郭興乾 丘吉廷 張 勇 楊亞男 趙夕濱

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國對礦產(chǎn)資源的需求呈現(xiàn)持續(xù)快速增長的趨勢，我國礦產(chǎn)資源的對外依存度不斷上升（鎳的對外依存度高達80%，銅、錳、鈷的對外依存度均超過50%），我國礦產(chǎn)資源保障程度明顯不足。資源緊缺將嚴重制約中國經(jīng)濟的快速和可持續(xù)發(fā)展。

全球首艘深海采礦船船東為Marine Assets Corporation（MAC），由新加坡Sea Tech 公司設(shè)計、福建省馬尾造船股份有限公司建造，交付后將由鸚鵡螺礦業(yè)公司租用。作為深海礦物開采系統(tǒng)中最為重要的水面支持系統(tǒng)，深海采礦船集航行、作業(yè)、居住、保障四大功能于一體，具有航程遠、作業(yè)水深大、作業(yè)周期長、系統(tǒng)復雜且集成度高、可變載荷多、船舶舒適度要求高等特點，其造價約占整個深海采礦系統(tǒng)總投入的40%。該船涉及諸多學科，設(shè)計難度大、技術(shù)集成度高，是典型的高技術(shù)、高附加值船舶，而且是全球首艘硫化物采礦船，相關(guān)技術(shù)并未完全解決，處于一邊建造一邊攻關(guān)的狀態(tài)，且技術(shù)攻關(guān)主要由船東和國外公司負責。

為積累深海采礦船船體結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計技術(shù)，本文以一艘深海采礦船為例，對其航行狀態(tài)下船體強度進行艙段有限元分析。深海采礦船兼有采礦和儲存礦物的雙重功能，因此不同于普通礦砂船只能運輸?shù)V物，也不同于鉆井船只能鉆探，深海采礦船位于船中有大月池開口及塔架設(shè)備用于采礦、提升作業(yè)，甲板上設(shè)置脫水處理模塊，月池首尾兩端各有2 個礦物儲存艙，再通過外輸系統(tǒng)輸送到旁靠運輸船。航行狀態(tài)下采礦船內(nèi)、外載荷與礦砂船類似，因此對于航行狀態(tài)，按照CCS 船舶規(guī)范及CCS-HCSR-TOOLS 軟件進行貨艙艙段有限元分析，根據(jù)計算分析結(jié)果進一步進行月池艙段有限元分析，綜合分析得出采礦船航行工況下，艙段有限元分析方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計需要特別關(guān)注的區(qū)域。

1 采礦船結(jié)構(gòu)特性簡介

某采礦船船長246 m、型寬44 m、型深20 m、設(shè)計吃水14.5 m，礦物儲存能力60 000 t。月池開口位于船舯處，首尾兩端分別設(shè)有2 個礦物儲存艙，采礦船總布置圖見圖1。不同于礦砂船設(shè)甲板大開口，采礦船礦物儲存艙是在甲板靠近縱艙壁處開若干較小開口，在舷側(cè)布置有外輸裝置，通過外輸系統(tǒng)從艙室內(nèi)將礦物轉(zhuǎn)移至旁靠的運輸船上。貨艙區(qū)橫剖面形式不同于礦砂船有底斜板和頂?shù)实冉Y(jié)構(gòu)，采礦船儲存艙橫剖面采用方形截面設(shè)計，內(nèi)底板和甲板與縱艙壁垂直，如下頁圖2 所示。

圖1 采礦船總布置圖

2 艙段分析方法研究內(nèi)容

基于采礦船與礦砂船在航行狀態(tài)下內(nèi)、外載荷相似，并且結(jié)構(gòu)型式也有相同之處，故采用基于礦砂船的CCS-HCSR-TOOL 軟件進行建模、加載及計算結(jié)果分析。本文主要基于以下幾個方面對采礦船艙段有限元分析方法進行研究：

（1）模型范圍：礦砂船艙段有限元一般采用船中艙段模型，考慮到采礦船月池特性，本文計算分兩個艙段模型。貨艙段模型（月池+NO2+NO1）主要校核貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，利用同樣原理，往船尾延伸一個艙段作為后端邊界，以月池區(qū)域為中心建立NO2+月池+NO3 艙段模型，軟件設(shè)置時，可將月池區(qū)域圍出的艙室貨物量設(shè)置為很小數(shù)值，其他加載方式以及彎矩調(diào)整同貨艙段加載設(shè)置過程。

圖2 采礦船貨艙區(qū)橫剖面

（2）裝載工況：航行工況下，按照礦砂船裝載手冊，必然包含隔艙裝載滿載工況；而采礦船有旁靠外輸系統(tǒng)，大部分情況都是通過運輸船將礦物運出。在航行工況下，一般情況下是壓載工況，根據(jù)采礦船總體布置，隔艙滿載工況下，船體浮態(tài)及結(jié)構(gòu)受力都不利。因此，采礦船航行工況下不會隔艙裝載，而是均勻滿載。

（3）同時貨艙區(qū)內(nèi)主甲板下懸掛有脫水裝置、轉(zhuǎn)運系統(tǒng)等設(shè)備，實際上貨艙裝載率最大只能到60%，并且方形截面設(shè)計也是為轉(zhuǎn)運系統(tǒng)方便運輸?shù)V物，不同于礦砂船是一個整堆，采礦船貨艙內(nèi)礦物是若干個小堆堆積而成，因此休止角也不能設(shè)置為35°，因此本模型實際計算中，裝載率設(shè)置為最大70%、休止角設(shè)置為10°，以盡量模擬真實采礦船裝載狀態(tài)。

（4）采礦船月池開口上有塔架設(shè)備、主甲板其他區(qū)域有大量管子堆放及其他重型設(shè)備，本文艙段計算把質(zhì)量超過200 t 的集中載荷以質(zhì)量點形式施加在模型上。

采礦船和礦砂船艙段有限元分析主要區(qū)別匯總見表1 所示。

表1 采礦船與礦砂船艙段分析區(qū)別

3 計算實例

3.1 結(jié)構(gòu)模型化及邊界條件

有限元模型單元的選取和網(wǎng)格劃分、構(gòu)件的取舍、邊界約束條件的設(shè)定、載荷的施加等主要依據(jù)CCS 相關(guān)規(guī)范要求進行［1］。模型中，船體各類板、殼構(gòu)件，包括平臺板、船體甲板、舷側(cè)外板、縱艙壁板、強框架、縱桁材腹板等使用殼單元模擬，縱骨、扶強材以及桁材面板等使用偏心梁單元模擬。網(wǎng)格大小按肋距×縱骨間距，即按0.9 m×0.9 m 左右進行劃分（模型見圖3）。

圖3 艙段有限元模型

邊界條件的設(shè)定參考CCS《礦砂船船體結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》相關(guān)規(guī)定進行，邊界條件包括模型端部的剛性連接、單點約束和端部梁。剛性連接將模型端部的縱向構(gòu)件的節(jié)點連接到中縱剖面上中和軸處的獨立點上，邊界條件參數(shù)見下頁表2，效果圖參見圖3。

3.2 載荷工況選取

依據(jù)總體提供的典型裝載工況，不同于礦砂船，采礦船航行工況下沒有隔艙裝載的運輸工況，從總體布置圖上可以明顯看出，采礦船中間有大月池開口，隔艙裝載工況下，對于貨艙艙壁以及月池區(qū)域的彎矩承受能力會非常不利。因此選取航行工況下正常壓載和均勻滿載各選一種最危險的裝載工況，選取壓載LC2 垂向靜水中垂彎矩最大及滿載LC4 垂向靜水中垂彎矩最大的兩種典型航行工況進行艙段有限元分析計算，兩種工況下特性參數(shù)見下頁表3。

根據(jù)《礦砂船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》2016版適用于船中貨艙區(qū)域的有限元載荷組合，結(jié)合以上選取的兩種裝載工況，選取如下頁表4 的幾種設(shè)計波進行艙段有限元強度分析。［3］

表2 邊界條件參數(shù)

表3 艙段有限元計算工況特性參數(shù)

表4 設(shè)計波進行艙段有限元強度分析

3.3 載荷施加

采礦船貨物儲存艙內(nèi)采用方形截面設(shè)計，甲板下懸掛有轉(zhuǎn)運系統(tǒng)等設(shè)備，實際上其裝載率只能達到60%，本文以最危險狀態(tài)使其達到70%裝載率，并且不同于礦砂船通用休止角為35°，采礦船的貨物儲存艙是有若干小堆堆積而成，方便轉(zhuǎn)運系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)運，因此本模型加載休止角度取10°，以盡量模擬采礦船內(nèi)實際貨物裝載狀態(tài)，其他加載類似于礦砂船。本模型根據(jù)《指南》進行加載，包括艙內(nèi)貨物壓力、舷外水壓力、壓載水壓力。端面彎矩和修正彎矩，其中，修正彎矩需根據(jù)各種不同的工況進行調(diào)整。應(yīng)用CCS-HCSR-TOOLS 軟件進行結(jié)構(gòu)分類（根據(jù)區(qū)域扣除腐蝕余量），艙室定義（用于貨艙、壓載水壓力、油艙壓力等載荷施加），裝載模型定義、工況定義及節(jié)點力生成并積分得到船體梁載荷，并通過船體梁剪力、彎矩、扭矩調(diào)整使目標位置彎矩、剪力等處于最危險狀態(tài)，最后生成邊界條件及形成工況，運用Nastran 軟件進行計算分析［2］。圖4 和圖5 分別是貨物壓力、舷外水壓力等壓力分布圖。

圖4 外部水壓力橫向分布

圖5 艏部貨艙區(qū)域壓力分布

3.4 計算結(jié)果分析

3.4.1 應(yīng)力衡準

參照CCS《礦砂船船體結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》2016 版中相關(guān)應(yīng)力標準要求，對各種工況下艙段的屈服強度進行校核。按計算指南要求，板單元采用中面應(yīng)力，各處構(gòu)件計算應(yīng)力應(yīng)滿足如下要求：對于高強度鋼AH36/EH36：許用應(yīng)力σvm=Ry=220/k= 220/0.72 = 306 MPa。對于普通鋼：許用應(yīng)力σvm=Ry= 220/k= 220/1= 220 MPa。

3.4.2 貨艙段計算結(jié)果分析

通過各個計算工況強度計算分析可知，貨艙段區(qū)域在縱艙壁與橫艙壁相交處、縱艙壁與橫向強框相交的垂向桁材應(yīng)力較大，同時，發(fā)現(xiàn)在若干計算工況下，靠近貨艙的月池區(qū)域的應(yīng)力要高于貨艙區(qū)，圖6 是貨艙艙段有限元分析部分高應(yīng)力區(qū)域云圖結(jié)果。因此，為完整分析航行工況下船體強度，可進一步對月池區(qū)域進行艙段有限元強度分析。增加高應(yīng)力區(qū)域板厚后得出的各工況下應(yīng)力水平校核結(jié)果見下頁表5。

圖6 貨艙段計算高應(yīng)力區(qū)域

3.4.2 月池艙段計算結(jié)果分析

根據(jù)上述貨艙區(qū)艙段有限元計算分析可知，月池區(qū)域角隅在貨艙段分析中已經(jīng)有較高應(yīng)力，所以有必要建立月池區(qū)的艙段模型分析該區(qū)域航行工況下的真實應(yīng)力情況。通過計算表明：在甄選的8 個計算工況中，包括主甲板、內(nèi)底板、底板、月池縱艙壁等月池區(qū)域屈服和屈曲強度都不能滿足規(guī)范要求。經(jīng)過增加或提高鋼級后，月池艙段計算各工況應(yīng)力計算校核結(jié)果見下頁表6。

表5 貨艙艙段模型各工況應(yīng)力結(jié)果

表6 月池艙段模型各工況應(yīng)力結(jié)果

典型的屈服校核結(jié)果見下頁圖7，典型的部分船體結(jié)構(gòu)最大屈曲利用因子的屈曲校核結(jié)果參見下頁圖8 和圖9。這也表明，航行工況下的采礦船艙段有限元強度分析需要分別建立貨艙艙段和月池艙段進行強度校核。

從上述貨艙艙段和月池艙段兩個模型分析結(jié)果可知：航行工況下，采礦船需要關(guān)注的高應(yīng)力區(qū)域，首先是貨艙區(qū)，因采用貨艙方形截面設(shè)計，2 個方向的角隅（縱艙壁和橫艙壁）區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)力集中；其次是月池區(qū)域，包括各層甲板的角隅區(qū)域需要特別關(guān)注，以及月池周邊縱桁、強框、縱壁等相交區(qū)域亦需要特別關(guān)注。

圖7 月池艙段模型下高應(yīng)力區(qū)域

圖8 主甲板最大屈曲利用因子

圖9 強框架最大屈曲利用因子

3.5 加強方案

對于強度不滿足規(guī)范要求的，通常我們可以通過增加板厚、提高鋼級、優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、減小板格等方式來滿足規(guī)范強度要求［5］。針對采礦船貨艙區(qū)域和月池區(qū)域加強，經(jīng)過計算對比分析提出以下加強方案供參考。月池周邊區(qū)域主要是甲板角隅、縱桁和桁材在月池區(qū)域間斷處等會有明顯應(yīng)力集中，比如主甲板月池角隅區(qū)域，通過增加板厚以滿足屈服和屈曲強度要求，如下頁圖10 所示，圖中顯示單角隅與其他3 個角隅相同。月池區(qū)域縱向板與貨艙橫艙壁相交處應(yīng)力較大，該區(qū)域原設(shè)計為普通鋼，而應(yīng)力值達到了284MPa，許用應(yīng)力為220MPa。該板格屈曲應(yīng)力因子為1.3 時，屈曲較為嚴重。通過增加板厚和提高鋼級分別計算對比，提高鋼級比增加板厚更加有效，下頁圖11 是該處修改前后對比示意圖。貨艙區(qū)強框架底部與縱壁相交處增加腹板和面板厚度。

圖10 主甲板角隅區(qū)域板厚修改

圖11 L9縱桁鋼級修改

當然這只是航行工況下艙段有限元強度分析，為前期設(shè)計階段提供設(shè)計思路和方向，然后針對艙段計算結(jié)果提出當前階段需要加強、修改的部分板厚信息。后續(xù)包括關(guān)鍵區(qū)域疲勞分析、機艙區(qū)域強度等需要經(jīng)過作業(yè)工況下的全船有限元分析，結(jié)構(gòu)型式及板厚需要結(jié)合航行工況和作業(yè)工況下的計算結(jié)果來確定。

4 結(jié) 語

采礦船作為一種新型船舶，船體強度分析正處于研究改進再研究的階段，本文以一艘大型深海采礦船為例，從結(jié)構(gòu)型式、模型范圍、工況選取、參數(shù)設(shè)置等方面對采礦船艙段有限元分析方法進行研究。首先針對前期設(shè)計階段，相較于全船有限元，艙段有限元更加快捷方便；其次采礦船兼有類似于礦砂船儲存運輸功能，在內(nèi)、外載荷上類似，因此在航行工況下，采用CCS-HCSR-TOOLS 軟件進行艙段有限元強度校核。

但同時，采礦船從結(jié)構(gòu)形式上又有不同之處，如中間月池大開口、貨艙區(qū)采用方形截面設(shè)計等，因此在模型范圍、載荷工況選取及加載參數(shù)設(shè)置等會有所不同。本文采用雙艙段模型：貨艙段模型（NO1+NO2+月池）、月池模型（NO2+月池+NO3）；根據(jù)總布置形式，隔艙裝載下船體浮態(tài)及靜水彎矩和靜水剪力會出現(xiàn)比較嚴重情況，因此載荷工況剔除隔艙裝載工況；

從兩個艙段模型計算結(jié)果分析可知：應(yīng)力較大區(qū)域首先是貨艙區(qū)縱艙壁底部與強框架相交處，橫艙壁與縱桁（縱壁）相交處；其次是月池區(qū)域主要有主甲板、外底板、內(nèi)底板月池角隅區(qū)域；月池縱壁（桁材）截面突變處和強框架底部區(qū)域，以及針對前期設(shè)計階段，艙段有限元能夠快速地為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供較為明確的方向和思路。

本文是首次采用CCS-HCSR-TOOLS 軟件進行采礦船艙段有限元計算，對于整個計算過程仍處于摸索階段，后續(xù)擬在以下方面展開進一步研究，比如月池塔架實際結(jié)構(gòu)模擬和質(zhì)量點模擬的對比、設(shè)計波的選取、在位作業(yè)狀態(tài)下全船直接強度分析、關(guān)鍵區(qū)域疲勞強度分析等。