采礦船艙段有限元強(qiáng)度分析方法研究

郭興乾 丘吉廷 張 勇 楊亞男 趙夕濱

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求呈現(xiàn)持續(xù)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，我國(guó)礦產(chǎn)資源的對(duì)外依存度不斷上升（鎳的對(duì)外依存度高達(dá)80%，銅、錳、鈷的對(duì)外依存度均超過(guò)50%），我國(guó)礦產(chǎn)資源保障程度明顯不足。資源緊缺將嚴(yán)重制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jì)、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(kāi)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(yuǎn)、作業(yè)水深大、作業(yè)周期長(zhǎng)、系統(tǒng)復(fù)雜且集成度高、可變載荷多、船舶舒適度要求高等特點(diǎn)，其造價(jià)約占整個(gè)深海采礦系統(tǒng)總投入的40%。該船涉及諸多學(xué)科，設(shè)計(jì)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(guó)外公司負(fù)責(zé)。

為積累深海采礦船船體結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)，本文以一艘深海采礦船為例，對(duì)其航行狀態(tài)下船體強(qiáng)度進(jìn)行艙段有限元分析。深海采礦船兼有采礦和儲(chǔ)存礦物的雙重功能，因此不同于普通礦砂船只能運(yùn)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(kāi)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(gè)礦物儲(chǔ)存艙，再通過(guò)外輸系統(tǒng)輸送到旁靠運(yùn)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(duì)于航行狀態(tài)，按照CCS 船舶規(guī)范及CCS-HCSR-TOOLS 軟件進(jìn)行貨艙艙段有限元分析，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)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(jì)需要特別關(guān)注的區(qū)域。

1 采礦船結(jié)構(gòu)特性簡(jiǎn)介

某采礦船船長(zhǎng)246 m、型寬44 m、型深20 m、設(shè)計(jì)吃水14.5 m，礦物儲(chǔ)存能力60 000 t。月池開(kāi)口位于船舯處，首尾兩端分別設(shè)有2 個(gè)礦物儲(chǔ)存艙，采礦船總布置圖見(jiàn)圖1。不同于礦砂船設(shè)甲板大開(kāi)口，采礦船礦物儲(chǔ)存艙是在甲板靠近縱艙壁處開(kāi)若干較小開(kāi)口，在舷側(cè)布置有外輸裝置，通過(guò)外輸系統(tǒng)從艙室內(nèi)將礦物轉(zhuǎn)移至旁靠的運(yùn)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(chǔ)存艙橫剖面采用方形截面設(shè)計(jì)，內(nèi)底板和甲板與縱艙壁垂直，如下頁(yè)圖2 所示。

圖1 采礦船總布置圖

2 艙段分析方法研究?jī)?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(jìn)行建模、加載及計(jì)算結(jié)果分析。本文主要基于以下幾個(gè)方面對(duì)采礦船艙段有限元分析方法進(jìn)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(jì)算分兩個(gè)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(gè)艙段作為后端邊界，以月池區(qū)域?yàn)橹行慕O2+月池+NO3 艙段模型，軟件設(shè)置時(shí)，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(guò)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(cè)，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(guò)運(yùn)輸船將礦物運(yùn)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(huì)隔艙裝載，而是均勻滿載。

（3）同時(shí)貨艙區(qū)內(nèi)主甲板下懸掛有脫水裝置、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)等設(shè)備，實(shí)際上貨艙裝載率最大只能到60%，并且方形截面設(shè)計(jì)也是為轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)方便運(yùn)輸?shù)V物，不同于礦砂船是一個(gè)整堆，采礦船貨艙內(nèi)礦物是若干個(gè)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(shí)際計(jì)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(shí)采礦船裝載狀態(tài)。

（4）采礦船月池開(kāi)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(jì)算把質(zhì)量超過(guò)200 t 的集中載荷以質(zhì)量點(diǎn)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(jiàn)表1 所示。

表1 采礦船與礦砂船艙段分析區(qū)別

3 計(jì)算實(shí)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(jìn)行［1］。模型中，船體各類板、殼構(gòu)件，包括平臺(tái)板、船體甲板、舷側(cè)外板、縱艙壁板、強(qiáng)框架、縱桁材腹板等使用殼單元模擬，縱骨、扶強(qiáng)材以及桁材面板等使用偏心梁?jiǎn)卧M。網(wǎng)格大小按肋距×縱骨間距，即按0.9 m×0.9 m 左右進(jìn)行劃分（模型見(jiàn)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(qiáng)度直接計(jì)算指南》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，邊界條件包括模型端部的剛性連接、單點(diǎn)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(diǎn)連接到中縱剖面上中和軸處的獨(dú)立點(diǎn)上，邊界條件參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表2，效果圖參見(jiàn)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(méi)有隔艙裝載的運(yùn)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(kāi)口，隔艙裝載工況下，對(duì)于貨艙艙壁以及月池區(qū)域的彎矩承受能力會(huì)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(xiǎn)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(jìn)行艙段有限元分析計(jì)算，兩種工況下特性參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表3。

根據(jù)《礦砂船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)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(yè)表4 的幾種設(shè)計(jì)波進(jìn)行艙段有限元強(qiáng)度分析。［3］

表2 邊界條件參數(shù)

表3 艙段有限元計(jì)算工況特性參數(shù)

表4 設(shè)計(jì)波進(jìn)行艙段有限元強(qiáng)度分析

3.3 載荷施加

采礦船貨物儲(chǔ)存艙內(nèi)采用方形截面設(shè)計(jì)，甲板下懸掛有轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)等設(shè)備，實(shí)際上其裝載率只能達(dá)到60%，本文以最危險(xiǎn)狀態(tài)使其達(dá)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(chǔ)存艙是有若干小堆堆積而成，方便轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，因此本模型加載休止角度取10°，以盡量模擬采礦船內(nèi)實(shí)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(jìn)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(jìn)行調(diào)整。應(yīng)用CCS-HCSR-TOOLS 軟件進(jìn)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(diǎn)力生成并積分得到船體梁載荷，并通過(guò)船體梁剪力、彎矩、扭矩調(diào)整使目標(biāo)位置彎矩、剪力等處于最危險(xiǎn)狀態(tài)，最后生成邊界條件及形成工況，運(yùn)用Nastran 軟件進(jìn)行計(jì)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(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 應(yīng)力衡準(zhǔn)

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

3.4.2 貨艙段計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)各個(gè)計(jì)算工況強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)框相交的垂向桁材應(yīng)力較大，同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在若干計(jì)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(qiáng)度，可進(jìn)一步對(duì)月池區(qū)域進(jìn)行艙段有限元強(qiáng)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(jiàn)下頁(yè)表5。

圖6 貨艙段計(jì)算高應(yīng)力區(qū)域

3.4.2 月池艙段計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述貨艙區(qū)艙段有限元計(jì)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(shí)應(yīng)力情況。通過(guò)計(jì)算表明：在甄選的8 個(gè)計(jì)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(qiáng)度都不能滿足規(guī)范要求。經(jīng)過(guò)增加或提高鋼級(jí)后，月池艙段計(jì)算各工況應(yīng)力計(jì)算校核結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)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(jiàn)下頁(yè)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(jiàn)下頁(yè)圖8 和圖9。這也表明，航行工況下的采礦船艙段有限元強(qiáng)度分析需要分別建立貨艙艙段和月池艙段進(jìn)行強(qiáng)度校核。

從上述貨艙艙段和月池艙段兩個(gè)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(jì)，2 個(gè)方向的角隅（縱艙壁和橫艙壁）區(qū)域會(huì)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(qiáng)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(qiáng)框架最大屈曲利用因子

3.5 加強(qiáng)方案

對(duì)于強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求的，通常我們可以通過(guò)增加板厚、提高鋼級(jí)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、減小板格等方式來(lái)滿足規(guī)范強(qiáng)度要求［5］。針對(duì)采礦船貨艙區(qū)域和月池區(qū)域加強(qiáng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比分析提出以下加強(qiáng)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(huì)有明顯應(yīng)力集中，比如主甲板月池角隅區(qū)域，通過(guò)增加板厚以滿足屈服和屈曲強(qiáng)度要求，如下頁(yè)圖10 所示，圖中顯示單角隅與其他3 個(gè)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(jì)為普通鋼，而應(yīng)力值達(dá)到了284MPa，許用應(yīng)力為220MPa。該板格屈曲應(yīng)力因子為1.3 時(shí)，屈曲較為嚴(yán)重。通過(guò)增加板厚和提高鋼級(jí)分別計(jì)算對(duì)比，提高鋼級(jí)比增加板厚更加有效，下頁(yè)圖11 是該處修改前后對(duì)比示意圖。貨艙區(qū)強(qiáng)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(jí)修改

當(dāng)然這只是航行工況下艙段有限元強(qiáng)度分析，為前期設(shè)計(jì)階段提供設(shè)計(jì)思路和方向，然后針對(duì)艙段計(jì)算結(jié)果提出當(dāng)前階段需要加強(qiáng)、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(jī)艙區(qū)域強(qiáng)度等需要經(jīng)過(guò)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(jì)算結(jié)果來(lái)確定。

4 結(jié) 語(yǔ)

采礦船作為一種新型船舶，船體強(qiáng)度分析正處于研究改進(jìn)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(duì)采礦船艙段有限元分析方法進(jìn)行研究。首先針對(duì)前期設(shè)計(jì)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(chǔ)存運(yùn)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(jìn)行艙段有限元強(qiáng)度校核。

但同時(shí)，采礦船從結(jié)構(gòu)形式上又有不同之處，如中間月池大開(kāi)口、貨艙區(qū)采用方形截面設(shè)計(jì)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(huì)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(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重情況，因此載荷工況剔除隔艙裝載工況；

從兩個(gè)艙段模型計(jì)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(qiáng)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(qiáng)框架底部區(qū)域，以及針對(duì)前期設(shè)計(jì)階段，艙段有限元能夠快速地為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行采礦船艙段有限元計(jì)算，對(duì)于整個(gè)計(jì)算過(guò)程仍處于摸索階段，后續(xù)擬在以下方面展開(kāi)進(jìn)一步研究，比如月池塔架實(shí)際結(jié)構(gòu)模擬和質(zhì)量點(diǎn)模擬的對(duì)比、設(shè)計(jì)波的選取、在位作業(yè)狀態(tài)下全船直接強(qiáng)度分析、關(guān)鍵區(qū)域疲勞強(qiáng)度分析等。