阿爾及利亞客滾船半船起浮方案的優化

黎相森 楊麟 羅秋珍

(廣船國際技術中心)

0 前言

阿爾及利亞客滾船是一艘1800 名乘客/600 輛車的國際短途豪華客滾船，運營于地中海，從阿爾及利亞首都到法國馬賽、西班牙巴塞羅那等南歐港口。該船總長199.9 米，型深（主甲板）9.5 米，型寬30 米，最大設計吃水6.5 米。根據生產準備的建造策劃，本船的船塢周期會相對較長，在塢內建造期間，塢內其他船舶出塢時，需要塢內起浮以配合其他船出塢或半船起浮?？紤]到半船全浮時，整船完整性較差，而客滾船所采用的板厚比較薄等因素，為保證起浮的結構安全，需對客滾船半船起浮的狀態進行模擬計算判斷。

根據船廠半船起浮的計算經驗，起浮過程通常校驗較為危險的兩個工況，第一工況是半船坐墩工況，壓載水加注完成，在起浮工作準備好后，總重量達到最大時的工況；第二工況是半船在漂浮時的全浮工況。因在客滾船整船布墩時，已對塢墩和墩木進行校核，故不在此進行坐墩工況的介紹。本文僅介紹半船的全浮工況。

1 半船起浮初方案

1.1 起浮區域

半船起浮狀態：機艙區域是船艉往艏至FR140的3 甲（Z=9500 毫米）以下的機艙區域，機艙C板的六個分段(即機艙內的主要大型設備安裝完成以后再進行吊裝合攏的甲板分段)除外，機艙主機、發動機不進艙，其他主要設備進艙，電纜拉敷30%。車庫為FR140 至FR272 的6 甲板（Z=18250 毫米）以下的貨艙區域，及艏部FR272 往船艏3 甲板以下的艏部區域，車庫及艏部區域內的舾裝均進艙，見圖1。根據半船起浮配載方案，當船舶艏艉吃水為2.748 米（距基線）時，船舶開始起浮。

1.2 有限元計算分析

1.1.1 有限元模擬模型

起浮的所有相關區域全部建模，網格尺寸劃分與肋距、骨材間距的布置保持一致，以反映骨材間的實際板格布置，其中舾裝重量通過平均分攤法和集中質量塊模擬法在重心位置附近增加等同質量的質量塊進行模擬，最終的模型重量分布及重心位置（不考慮Z 值）基本上與實船情況吻合?？紤]到在船體大切口位置（即圖1 圈出位置）可能會出現應力集中，為了更加準確反映應力集中的情況，將這兩個區域的網格進行局部網格細化，單元尺寸為50 毫米x50 毫米，見圖2。

半船全浮時，重力和浮力達到平衡。為了控制船舶在起浮時平衡而注入的壓載水，以及外板上的海水壓力均通過與單元所在位置的高度相關的壓力標量函數p=ρg((h-"Z)進行加載。

圖1 半船起浮初方案起浮區域（陰影區域）

圖2 局部細化（切口位置）

1.1.2 計算結果分析

根據有限元軟件MSC Patran/Nastran 的計算結果，切口1 和切口2 位置附近結構的粗網格的應力情況匯總如表1。切口1 為機艙區域與車庫區域對接的FR140 位置，其中機艙區域分段高度為9.5 米，車庫區域分段高度為18.25 米。切口2 為車庫區域與艏部對接的FR272 位置處，其中車庫區域分段高度為18.25 米，艏部區域的分段高度為9.5 米。這兩個切口都存在垂向結構與橫向結構的對接成90 度直角，易發生應力集中。

從表1 可以看出，在全浮狀態時，艏部切口2處的應力較低，有較大的安全裕度，而切口1 的應力超高，故重點關注切口1 的結構應力。機艙切口1 附近的外板、甲板、縱壁板等結構大面積出現高應力，粗網格的最高值達到677MPa，細網格應力高達1180MPa，見圖3。此半船起浮方案無法滿足結構的安全要求。

2 優化方案探索

在切口1 位置中出現高應力的原因主要有三個：第一是艏艉壓載的方式，導致中拱彎矩偏大。在空船狀態下，船舶重心縱向位置在82.19 米處，重心比較靠船艉，同時艉部結構及舾裝重量強大，艏部會呈現向上翹的趨勢。為了起浮后重新坐墩時，節省人力物力，在起浮配載時，要求使用最少的壓載水，將整船調平進行平浮。原方案為了將半船調平，在艏部1 號、2 號、3 號（右舷）和4 號壓載艙各注入壓載水，總共加注775.9 噸壓載水。此時，彎矩的峰值達到630000kN.m，峰值在FR130-FR140 范圍內。

第二是機艙C 板未搭載，導致船體梁橫剖面模數不夠。由于最大彎曲力矩在FR130-FR140 范圍內，而最危險的位置的機艙C 板沒有搭載，主要縱向構件不連續，影響了剖面模數。但是根據生產準備策劃，機艙位置的結構復雜，舾裝的工作量非常大，機艙C 板分段在半船起浮前是不進行搭載的。受此限制，船體梁剖面模數無法得到實質性的改變。

表1 半船起浮初方案全浮狀態切口受力情況

圖3 切口1 細網格應力（MPa）

圖4 半船起浮優化方案起浮區域（陰影區域）

表2 原方案和優化方案在切口1 位置的細網格Von Mises 應力

第三則是在切口位置的結構截面發生突變，無過渡區域。因生產計劃安排的限制，機艙C 板及機艙9.5 米以上的分段只能在機艙完整性達到一定程度后方可吊裝到位，也就是說幾何截面的突變在半船起浮時是無法改變的。但受生產現實限制，切口1 的位置也無法進行大距離的調整。

為了降低切口1 處的結構應力，可結合上述三個原因制定措施，可用下列兩種方案。方案一，通過對超出許用應力的結構進行修改或加強。方案二是從根源上解決，優化半船起浮方案。如果單純通過結構設計或加強結構緩解切口1 結構突變產生的應力集中的問題，將需要進行非常大的修改，產生很大的額外成本，并且客滾船設計重要控制要素重量重心無法保證。綜合考慮，決定修改起浮區域范圍，以減小平浮時的彎矩值。于是從方案二半船起浮方案著手，進行方案優化。

圖5 全浮狀態變形云圖

經與項目管理團隊討論，為盡量給舾裝設備安裝提供足夠充裕的時間，在優先保證機艙和車庫分段搭載完成的基礎上，增加機艙C 板3 個分段，四臺主發電機參與起浮，并將船艏和船艉兩部分的分段推遲至起浮后搭載，起浮區域見圖4。增加C 板3 個分段，可一定程度上增大船體梁剖面模數，同時提前吊裝四臺主發電機也為降低彎矩做出了很大的貢獻。若按此優化方案的起浮區域，只需要在車庫靠艏位置的3 號壓載艙加注48 噸壓載水，全浮狀態時彎矩峰值僅為91000 萬kN.m，彎矩峰值大幅度下降，下降了85%。與此同時，修改后的峰值出現在FR150-FR160 范圍內，彎矩峰值也從機艙切口突變位置往車庫方向轉移，這對降低結構應力來說，也是非常有利的。

3 優化方案計算結果

將起浮區域的修改和調整反饋到有限元模型中。通過有限元分析計算，優化方案的半船全浮狀態下的位移變形云圖如圖5 所示。對比發現，優化方案的中拱變形位移由原方案的550 毫米縮小至36.6 毫米，中拱趨勢得到很好的改善。

應力方面，在彎矩大幅下降后，較大程度上緩解了機艙切口處應力過大的問題。計算結果顯示，優化方案在機艙切口突變位置處，細網格的最大Von Mises 合成應力為276MPa，最大剪切應力為150MPa，船體結構的應力在許用范圍之內。

通過對比原方案和優化方案在切口1 位置外板、甲板的細網格應力水平，可以看出優化方案降低切口1 的應力效果顯著，見表2。

4 結束語

在全浮狀態時，機艙開口處最大的變形量為36.6 毫米，開口附近MISES 合成應力276MPa，最大剪力為150MPa，船體結構的應力都在許用范圍之內，滿足強度要求。在不影響總體應力水平的基礎上，緩解了應力集中的問題。通過本次起浮方案的優化，解決了本船半船起浮的技術難題。