謝利強， 吳承恩， 郭曉東

(南通中遠船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

0 引 言

在巴西、北海等地的油田，采用常規(guī)油船無法直接從浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)上提取原油，必須采用帶動力定位系統(tǒng)的穿梭油船(Dynamic Positioning Shuttle Tanker, DPST)，但DPST的造價遠高于同等噸位的常規(guī)油船。為充分發(fā)揮常規(guī)油船數(shù)量多、造價低、載重量大和運輸成本低的優(yōu)勢，開發(fā)一種新型原油轉(zhuǎn)駁船(Cargo Transfer Vessel, CTV)。由于這種船的尺度較小，耐波性較差，因此減小CTV在波浪中的運動是該船型設(shè)計需考慮的一項重要內(nèi)容，其中箱形舭龍骨設(shè)計在增強CTV耐波性方面起到?jīng)Q定性作用。

1 線型設(shè)計

箱形舭龍骨主要通過增加受力面積來增大船舶的回復力矩，達到減小船舶橫搖頻率和增強船舶穩(wěn)定性的目的，已在圓筒形FPSO上得到應用[1-2]。水動力計算和模型試驗結(jié)果表明，這類舭龍骨設(shè)計能在不明顯降低航速的前提下，很好地減小船舶在波浪中的運動。

船體線型一般設(shè)計為光順的流線型，且艏艉線型變化較大，將方正的箱形結(jié)構(gòu)依附于船體舭部較為困難。因此，在設(shè)計線型時對箱形舭龍骨進行流線型改進：對于平行中體部分，改圓弧形式舭部為直角形式，船底板伸出舷外作為箱形舭龍骨的底板；對于艏艉部分，寬度逐漸收窄，并過渡到與船體外板重合；對于高度方向，保證其走勢與船體舭部相同，艏部和艉部終端稍微上翹。

箱形舭龍骨的具體尺寸為：平行中體部分寬2 m，船底板向上高1 m；艏艉部分隨船體線型上翹，寬度和高度逐漸變小，直至與船體外板貼合。箱形舭龍骨線型見圖1(陰影部分)。

a) 艉部橫剖線圖

b) 艏部橫剖線圖

c) 縱剖線圖

d) 水線面圖

2 水動力特性

對于水動力特性分析，哈爾濱工程大學根據(jù)舭龍骨線型，采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件對舭龍骨和船體進行整體建模和數(shù)值仿真，分析該舭龍骨對船舶運動的影響，并通過模型試驗進行驗證[3]。

CTV需具有橫搖、縱搖和升沉等3個自由度的穩(wěn)定性，準確預報CTV的橫搖阻尼系數(shù)是評價箱形舭龍骨減搖效果的關(guān)鍵。采用箱形舭龍骨的CTV在靜水中自由橫搖時衰減速度很快，橫搖阻尼系數(shù)難以通過自由衰減曲線獲得。對此，采用數(shù)值造波的方法強迫橫搖，建立CTV在正橫規(guī)則波中運動的數(shù)值求解模型，模擬CTV在實域波浪中的運動，對CTV在巴西油田4級海況下的橫搖運動幅值進行計算。

通過數(shù)值計算，分別得到裸船體CTV、帶箱形舭龍骨CTV和箱形舭龍骨帶制流板CTV等3種船型的橫搖幅頻響應系數(shù)(見圖2)。

圖2 CTV橫搖幅頻響應對比

由圖2可知，3條曲線的變化趨勢基本一致，CTV橫搖幅頻響應均隨著波浪圓頻率的增大而先增大后減小，但3條曲線的極值點和極值均不一致，橫搖阻尼較大的船型極值點對應的波浪圓頻率和極值均偏小。在任意波浪圓頻率下，帶箱形舭龍骨CTV和箱形舭龍骨帶制流板CTV的幅頻響應比裸船的CTV小，說明箱形舭龍骨具有一定的減搖效果。通過比較采用不同穩(wěn)定裝置的CTV的幅頻響應可知，箱形舭龍骨帶制流板的減搖效果要好于箱形舭龍骨。但是，從實際使用的角度考慮，帶制流板的箱形舭龍骨外形突出，結(jié)構(gòu)設(shè)計困難，會降低船舶航行的安全性，但這只用作性能對比，不進行實際使用。

此外，根據(jù)CTV實船航行海域的風流統(tǒng)計值，采用數(shù)值模擬的方法對海況條件進行分析和計算，得出實際海況下CTV的橫搖運動響應幅值見表1。

表1 實際海況下CTV的橫搖運動響應幅值計算結(jié)果

由表1可知，在4種海況下，箱形舭龍骨CTV和箱形舭龍骨帶制流板CTV的橫搖運動響應幅值均小于裸船體CTV，尤其是在第3種海況、第4種海況和波高為4 m的海況下，帶箱形舭龍骨CTV的橫搖運動響應幅值比裸船體CTV小很多，具有明顯的抗橫搖能力。由此可知，箱形舭龍骨有很好的減搖效果，滿足船東規(guī)格書中對橫搖運動響應幅值<10°的技術(shù)要求，基本上能達到實際使用要求。

3 箱體分隔

在確定線型和水動力特性之后，根據(jù)總體穩(wěn)性計算的需求，將箱形舭龍骨圍成的封閉區(qū)域分割成不同的艙室。在艏部，箱形舭龍骨區(qū)域與邊壓載艙連通，設(shè)置成壓載水艙。在舯部，部分箱形舭龍骨艙室與雙層底壓載水艙連通形成壓載艙，以增加壓載量和調(diào)節(jié)浮態(tài)；部分與底部空艙連通，設(shè)置成空艙，以滿足穩(wěn)性的要求。箱體分隔圖見圖3(陰影部分)。

圖3 箱體分隔圖

為保證箱體與船體艙室有效連通，在箱形舭龍骨安裝位置的外板上隔檔開設(shè)700 mm×500 mm的人孔。人孔的設(shè)計能保證箱形舭龍骨與船體外板可靠焊接。

4 結(jié)構(gòu)規(guī)格

設(shè)計箱形舭龍骨的結(jié)構(gòu)規(guī)格是非常重要的環(huán)節(jié)。箱形舭龍骨附著于船體外板上，有一定的寬度和厚度，與船體一起承受中拱、中垂等波浪彎矩和剪力的作用。由于箱形舭龍骨在船寬方向上是超出主船體的，在任何載重工況下都完全浸沒于水中，因此應首先保證其自身結(jié)構(gòu)的強度滿足要求。按照船級社的要求[4]，箱形舭龍骨的結(jié)構(gòu)規(guī)格應按照規(guī)范中要求的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計。在進行規(guī)范計算時，箱形舭龍骨底板按照船底板設(shè)計，側(cè)板和頂板按照船體外板設(shè)計，扶強材間距和肋與主船體保持一致。箱形舭龍骨典型橫剖面見圖4(陰影部分)。

圖4 箱形舭龍骨典型橫剖面圖

箱形舭龍骨的高度與雙層底不同，在船長方向上呈逐漸升高的趨勢。箱形舭龍骨的頂板若沒有有效的支撐，會對該部位的船體外板造成疲勞損害，從而影響船舶的安全。因此，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在船體內(nèi)側(cè)沿箱形舭龍骨頂板設(shè)置一道水平桁，其走勢與舭龍骨頂板的走勢保持一致。為檢查箱形舭龍骨的整體強度，采用有限元進行強度和疲勞分析，結(jié)果表明，箱形舭龍骨的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足規(guī)范的要求[5]。箱形舭龍骨有限元分析應力云圖見圖5。

5 施工問題

箱形舭龍骨在平行中體處的寬度為2 000 mm，高度為1 000 mm，外板上開設(shè)750 mm×500 mm的人孔，整體空間較大，施工難度不大。但是，隨著艏艉部分的寬度和高度逐步變小，施工難度增大，尤其是在艏端部，高度僅415 mm。為解決施工問題，將艏艉部分外板上的人孔布置由隔檔開設(shè)改為每檔開設(shè)，同時適當修改開孔的形狀，以滿足現(xiàn)場的施工要求。艉部外板人孔布置圖見圖6(陰影部分)。

由于艏艉區(qū)域每檔都開設(shè)有人孔，且人孔的形狀有所改變，船東認為該設(shè)置可能會對船體外板的強度有一定影響。經(jīng)局部結(jié)構(gòu)強度有限元分析(見圖7)，船體外板結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

6 改進建議

艏艉過渡區(qū)域采用流線型設(shè)計，箱形舭龍骨的寬度沿船長方向逐漸減小，最后與船體外板貼合。該設(shè)計雖然不會對船舶的航速產(chǎn)生較大影響，但在實際建造過程中會因空間狹窄而使施工難度較大。建議后續(xù)在設(shè)計類似船型時將貼合終止改為封板終止，保證結(jié)構(gòu)便于施工。即在恰當位置處布置水密的橫向艉封板，箱形舭龍骨終止于艉封板，該艉封板后面繼續(xù)貼合，采用單邊焊接技術(shù)對延伸結(jié)構(gòu)與船體外板圍成的局部死艙進行焊接。這樣的改進既考慮了流線性，又不影響船舶的水動力性能，同時方便施工，保證建造的順利進行。

a) 開孔四周應力分布

b) 開孔角隅應力分布

圖7 局部結(jié)構(gòu)強度有限元分析

7 結(jié) 語

通過前期的周密設(shè)計、中期的建造和后期的試航試驗，箱形舭龍骨經(jīng)受住了各方面的考驗，能有效改善船舶在波浪中的運動，增強船舶的穩(wěn)定性。已交付的箱形舭龍骨CTV效果圖見圖8。

a) 軸側(cè)圖

b) 正視圖

圖8 箱形舭龍骨CTV效果圖

箱形舭龍骨伸出舷外2 m，并處于水下，會對船舶的航行安全和靠泊安全造成一定的影響。新型CTV具有油艙容積大、可連續(xù)工作2個月不用靠泊碼頭補給的作業(yè)特點，設(shè)計箱形舭龍骨具有一定的優(yōu)勢；但對于頻繁靠港離港的船舶而言，該設(shè)計不合適。因此，需根據(jù)實船用途來考慮是否采用箱形舭龍骨設(shè)計。

采用箱形舭龍骨雖然能達到預期的減搖效果，但在尺度和外形方面還有優(yōu)化的空間。后續(xù)相似船舶若采用該設(shè)計，應在船型論證階段通過數(shù)值計算或試驗分析，進一步優(yōu)化箱形舭龍骨的結(jié)構(gòu)和尺寸，設(shè)計出更經(jīng)濟、更有效的船體結(jié)構(gòu)。