陶尼斯 李成君 張 勇 趙建亭 王 璞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，人類對礦產(chǎn)資源的需求也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。因上個世紀(jì)大規(guī)模開采導(dǎo)致陸地資源日漸枯竭，人類已開始有計劃地開發(fā)海洋中蘊藏的豐富資源，在已發(fā)現(xiàn)的海洋礦產(chǎn)資源中，較有開采價值的主要有多金屬結(jié)核及硫化物、富鈷結(jié)殼等［1］。世界上首艘采礦船是由新加坡某船舶設(shè)計公司設(shè)計，在中國福建竣工交船后被某礦業(yè)公司租用，而我國在深海采礦方面的研究起步較晚［2］。本文以“深海采礦船”科研課題為技術(shù)背景，主要針對關(guān)鍵設(shè)備的A架及塔架加強進行分析和優(yōu)化，旨在為該船型局部強度設(shè)計提供思路和方法。

1 采礦船作業(yè)流程

依托項目主甲板的布置如圖1所示。生活樓、帶直升機平臺、機艙位于艏部，主甲板為作業(yè)區(qū)；船體中部位置設(shè)有垂向貫穿式月池，月池上部設(shè)置塔架，揚礦硬管水平布置在月池首部、揚礦軟管垂直布置在月池尾部，脫水模塊布置在月池尾部；左舷布置2套折臂吊，右舷設(shè)置2套外輸?shù)酢?/p>

圖1 主甲板布置示意圖

深海采礦作業(yè)流程主要由作業(yè)設(shè)備布放與回收、在位采礦作業(yè)以及礦物轉(zhuǎn)運作業(yè)這3部分組成，作業(yè)設(shè)備的布放與回收操作主要是由收放絞車、排纜器、A架、臍帶纜卷車、液壓泵站等完成。A架布置在主甲板左舷首部/尾部，臍帶纜卷車布置在左舷首部/尾部； 輔助集裝箱就近布置，見圖1。

采礦車及其附屬設(shè)備電纜由左舷A架處下放，調(diào)節(jié)軟管和采礦車的布放速度，使兩臺采礦車協(xié)同布放，在采礦車下放的同時，水下中繼站和臍帶纜通過塔架月池進行協(xié)同下放；揚礦硬管水平存儲在月池首部主甲板上，采用管子處理系統(tǒng)運送到工作臺上塔架內(nèi)，揚礦泵布置在主甲板左舷位置，通過臺車運到月池位置、工作臺底下，與塔架內(nèi)組裝下放的揚礦管組裝在一起下放，回收流程反之；揚礦軟管垂直存儲在月池尾部左舷位置，采用左舷折臂吊機和舷側(cè)卡盤布放回收。

在位采礦作業(yè)是由開礦、采礦、集礦這3套獨立的海底采礦機械設(shè)備來完成。其中開礦機的作用是平整作業(yè)區(qū)，為采礦機作業(yè)準(zhǔn)備；協(xié)助平整和磨平黑煙囪；清掃采礦機作業(yè)的邊角和底盤障礙；開采完畢后清理采礦位置。采礦機的主要作用是切削和研磨礦床。集礦機的作用是收集吸取海底切削完畢的礦石，混合礦石和海水，通過揚礦軟管泵送礦石泥漿到水下提升泵。高壓水下?lián)P礦泵通過揚礦管將礦漿輸送到脫水模塊，經(jīng)脫水過濾后，含水量很低的礦石通過傳送裝置被儲存在母船貨艙內(nèi)。貨艙艙頂附近設(shè)有推平裝置，保證礦石在貨艙內(nèi)均勻堆積。為提高轉(zhuǎn)運效率，當(dāng)艙內(nèi)接近滿載時，礦石通過艙內(nèi)轉(zhuǎn)運裝置傳送到舷邊的外輸?shù)?，?jīng)傳送帶旁靠外輸給附近的運輸船，從而完成礦物轉(zhuǎn)運作業(yè)。

2 A架加強強度分析及優(yōu)化設(shè)計

采礦船結(jié)構(gòu)設(shè)計難點主要在于結(jié)構(gòu)局部載荷遠(yuǎn)超過常規(guī)船舶。除承受大面積均布載荷外，其還要承受大型設(shè)備作用的集中載荷以及作業(yè)工況下的隨機載荷和可變載荷［3］，局部強度設(shè)計十分復(fù)雜。

A架對于常規(guī)海船只要滿足作業(yè)設(shè)備的布放和回收功能即可，設(shè)計載荷通常約幾十噸［4］，一般不會對結(jié)構(gòu)強度造成很大影響；而深海采礦船作為特殊船型，由于其特殊的深海作業(yè)職能和作業(yè)時要面對復(fù)雜的載荷工況導(dǎo)致其設(shè)計載荷達到了千噸級別，因此結(jié)構(gòu)強度問題就顯得尤為突出。

2.1 計算載荷及工況

A架的主要功能是將采礦車等大型采礦設(shè)備進行下放和回收。在進行A架加強強度校核時無需逐一計算不同工況，只需選取典型工況進行校核，以避免不必要的計算量。既然A架在回收和布放操作是將采礦設(shè)備由舷外移到舷內(nèi)或者舷內(nèi)移到舷外的過程（見圖2），故選取設(shè)備資料中A架達到最大外伸和內(nèi)收跨距的以下2種典型工況進行研究：

（1）工況1

A架的提升狀態(tài)，向船內(nèi)的擺幅為8.1 m。

（2）工況2

A架的復(fù)位狀態(tài)，船外最大延伸12.8 m。

圖2 A架作業(yè)示意圖

表1 工況載荷匯總

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

基座采用箱型結(jié)構(gòu)，相對于T型材形式，在各個方向的強度和剛度都更加理想，甲板板和下加強結(jié)構(gòu)尺寸取值更小，結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕，最重要的是由于箱型結(jié)構(gòu)在橫向設(shè)置兩道腹板，甲板下對應(yīng)設(shè)置兩道強框，能較明顯降低基座腹板和面板的整體應(yīng)力水平，使A架的功能性載荷能通過基座結(jié)構(gòu)比較有效傳遞給主船體。如果不采用基座形式，將A架直接焊在甲板上，將導(dǎo)致甲板板非常厚，下加強構(gòu)件尺寸非常大，對施工工藝要求更高，雖然下加強形式和箱型基座基本一致，但結(jié)構(gòu)增重較多。因此通過三種方案的對比，采用箱型結(jié)構(gòu)作為最終設(shè)計方案。焊接方面，箱型基座的腹板與面板及甲板板采用全焊透形式；結(jié)構(gòu)形式方面，橫向基座腹板對齊強框結(jié)構(gòu)，縱向每隔一段距離設(shè)置加強板對齊甲板縱桁。節(jié)點處理方面，基座縱向加強結(jié)構(gòu)肘板趾端采用軟趾形式。結(jié)構(gòu)材料選取方面考慮到設(shè)計載荷的量級，基座、甲板板及下加強結(jié)構(gòu)均采用H36的高強度鋼。其中基座面板和腹板取值達到了50EH36，考慮剛度匹配的原則，主甲板和舷側(cè)外板可根據(jù)基座腹板的板厚取值適當(dāng)減薄。本船主甲板板校核區(qū)域取30EH36，其中外板應(yīng)力校核區(qū)域取值40EH36，校核區(qū)域以外插入24 mm的普通鋼板進行過渡，防止結(jié)構(gòu)剛度突變導(dǎo)致局部構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力集中?；矫婕巴獍灏搴穹植挤謩e見下頁圖3和圖4；A架鉸點位置及布置示意圖見圖5。

圖3 基座平面結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 外板板厚范圍示意圖

2.3 有限元法直接計算

本船在首尾各配有1套A架結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計載荷相同、加強結(jié)構(gòu)相似，因此只選取尾部的A架加強結(jié)構(gòu)進行校核，采用有限元法，借助大型商業(yè)軟件MSC/PATRAN/NASTRAN軟件，對A架加強結(jié)構(gòu)的強度進行分析。有限元模型參見圖6。

模型范圍：縱向范圍FR6～FR54，橫向范圍為左舷4 650縱艙壁至左舷舷側(cè)，垂向范圍為二甲板至主甲板，模型在截斷處統(tǒng)一按照簡支處理。

圖6 有限元模型板厚示意

模型單元：殼體單元模擬甲板、船體板、縱向桁材或橫向強梁的腹板及縱、橫艙壁等板結(jié)構(gòu)；梁單元模擬縱向桁材或橫向強梁的面板以及加強筋等。甲板、艙壁及橫梁/縱桁的腹板采用板單元模擬，骨材及橫梁/縱桁的面板采用梁單元模擬。

應(yīng)力校核結(jié)果見表2。由于A架在操作功能方面具有明顯的海工裝置特征，根據(jù)CCS《海上浮式裝置入級規(guī)范》［5］對結(jié)構(gòu)區(qū)域的劃分標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域為海工區(qū)域，屈服強度校核衡準(zhǔn)應(yīng)符合CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》［6］相關(guān)應(yīng)力衡準(zhǔn)的要求。

表2 各工況最大應(yīng)力值匯總 MPa

各工況最大應(yīng)力值均出現(xiàn)基座縱向板與外板連接處，在基座縱向肘板趾端下方的舷頂列板出現(xiàn)了應(yīng)力集中，下面將就基座縱向板形式進行分析，以期找到降低局部應(yīng)力的優(yōu)化措施。

2.4 優(yōu)化方案分析與對比

海洋工程裝備制造業(yè)作為國家大力發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，近年來一直朝著大型化方向發(fā)展。這種趨勢必然會導(dǎo)致A架設(shè)計載荷激增而使該區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計問題面臨更嚴(yán)峻的考驗。以下將就A架基座形式對結(jié)構(gòu)強度的影響進行分析。通過改變圖7中基座高度a、肘板寬度b的方式形成不同基座結(jié)構(gòu)的方案組合（見表3），借助大型商業(yè)軟件MSC/PATRAN/NASTRAN軟件進行建模并計算不同方案組合下最大合成應(yīng)力值。

圖7 基座縱向結(jié)構(gòu)示意圖

表3 優(yōu)化計算結(jié)果匯總

圖8 方案1最大合成應(yīng)力云圖

圖9 方案2最大合成應(yīng)力云圖

由表3可獲得以下結(jié)論：

（1）提高基座高度和增加肘板寬度均可降低結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力水平。從建造工藝角度考慮，增加基座高度對施工工藝有利，但從作業(yè)角度考慮，受力點高度增加會使設(shè)計載荷增大；而過度增加肘板寬度，則將影響甲板機械設(shè)備的布置。綜上分析，從實際角度適當(dāng)提高基座高度和適度增加肘板寬度對結(jié)構(gòu)局部強度有利。

（2）初始方案基座縱向板與外板是獨立的，此處結(jié)構(gòu)可考慮將縱向板與外板做成整塊嵌入板的形式與船體結(jié)構(gòu)焊接，并考慮適當(dāng)加大圓弧以減輕應(yīng)力集中程度（見圖12）。

圖10 方案3最大合成應(yīng)力云圖

圖11 方案4最大合成應(yīng)力云圖

圖12 外板優(yōu)化方案示意圖

3 塔架加強分析及優(yōu)化設(shè)計

3.1 塔架加強結(jié)構(gòu)設(shè)計

塔架加強結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于腳點的位置在設(shè)計初期應(yīng)當(dāng)規(guī)劃協(xié)調(diào)好。本船塔架腳點位于月池開口角隅縱橫艙壁交錯的位置，此位置能給塔架提供足夠支撐， 加強結(jié)構(gòu)型式簡單且整體強度和剛度良好。

3.2 塔架加強結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

塔架作為采礦船關(guān)鍵設(shè)備除了要重點關(guān)注局部強度問題，其結(jié)構(gòu)變形也不容忽視。下面將就塔架基座結(jié)構(gòu)尺寸對結(jié)構(gòu)強度和變形影響進行研究，以期找到結(jié)構(gòu)形式上的優(yōu)化措施。

利用DNV船級社Sesam-Genie軟件進行建模，采用有限元法計算在設(shè)計載荷下的最大應(yīng)力和變形。塔架基座平面示意圖見圖13，支腿在基座面板處的下加強結(jié)構(gòu)見圖14，基座下加強肘板示意圖見下頁圖15。

圖13 塔架基座平面示意圖

圖14 支腿下加強結(jié)構(gòu)示意圖

圖15 基座下加強肘板結(jié)構(gòu)示意圖

優(yōu)化設(shè)計策略通過改變圖14和圖15中結(jié)構(gòu)變量a、b、c數(shù)值的方法，獲得8種不同組合，借助Sesam-Genie軟件分別建模計算局部結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大變形，計算結(jié)果見表4，方案1變形及相當(dāng)應(yīng)力云圖見圖16和圖17。

在分析變量a、b、c對局部強度和剛度影響時，采用優(yōu)化方案組合比較的策略。組合的原則是當(dāng)研究變量a時，則選擇b、c相同的兩個或者多個方案進行比較，其他變量研究方式類同。

表4 優(yōu)化方案計算結(jié)果匯總

圖16 方案1結(jié)構(gòu)變形云圖

從下頁表5方案組合對比可得出以下結(jié)論：

（1）在b和c一定的情況下，增大a值，最大變形增大，最大應(yīng)力值減??；

圖17 方案1相當(dāng)應(yīng)力云圖

（2）在a和c一定的情況下，增大b值，最大變形減小，最大應(yīng)力值變化趨勢不確定；

表5 方案組合匯總

（3）在a和b一定的情況下，增大c值，最大變形和最大應(yīng)力值變化不大；

（4）在c值一定的情況下，增大b/a值，最大變形減小，最大應(yīng)力值呈現(xiàn)變大趨勢。

從以上結(jié)論來看，增大a或b值中的一個，最大變形和最大應(yīng)力值的變化趨勢基本相反。因此實際工程設(shè)計中，在局部強度滿足的前提下，從減小局部變形的出發(fā)點考慮可采取以下措施：

（1）適當(dāng)增加基座肘板寬度，但不宜增加過多，否則有可能造成應(yīng)力值升高和材料的浪費；

（2）在施工條件允許的情況下，適當(dāng)降低基座高度；

（3）由于c值對局部強度和剛度影響不大，可適當(dāng)減小支腿下加強扁鋼的腹板高度，對施工工藝來說更加有利。

4 結(jié) 語

本文針對大型科研項目深海采礦船作業(yè)流程、關(guān)鍵設(shè)備A架與塔架加強結(jié)構(gòu)的強度以及優(yōu)化設(shè)計進行闡述，可得出以下結(jié)論：

（1）作為關(guān)鍵設(shè)備的A架、塔架加強結(jié)構(gòu)，都是典型海工裝置所擁有的結(jié)構(gòu)特征，采用直接計算可有效保證該船型結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全。

（2）由于本船型從布置和功能上具備船和浮式裝置的雙重特征，按照規(guī)范對結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分，關(guān)鍵設(shè)備加強區(qū)域?qū)儆诤９^(qū)域；因此，應(yīng)充分考慮作業(yè)區(qū)域的環(huán)境因素，合理優(yōu)化加強設(shè)計，保證設(shè)備作業(yè)安全。

由于篇幅所限，其他關(guān)鍵設(shè)備加強及優(yōu)化設(shè)計問題將在以后文章中闡述。希望本文能為深海采礦船船型設(shè)計研發(fā)起到拋磚引玉的作用，為類似工程項目設(shè)計提供借鑒。