摘 要

作为一种海洋工程辅助船舶，海洋工程三用工作船对海工作业正常高效地运转有着重要的意义。而船作为水上运输工具，对结构强度有着严格的要求，因此为海洋工程三用工作船设计可靠、适用的结构是非常有必要的。本文根据70m海洋工程三用工作船母型船资料完成了64.2m海洋平台三用工作船的结构初步设计。首先，利用绘图软件Auto CAD对该海洋平台三用工作船的基本结构图和横剖面图进行了绘制，接着按照相关规范《钢制海船入级规范2015》计算和确定了船体构件尺寸，最后学习并运用有限元建模软件MSC Patran针对船体中部甲板进行了有限元建模以及强度校核。计算结果表明设计船的结构满足规范要求。

关键词：三用工作船；结构初步设计；运用相关规范；有限元建模；强度校核

Abstract

As s kind of marine engineering auxiliary ship. Anchor Handling Towing Supply Vessel is of great significance to the high efficiency operation of Marine Engineering.And as a water conveyance，the ship has a strong demand for its structural strength.This paper completes the structural preliminary design of 64.2 meters Anchor Handling Towing Supply Vessel with the information of mother ship.First,completing basic structure drawing and cross sectional drawing by Auto CAD. Second，calculating and confirming the size of hull component with corresponding standard. And at last,completing the finite element modeling of the middle of Power deck and check its intensity by MSC.Patran.The result indicates that the structure of the ship is eligible.

Key Words：Anchor Handling Towing Supply Vessel; structural preliminary design;corresponding standard;finite element modeling;check intensity

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2三用工作船的工程意义 1

1.1.3船舶结构设计的理论意义 1

1.2.国内外研究现状分析 2

1.2.1三用工作船结构设计方法 2

1.2.2三用工作船的结构特点 2

1.2.3三用工作船分析计算方法的现状 3

1.2.4三用工作船的优化设计 3

第2章 海洋平台三用工作船设计说明书 5

2.1总述： 5

2.1.1设计船的总体描述 5

2.1.2设计的主要目标 5

2.2.确定船舶主要要素 5

2.2.1母型船主尺度 5

2.2.2船长L的确定 6

2.2.3垂线间长L_PP的确定 6

2.2.4型宽B的确定 7

2.2.5型深D的确定 7

2.2.6设计吃水d的确定 7

2.2.9船体的总体布置 7

第3章 船体构件尺寸计算书 8

3.1船体描述 8

3.2主尺度和肋距 8

3.2.1主尺度 8

3.2.2肋骨间距 8

3.3外板 9

3.3.1船底板 9

3.3.2平板龙骨 10

3.3.3舭列板 10

3.3.4舷侧外板 10

3.3.5舷顶列板 12

3.4甲板 12

3.4.1强力甲板 12

3.4.2甲板边板 14

3.4.3甲板开口 14

3.5单层底 14

3.5.1说明 14

3.5.2中内龙骨 14

3.5.3旁内龙骨 15

3.5.4实肋板 15

3.5.5舭肘板 15

3.6双层底 16

3.6.1说明 16

3.6.2中桁材 16

3.6.3旁桁材 16

3.6.4实肋板 17

3.6.5水密肋板 17

3.6.6轻型肋板 18

3.6.7内底板及内底边板 18

3.6.8舭肘板 18

3.7舷侧骨架 19

3.7.1—般要求 19

3.7.2肋骨 19

3.7.3纵桁 22

3.7.4强肋骨 23

3.8甲板骨架 24

2.8.1一般要求 24

3.8.2甲板横梁 24

3.8.3甲板纵桁 27

3.8.4甲板强横梁 29

3.9支柱 30

3.9.1支柱的载荷 30

3.9.2支柱的剖面积 30

3.10水密舱壁 31

3.10.1一般要求 31

3.10.2防撞舱壁 32

3.10.3平面舱壁板 32

3.10.4平面舱壁扶强材 32

3.10.5对称槽形舱壁 33

3.11深舱 34

3.11.1说明 34

3.11.2平面舱壁 34

3.11.4制荡舱壁 35

3.12艏艉柱 36

3.12.1艏柱 36

3.12.2无舵柱的尾柱 36

3.13船端加强 36

3.13.1首尖舱内的加强 36

3.13.2首尖舱外的舷侧加强 38

3.13.3尾尖舱内的加强 38

3.14主机基座 38

3.14.1主机基座 38

3.14.2轴隧 39

3.15上层建筑及甲板室 39

3.15.1计算压头 39

3.15.2上层建筑端壁和甲板室围壁 42

3.15.3上层建筑甲板 44

第4章 甲板强度校核 46

4.1前言 46

4.2结构模型 46

4.2.1模型范围 46

4.2.2模型坐标系 47

4.2.3模型单元 47

4.2.4材料系数 47

4.2.5边界条件 47

4.3计算载荷及工况 47

4.3.1说明 47

4.3.2计算工况的选取 47

4.4校核结果 48

4.4.1应力云图 48

4.4.2校核结果分析 48

4.5建模小结 48

第5章 总结 49

参考文献 50

致 谢 52

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

三用工作船（Anchor Handling Towing Supply Vessel）是一种集海上拖带、平台供应、对外消防等功能于一体的多功能船舶，兼有海上救助、海上平台守护、帮助海上设施布锚及起锚等功能^[1]。随着世界各国对海洋油气资源的不断重视，世界各国海上油气资源的争夺和开发日益激烈，海工装备也得到了升级。三用工作船作为海洋油气平台作业必不可少的辅助船舶，已经成为世界各国竞相开发研究的热点^[2]。

海上工程作业条件恶劣，常常发生船与船、船与平台的碰撞事件，导致船舶或平台损坏，造成经济损失甚至工程延误。三用工作船作为一种辅助船，作业频次大，遭遇事故的概率更大，因此为三用工作船设计一个安全可靠的结构，使其能长期可靠地参与海工作业，对于我国造船技术的发展，对于我国海洋工程作业的进步，是很有必要的。本文基于现有的技术与理论，结合三用工作船的实际，对三用工作船的结构进行设计，并进行强度校核，旨在设计出安全、可靠、经济、适用性强的海洋工程三用工作船。

1.1.2三用工作船的工程意义

当今，在全球离岸作业船中最多的当属海洋工程三用工作船了，它们在海工行业内担任着不可或缺的角色。三用工作船的服务对象主要是钻井平台及海上石油工程建造和开采平台，主要完成以下任务：(1)为海上石油生产提供多种材料和物资，例如钻井物资、钻井钢具、钻井水泥、淡水、盐水、燃油等；（2）能对大型平台和大型船舶进行拖运作业，能够进行起抛锚定位作业；（3）具有消防能力并且具有消除油污和营救作业的能力。可以说，三用工作船相当于海洋工程作业的“后勤保障部”，是保障海洋工程作业高效、有序进行的催化剂，三用工作船可靠、适用与否，关系到海工作业高效与否，因此，对三用工作船的研究设计对海洋工程有着重要意义。

1.1.3船舶结构设计的理论意义

船舶的结构设计是船舶设计中重要的一环，良好的结构设计能使船舶具有足够安全性、可靠性以及适用性。船舶结构设计要求设计者掌握船舶结构设计相应的规范，并能熟练运用材料力学、船舶结构力学、船体强度与结构设计、船舶设计原理等理论知识，从而为船舶选择合适的结构形式，为船体构件选择合适的尺寸，使船舶的强度满足要求，且不应使船体过重，另外，良好的结构设计方案应该使船舶具有良好的工艺性，即在满足规范的情况下，板厚，骨材尺寸等应该尽量取接近的值，方便实际工程中的选材与加工。

1.2.国内外研究现状分析

1.2.1三用工作船结构设计方法

船舶设计的流程一般可以分为编制合同设计任务书、初步设计、详细设计、生产设计和完工设计等阶段^[3]。而结构设计贯穿于整个流程，结构设计的一般流程如下：首先，根据对母型船的调查研究和所设计船的要求，对设计船的结构展开分析，明确船体骨架形式以及结构特点，从而绘制基本结构图；明确设计船的类别以及需要满足的要素，进而选择相应的建造规范并根据规范对构件尺寸进行初步设计；然后根据结构尺寸计算结果对船舶结构进行调整，修改基本结构图并完成其他图纸（例如横剖面图和中纵剖面图等）的绘制，最后，根据初步设计的结果进行有限元建模，利用有限元软件强大的计算能力校核结构强度是否满足规范，在必要时需对设计船的结构进行进一步调整，如校核结果满足规范要求，则表明结构设计合格，亦即意味着初步结构设计完成。其中反复必不可少，并且要结合总体设计和舾装设计的方案，以求达到合理的统一^[4]。

1.2.2三用工作船的结构特点

三用工作船的设计研究经过几十年的发展，如今已有了比较稳定的结构形式：船体为全钢质焊接结构，具有前倾式船首并带有球鼻艏，上层建筑集中于船的前半段，船的中部以及后半段应留有足够的空间供船上各种装置（例如起重机、拖带装置、搅拌机等）进行作业，船舶具有双壳和双舷结构，船艏部分和船艉部分一般为单壳结构，船体中段则设置双层底和双舷。由于此类（压载水舱、油舱、泥浆舱等），因此内部设置众多的水密舱壁，由于设计船的中部具有散料管装载区域，因此设计船具有一定数目的深舱。此外，由于海上作业条件恶劣，考虑到三用工作船的工作特点，船舶结构中应该重视抗撞击能力，对于易碰撞区域，如舷侧区域，应该进行防撞加强或设置防撞设备^[5]。学者发现利用SESAM软件分析直接作用于三用船的随机波浪载荷时发现，船体结构最大合成应力与剪切应力一般出现在三用船上层建筑与主船体交界面附近，设计时应对该区域进行局部加强^[6]。船设有大量的液舱

1.2.3三用工作船分析计算方法的现状

传统的船体总强度计算是把船舶当做船体梁静置于波浪上进行力学分析，同时采用应力合成的方法得到内力，但船体是一个完整的物体，各部分受力并不能和薄壁空心梁完全等效，因此会产生较大误差。现代造船采用的分析计算方法多为有限元分析法，有限元法是建立在固体流动变分原理基础上的，用有限元法进行分析时，首先将被分析物体离散成为许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上使用图形技术显示计算结果^[7]。国外学者通过有限元分析方法对船舶自由振动和强迫振动进行了分析，发现了固有频率计算的经验计算的结果和有限元计算的结果约有30％的不同，这表明了进行有限元分析的必要性^[8-11]。

1.2.4三用工作船的优化设计

优化设计包含2方面，及型线设计的优化和结构设计的优化。

型线设计方面，可以利用CFD软件，在给定的几何约束条件下求解最优的船体性能目标，从而获得最优船型^[12-15]。