摘要：针对我国海洋渔业资源衰退以及传统海水养殖业的污染等问题，利用SESAM分析软件，采用等效设计波法模拟海洋波浪载荷，对该平台结构进行了屈服、屈曲强度校核，旨在为平台的安全使用提供一定的参考依据。结果表明：平台在3种不同工况下，出现最大应力的设计波虽不同，但平台整体的屈服强度仍满足CCS《海上移动平台入级规范》要求。通过整体的屈服强度分析，得出平台生存吃水时在Sec2011等效设计波海况下，结构应力响应达到最大，因此在中面应力、X向应力、Y向应力以及剪应力分别最大时，对板格和扶强材进行屈曲校核，校核分析显示屈曲强度衡准均小于1.0，可见平台结构屈曲强度满足规范要求。
关键词：海洋牧场,SESAM,等效设计波,强度校核
0引言
多年来，随着捕捞强度的增加，污染程度的加剧，海洋环境日趋下降，我国海洋渔业资源日益衰退。传统海水养殖业因其产生的环境污染、产品质量等安全问题，也已成为制约海洋渔业可持续发展的瓶颈之一。海洋是人类赖以生存的“蓝色粮仓”，拓展海洋渔业养殖空间，是增强向海图强发展优势、做好经略海洋大文章的必要途径[1]，因此，针对“蓝色粮仓”“海洋牧场”的开发应用已成为一种重要的战略选择。“海洋牧场”是通过建设人工鱼礁、增殖放流等生态工程，修复或保护生态环境和渔业资源的一种使生态、经济及社会效益协调发展的海洋空间[2-3]。中国最早在20世纪40年代提出海洋牧场的建设理念，提出“水就是生物的牧场”“海洋农牧化”“使海洋成为种养殖藻类和贝类的‘农场’，养鱼、虾的‘牧场’，达到‘耕海’目的”等创新理念[4]。2017年农业部编制印发了《国家级海洋牧场示范区建设规划（2017-2025）》，提出到2025年创建200个国家级海洋牧场示范区的目标。
本项目所涉及的“半潜箱型养殖旅游平台”是建设国家级海洋牧场示范区的核心装备之一。此类海洋牧场强调景观融合、产业融合以及资源融合，实现海水养殖、旅游观光和智能装备为一体，同时半潜箱型养殖旅游平台可以充分利用风能、波浪能等清洁能源，将海洋牧场、海洋渔业与波浪能平台相结合，开展“渔能交融”新形式，实现干净动力与安全水产品的同步高效产出。但是，这种智能化的海洋养殖平台仍面临着诸多挑战，首要挑战就是高海况下的装备稳定性[5]；其次，平台搭载了波浪能装置，虽可以将波浪能转化为电能，但也意味着平台需要“迎浪而上、踏浪蓄能”，这对平台的使用寿命和安全性提出了更高要求。
本文针对半潜箱型养殖旅游平台海上作业的工况，在波浪载荷作用下易发生的疲劳失效等安全问题，对平台进行屈服、屈曲强度校核，确保平台满足规范要求。其校核关键是确定各时段不同方向的波浪载荷对平台模型表面的作用力，以及结构的内部响应[6-7]。图1所示为Sesam软件校核流程，首先采用Sesam软件包中的GeniE模块进行建模，HydroD模块进行水动力分析，Sestra等模块进行后处理；其次，采用等效设计波法代替波浪载荷对平台结构进行屈服强度分析，并找出结构应力响应最大的等效应力波海况；最后，在应力最大的海况下，以板格和扶强材（加筋骨材）为例，进行屈曲强度校核[8-10]。
1有限元分析方法
1.1平台概述
图2所示为半潜箱型养殖旅游平台的总布置侧视图。平台由上壳体结构、12根立柱结构、下浮筒结构和顶部生活区组成，主结构尺寸为82 m×32 m×22 m（长×宽×高）；主浮筒尺寸为76 m×3 m×2 m；立柱尺寸为3 m×3 m×12 m；上壳体尺寸为76 m×3 m×3.5 m。本平台工作水深25 m，拖航时间约为5 d，工作吃水13 m，抗台吃水11 m，拖航吃水2 m。本文根据《稳性计算书-装载工况》中的LC1：Operation（操作工况）；LC2：Sur⁃vival（抗台工况）；LC3:Transit（拖航工况）等3种工况进行强度校核。
1.2有限元模型
本文首先在GeniE模块中采用屈服强度为355 MPa的低碳钢CCS-AH36建立结构模型（如图3（a）所示），材料的物理参数为：杨氏模量E=2.06×105 N/mm2；泊松比μ=0.3；密度ρ=7.85 g/cm3。结构模型中的板件，采用4节点单元模拟，少许不规则部分采用3节点单元模拟；纵桁、强横梁、纵骨、加强筋及支柱采用2节点梁单元模拟，用于计算平台结构对于水动力模型传递的载荷的响应。定义纵向为X轴正方向从船尾指向船首方向、横向为Y轴正方向从船右舷指向左舷方向、垂向为Z轴正方向从基线竖直指向顶层甲板。
其次，在结构模型的基础上赋予各构件的材料密度，并用质量点模拟未建模的设备和舾装件等，得到质量模型。可以通过调整各结构的材料密度，使得模型质量与实际匹配，同时给每个压载舱定义虚拟的水动压力工况，以便在后续水动力模块HydroD中填充压载水，使平台获得稳定的浮态。
最后，将结构模型的外板定义为湿表面，在湿表面上加载压力，模拟波浪压力，得到水动力模型（如图3（b）所示），用于计算平台的载荷响应以及运动响应。水动力模型应设置得足够精细，可以准确地描述平台的形状和质量，本文的模型质量与浮力误差不大于0.01%，质心和浮心的纵坐标误差不大于0.25%，横坐标误差不大于0.01%。
1.3等效设计波
平台在海上作业时会遇到各种方向不同、出现时间不同的波浪，将这种波浪称为不规则波浪，这种浪是一种与时间空间有关的不断变化的规则波浪的叠加。平台在这种不同相位和不同浪向的波浪冲击下，所受的外载荷不同，所产生的平台内部的结构响应、运动响应均不相同。为此通过等效设计波法[11-14]，近似认为某个主控载荷出现极值时的波浪参数，就是平台在不同主控载荷、不同波浪参数、不同概率下的等效规则设计波参数。等效设计波波幅如下[15]：
本平台所服役的海域环境参数如表1所示，波浪谱由JONSWAP谱表示，参数如表2所示。图4所示为载荷控制参数，载荷控制参数根据DNV-RP-C103柱稳式平台规范，选取：浮筒之间的纵向剪切力FL（Sec2011）；浮筒之间的横向分离力FS（Sec2012）；浮筒之间的扭矩Mt（Sec2015）；上部模块纵向力aL（Sec3011）；上部模块横向力aT（Sec3012）；上部模块垂向力aV（Sec3013）。
根据以上参数，首先假设所有浪向角出现的频率一致，利用HydroD模块进行水动力分析，随后用Postresp模块进行后处理，生成所有浪向角的控制载荷参数的频率响应函数曲线。将每个工况的所有浪向角的响应函数曲线进行对比分析，找出每个控制载荷的响应极值以及频率，图5所示为Operation工况的Sec2015控制载荷在60°浪向角的响应函数曲线，此时的响应极值为1.47×107。
为确保平台能在突发恶劣海况下仍安全作业，必须使平台满足超越概率为10−8的波浪载荷最大值，即长期预报值。本文将上述响应极值的浪向角赋予DNV发布的波浪散布图，并采用表2所述波浪谱进行分析模拟，运用Weibull长期分布进行拟合，得到所有的长期响应值，其中周期为100年的预报极值，就是长期预报值。最后根据式（1）计算得出等效设计波波幅。
表3所示为3种工况下等效设计波参数。参数确定之后，利用HydroD模块计算各等效应力波对平台湿表面模型的载荷，随后将湿表面的载荷压力映射至结构模型。
2强度校核
2.1主体屈服强度校核
本文参照CCS《海上移动平台入级规范》第2篇第3章3.4.2.1节表4所述规范，对平台主体进行校核，平台主体框架的许用应力需满足式（2）：
式中：σs为材料的屈服强度，取355 MPa；S为安全系数，取1.25。
根据校核规范，屈服强度校核许用应力一般不超过95%的材料屈服极限[16-18]。板材则根据3.4.2.2节表5所述，按照式（3）进行校核：
式中：σs为材料的屈服强度，取355 MPa；S为安全系数，取1.11；σeq为板单元形心处中面应力（膜应力），取320 MPa。
利用求解器Sestra模块对平台结构的应力响应进行求解，求解完成之后导入Xtract模块生成应力云图，并进行校核。本文校核了Operation、Survival、Transit三种工况在不同的等效应力波作用下的应力分布情况，图6为平台在不同设计波下，3种工况出现最大应力时的应力云图。图6（a）为Operation工况在Sec2015设计波作用下的应力云图，最大应力为92.3 MPa；图6（b）为Survival工况在Sec2011设计波作用下的应力云图，最大应力为122 MPa；图6（c）Transit工况在Sec2015设计波作用下的应力云图，最大应力为116 MPa。表6所示为平台结构模型在各个等效设计波上的最大应力。通过式（2）~（3）进行屈服强度校核，显然本平台在3种工况下的最大应力均小于结构的许用应力，故此可知平台结构的屈服强度满足规范要求。
2.2板格屈曲强度校核
结合上述主体的屈服强度分析可知，生存吃水时在Sec2011等效设计波海况下，结构应力响应达到最大，选择中面应力[19]σeq、X向应力σX、Y向应力σY以及剪应力τXY分别取得最大值时的板格进行屈曲校核。本文根据《海上移动平台入级规范》（2020）进行板格屈曲校核，校核衡准如下：
本文板格的弹性模量为2.06×105 N/mm2；泊松比为0.3；边界约束系数C 1=1.0，C2=1.1。图7所示为中面应力σeq最大时的σX、σY、τXY应力云图，此时板格理想弹性屈服应力塑性修正：σXcr=249 N/mm2；σYcr=92 N/mm2；τcr=180 N/mm2，屈服安全系数Sbu=1.25，故此根据式（4）得出中面应力最大时的屈曲强度衡准为0.465。
图8为X向应力σX最大时的σX、σY、τXY应力云图，此时板格理想弹性屈服应力塑性修正为：σXcr=249 N/mm2；σYcr=101 N/mm2；τcr=180 N/mm2，屈服安全系数Sbu=1.25，故此根据式（4）得出中面应力最大时的屈曲强度衡准为0.539。当Y向应力σY最大时，板格理想弹性屈服应力塑性修正为：σXcr=249 N/mm2；σYcr=140 N/mm2；τcr=183 N/mm2，屈曲强度衡准为0.478。当剪应力τXY最大时，板格理想弹性屈服应力塑性修正为：σXcr=107 N/mm2；σYcr=31 N/mm2；τcr=133 N/mm2，屈曲强度衡准为0.745。由以上校核发现，板格屈曲强度衡准均小于1.0，故平台结构屈曲强度满足规范要求。
2.3扶强材（加筋骨材）屈曲强度校核
根据《海上移动平台入级规范》（2023）[20]第2篇第3章3.4.8.1节，加筋板上扶强材的屈曲失效模式包括柱屈曲模式、扭转屈曲模式以及扶强材面板和腹板的局部屈曲模式。根据上述屈服强度分析，选择生存工况下各典型构件进行扶强材（加筋骨材）屈曲强度校核。本文选取立柱里面的支柱(φ141.3X7.1）、底板扶强材（HP200X10）、艏封板处垂直桁（T500X10+150X10）3处结构进行校核说明。图9为校核计算输出结果文件，由以上结果文件发现，扶强材的屈曲强度衡准均小于1.0，故平台结构屈曲强度满足规范要求。
3结束语
本文以“半潜箱型养殖旅游平台”为研究对象，采用SESAM软件包进行有限元分析计算，运用等效应力波法模拟分析了平台在最恶劣海况下的应力分布情况，并进行了屈服、屈曲强度校核，得出主要结论如下。
（1）通过对比3种工况在不同的设计波作用下的应力云图发现，控制载荷为Sec2015，浪向为60°时的等效设计波会使平台在Operation（操作工况）和Transit（拖航工况）下出现最大应力；控制载荷为Sec2011，浪向为180°时的等效设计波会使平台在Survival（抗台工况）下出现最大应力，并通过屈服强度校核，判断出此最大应力处满足规范要求。
（2）平台在Operation下，浪向60°在浮筒之间出现最大扭矩；Survival下，浪向180°在浮筒之间出现最大剪切力；Transit下，浪向240°出现最大剪切力。因此针对该控制载荷Sec2011进行屈曲校核，计算得出平台结构屈曲强度衡准小于1.0，即屈曲强度满足规范要求。
参考文献：
[1]张文萱."国信一号"驶向深蓝——全球首艘10万t级智慧渔业大型养殖工船向世界提供了深远海养殖的"中国方案"[J].走向世界,2022(50):38-41.
[2]陈丕茂,舒黎明,袁华荣,等.国内外海洋牧场发展历程与定义分类概述[J].水产学报,2019,43(9):1851-1869.
[3]杨红生,丁德文.海洋牧场3.0:历程,现状与展望[J].中国科学院院刊,2022,37(6):832-839.
[4]阙华勇,陈勇,张秀梅,等.现代海洋牧场建设的现状与发展对策[J].中国工程科学,2016,18(3):79-84.
[5]钟哲,卞德龙,陈薇,等.海上"巨无霸"筑牢广东"蓝色粮仓"[N].南方日报,2023-08-22(A03).
[6]田明琦,余建伟,王忠复.15 000 t半潜驳船设计综述[J].船舶工程,2011,33(S1):38-41.
[7]王世圣,谢彬,冯玮,谢文会.两种典型深水半潜式钻井平台运动特性和波浪载荷的计算分析[J].中国海上油气,2008(5):349-352.
[8]赵勇平,曾镜灵,张永康.基于SESAM软件的"船务驳1"改装后有限元分析[J].机电工程技术,2022,51(10):159-164.
[9]中国船级社.海洋工程结构物屈曲强度评估技术指南[M].北京:人民交通出版社,2021.
[10]吕作鹏.半潜船运输海洋平台工况下的船体结构强度分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2018.
[11]刘亮,任慧龙,冯国庆.船舶疲劳强度评估等效设计波法研究[J].舰船科学技术,2014(7):33-36.
[12]詹志鹄,崔维成,顾晔昕.基于等效设计波的船体结构疲劳强度许用应力法(英文)[J].船舶力学,2009,13(6):923-933.
[13]周长江,赵晓东,江齐锋.基于SESAM软件的自升式平台波浪载荷计算分析[J].造船技术,2022,50(5):64-68.
[14]生国合.基于SESAM软件的双体船波浪载荷直接计算方法分析[J].中国水运(下半月),2021,21(6):8-9.
[15]池元清,朱帅光,林超辉,等.原油转驳船主推进器基座设计制造与安装技术[J].造船技术,2023,51(2):39-43.
[16]Soares C G,Garbatov Y.Reliability of maintained ship hulls sub⁃jected to corrosion and fatigue under combined loading[J].Jour⁃nal of Constructional Steel Research,1999,52(1):93-115.
[17]周宏,蔡灵,吴承恩,等.原油转驳船结构疲劳强度分析[J].船舶工程,2020,42(9):49-53,127.
[18]胡开业,丁勇,曹顺利,等.深海原油转驳船定位模式及定位能力分析[J].哈尔滨工程大学学报,2019,40(1):146-153.
[19]周宏,蔡灵,吴承恩.波浪载荷作用下原油转驳船整船强度分析研究[J].船舶标准化工程师,2020,53(5):28-34.
[20]船舶标准化工程师编辑部.《海上移动平台入级规范》[J].2023,56(1):3.
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