摘 要

三用工作船是一种能够为海上勘探工程提供各种服务的深水作业三用型守护船。三用工作船通常航行于各种海洋平台的附近，提供拖曳、货运和抛起锚等功能，随时听候海洋平台的指挥调遣。三种工作船要满足如此众多的功能，其结构设计必然也要考虑更多的因素。因此本文所做的结构设计与优化、强度计算与校核工作就具有重要的现实意义。

论文参考母型船资料和相关文献确定了5880KW三用工作船的主尺度数据与总布置方案。按照CCS《钢质海船入级规范》（2018），结合DNV相关规范对此船进行规范设计，给出了各个结构构件的尺寸。

应用有限元建模软件ANSYS SCDM（2016）建立了平行中体处的舱段模型，根据规范要求施加相应的载荷与约束；进行了计算分析以及舱段结构屈服与屈曲强度的衡准。

研究结果表明：本文所设计的5880KW三用工作船的所有结构均符合CCS《钢质海船入级规范》（2018）的强度要求。得出计算结果之后，进一步地提出结构设计优化意见，以期得到经济安全的结构设计方案。

关键词：三用工作船；结构设计；强度计算；有限元分析

Abstract

The AHTS (Anchor Handling Towing Supply Vessel) is a kind of three-purpose stand-by ship for deep-water operation, which provides various characteristic operation services for offshore drilling engineering. The AHTS sailing near the offshore drilling platform, provide towing, material transportation, anchor dropping, etc., and wait for the command of the offshore platform at any time. In order to satisfy so many functions, more factors must be considered in the structural design of the AHTS. Therefore, the structural design and optimization, strength calculation and check work in this paper have important practical significance.

In this paper, the main scale data and general arrangement scheme of 58880kw AHTS are determined by referring to the data of the mother ship and related literature. According to CCS “Classification Rules of Steel Sea-going Vessel” (2018), combined with relevant DNV specifications, the ship is designed and the dimensions of various structural members are given.

The finite element modeling software ANSYS SCDM (2016) was used to establish the section model at the parallel middle body, and the corresponding loads and constraints were applied according to the specification requirements; The calculation and analysis are carried out, and the yield strength and buckling strength of the cabin structure are measured

The research results show that all the structures of the 5880kw AHTS designed in this paper are in accordance with the strength requirements of CCS “Classification Rules of Steel Sea-going Vessel” (2018). After the calculation results are obtained, the structural design optimization suggestions are further proposed in order to obtain the economic and safe structural design scheme.

Key Words：AHTS；structure design；strength calculation；FEA

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 1

1.3本文主要内容及技术方案 2

1.3.1主要内容 2

1.3.2 技术方案 2

第二章 船舶结构布置方案 3

2.1船舶概况 3

2.2 船舶主尺度及重要参数 3

2.3总布置特点 4

2.4结构布置方案 5

2.5基本结构图 6

第三章 结构强度计算书 7

3.1概述 7

3.1.1选用规范 7

3.1.2设计思路 7

3.1.3主尺度及各项参数信息 7

3.2外板 9

3.2.1船体板 9

3.2.2平板龙骨 10

3.2.3舭列板 10

3.2.4舷侧外板 10

3.2.5舷顶列板 11

3.2.6外板厚度 12

3.2.7局部加强 12

3.2.8外板开口 13

3.3甲板 13

3.3.1强力甲板 13

3.3.2甲板边板 14

3.3.3上层建筑和甲板室的甲板 14

3.3.4艏楼甲板 14

3.4单层底 15

3.4.1中内龙骨 15

3.4.2旁内龙骨 15

3.4.3肋板 15

3.4.4舭肘板 16

3.4.5骨材厚度 16

3.4.6流水孔 16

3.5双层底 16

3.5.1中桁材 16

3.5.2旁桁材 17

3.5.3实肋板 17

3.5.4水密肋板 18

3.5.5组合肋板 18

3.5.6内底板 19

3.5.7船底纵骨 19

3.6舷侧骨架 20

3.6.1主肋骨 20

3.6.2首尾尖舱肋骨 21

3.6.3上层建筑肋骨 21

3.6.4舷侧纵桁 22

3.6.5强肋骨 22

3.7甲板骨架 24

3.7.1计算压头 24

3.7.2甲板横梁 25

3.7.3甲板纵桁 27

3.7.4强横梁 27

3.7.5甲板纵骨 28

3.8支柱 30

3.9舱壁 31

3.9.1非水密支承舱壁 31

3.9.2水密舱壁 31

3.9.3槽型舱壁 32

3.9.4平面舱壁扶强材 32

3.10首柱、尾柱及艏楼 35

3.10.1首柱 35

3.10.2艉柱 35

3.10.3推进器柱 35

3.11船端加强 36

3.11.1首尖舱内的加强 36

3.11.2尾尖舱的加强 37

3.11.3船首底部的加强 37

3.11.4艉尖舱后的舷侧加强 37

3.12上层建筑及甲板室 38

3.12.1计算压头 38

3.12.2围壁 42

3.12.3甲板板 44

3.12.4甲板横梁 45

3.12.5肘板 45

3.13舷墙和栏杆 46

第四章 船舶结构有限元分析 47

4.1有限元分析的方法及软件 47

4.1.1有限元分析方法 47

4.1.2有限元软件介绍 47

4.2建立模型并划分网格 48

4.2.1计算模型的建立 48

4.2.2有限元网格的划分 49

4.3舱段的载荷计算 49

4.3.1海水静压力 49

4.3.2海水动压力 50

4.3.3液舱内液体压力 50

4.3.4货物载荷 50

4.3.5波浪弯矩 51

4.3.6静水弯矩 51

4.4施加载荷和约束 52

4.4.1载荷的施加方法 52

4.4.2约束的施加 52

4.5计算结果与分析 53

4.5.1全舱段计算结果分析 53

4.5.2舷侧外板计算结果分析 53

4.5.3舱壁计算结果分析 54

4.6船体强度衡准 54

4.6.1屈服强度评估衡准 54

4.6.2屈曲强度评估衡准 55

第五章 总结与展望 56

5.1全文主要工作 56

5.2主要研究结论 56

5.3工作展望 56

参考文献 57

附录A 58

致谢 59

第一章 绪论

1.1目的及意义

三用工作船是一种为海上钻井工程提供各种特点作业服务的深水作业三用型守护船，通常航行于无限航区或近海航区^[1]。三用工作船航行于海上钻井平台的附近，提供拖带、物资运输和抛起锚等功能，随时听候海洋平台的指挥调遣^[1]。

近些年来，随着海上石油和天然气开发工程的迅速发展，三用工作船成为海洋工程中不可缺少的一个组成部分。由于我国的石油、天然气的开发已经逐渐向深海区域发展^[2]，三用工作船也成长为大型化、适航能力强、高科技含量高、作业功能多的布置型船舶，故需对该船舶进行深入细致的结构设计。综合考虑船体、布置要求、抗沉性、稳性等因素，合理地选定结构的材料和尺寸以实现所需的载运要求、安全要求以及作业要求。

深水海域海况十分恶劣^[3]，在大风大浪高的海况下船体结构的薄弱部位很容易发生较大的应力集中，造成结构的失效甚至是断裂，酿成无法挽回的安全事故。因此在结构设计完成后，需要应用有限元软件对设计结构进行强度计算，以确保该结构在恶劣海况下是安全可靠的。除此之外，通过有限元软件进行结构的强度校核的同时还能进一步的进行结构设计的优化，得到安全、经济的设计方案^[4]。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对于海洋石油天然气的开发利用相对较早，其对于三用工作船研究主要侧重于市场经济分析这一方面^[5]。一些相关调查机构（诸如Offshore Shipbrokers Limited等）花费大量的时间和精力收集三用工作船建造船厂和船东的供需情况，以及海洋石油天然气的开采情况等信息，并依据于此对三用工作船市场做出分析报告；Welch Michael等人研究了三用工作船系泊拉力的问题，得出深海领域不同工况下三用工作船的系泊拉力施加方案；Kjetil Fagerholt、Halvorsen-Weare等人对挪威国家石油公司的平台供应船进行研究分析，利用路径优化的方法剖析和验证了船舶配置的合理性^[6]。

1.2.2国内研究现状

与国外截然不同的是，国内的大多数学者主要对三用工作船的技术应用等方面加以研究，反而较少从事三用工作船的经济论证工作。