(tǒng)可以提前對(duì)船舶壓載系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)船舶應(yīng)力變化和穩(wěn)性變化的動(dòng)態(tài)控制和連續(xù)控制，大大減少半潛船潛浮操作時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前半潛船的需求不斷增長(zhǎng)，但是針對(duì)半潛船的特殊設(shè)計(jì)、配套控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)計(jì)算還存在不足，需要不斷完善和補(bǔ)充，對(duì)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)將有助于有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高船舶操作安全性，同時(shí)降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工成本，否則將會(huì)造成船舶效率浪費(fèi)和運(yùn)營(yíng)成本提高，充分了解技術(shù)要求，恰如其分的使用設(shè)計(jì)條件進(jìn)行計(jì)算和控制模型優(yōu)化不但可以大大提高半潛船的使用性能，也可以降低半潛船的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，做到船舶性能的全面提升，這些都有待于我們進(jìn)一步的改進(jìn)。