CN113320655B - 一种半潜式平台底部的浮箱及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半潜式平台底部的浮箱及其设计方法，浮箱包括多个平行设置的船型箱体，每个船型箱体的顶部通过立柱连接平台甲板，船型箱体的前端设有球鼻艏，后端为类方型尾，类方型尾中的尾封板通过一段导流板与船底板连接，导流板从上到下的曲率逐渐增加，上半部分为倾斜平板，下半部的板曲率逐渐增加，并与船底板平滑连接，导流板和船底板的连接点位于后端立柱的延长线处；同时，每个船型箱体的两侧设有减摇翼板，该减摇翼板可沿其连接船型箱体的根部进行伸缩。与现有技术相比，本发明通过箱体形状的优化设计不仅减小平台的摇荡运动，又可降低平台自航时的航行阻力。

Description

一种半潜式平台底部的浮箱及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种海上作业平台，尤其是涉及一种半潜式平台底部的浮箱及其设计方法。

背景技术

近年来，随着海洋平台设计与建造技术的不断提高，越来越多的海洋平台走向深海去承担各种作业任务。在众多类型的浮式海洋平台中，半潜式平台凭借着抗风浪能力强、适用范围广等优点，在深海油气开采中被广泛应用。

为了满足不同种类的作业需求，半潜式平台按其功能又常被分为钻井平台、生产平台以及生活平台等。尤其是钻井平台，其对稳定性及动力定位精度的要求较高。不论何种类型的半潜式平台，平台的下部结构通常都是由两个或四个浮箱、四至六根立柱以及横撑组成。现有的浮箱结构具有以下不足之处：

1、减摇性能弱：现有半潜式平台的下浮箱多设计为矩形体形状，外形简单，建造方便，能满足多数浮式平台对稳定性的要求。另有部分半潜式平台对下浮箱形状进行了改进，但仅是改变了浮箱首尾端的形状，整体仍是一个具有长方体中段的箱型结构，因此其对平台整体的减摇作用不足。而且平台在指定海域定点作业时，也会利用自身的系泊系统减小其在风浪中的运动响应。除此，浮箱的形状设计存在一定难度，有时设计不当甚至会加剧平台在波浪中的运动响应。所以综合各因素考虑时，多数半潜式平台只对浮箱的形状做局部改动。关于具有减摇能力的浮箱设计，如中国专利文献CN 209096964 U，其采用主仓周围的竖直抵流板来降低平台的横摇和纵摇运动，但这只能在部分波浪条件下起到好的减摇效果，在恶劣海况或某些特殊的波浪频率条件下，由于抵流板与仓体之间存在间距，极易发生非线性共振现象，反而导致平台的运动加剧。

2、拖航阻力大：大多数的半潜式平台不具备自主快速航行能力，而当需要更换作业海域时，它们不得不以海上拖曳的方式进行移动。湿拖是半潜式平台常采用的移动方法之一，该方法是用拖船将浮在海面上的平台在空载工况下进行移动，拖航时整个浮箱几乎浸没于水面以下。此时由于平台的底部浮箱为矩形体箱型结构，会产生较大的拖航阻力。我们知道，对于半潜式平台这种长期进行定点作业的平台来说，浮箱的设计更侧重考虑平台不移动时对水动力性能的影响情况，使得多数半潜平台依然采用矩形体箱型结构的下浮箱设计。

3、无法实现平台快速自航：根据半潜式海洋平台的作业特点(长期、定点)，且当作业水深达到3000m时，传统的锚泊定位已无法满足定位要求，半潜式平台只能采用动力定位(DP，Dynamic Positioning)方式，此方式的成本不会随着水深增加而增加，更加经济实用。因此，目前多数半潜式平台的浮箱底部都安装有推进器设备以起到动力定位作用，尤其对于钻井平台这种对定位精度要求较高的，通常都会安有8台甚至更多的全回转式推进器。但这些推进器无法实现平台的自主航行，究其原因，主要还是与浮箱的设计，浮箱与推进器的相互作用有关。现有平台底部的推进器基本均匀分布于平台四角，中间留有一定的距离，以免影响动力定位的精度，且不可收缩。如果将这些推进器用于平台航行的主推进器，尾端螺旋桨的推进效率势必要受到首部螺旋桨尾流的影响；由于其不可收缩至浮箱内部，相当于附体存在于底部，也会增加整个平台的航行阻力。除此，平台底部的矩形体浮箱也会进一步增加其在海水中的航行阻力，导致推进器的效率极低。综合以上各因素，半潜式平台较难实现海水中的自主快速航行。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种半潜式平台底部的船型浮箱及其设计方法，能够有效地降低半潜式平台在风浪中的摇摆(横摇，纵摇)运动幅度，尤其是降低平台在风浪中移动时的摇摆运动；保证半潜式平台在极端海况下工作时的抗风浪性能；同时实现具备自主快速航行的能力且具有良好的快速性及操纵性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种半潜式平台底部的浮箱，所述浮箱包括多个平行设置的船型箱体，每个船型箱体的顶部通过立柱连接平台甲板，船型箱体的前端设有球鼻艏，后端为类方型尾，类方型尾中的尾封板通过一段导流板与船底板连接，导流板从上到下的曲率逐渐增加，上半部分为倾斜平板，下半部的板曲率逐渐增加，并与船底板平滑连接，导流板和船底板的连接点位于后端立柱的延长线处；同时，每个船型箱体的两侧设有减摇翼板，该减摇翼板可沿其连接船型箱体的根部进行伸缩。

进一步地，所述球鼻艏的向前凸起超出船型箱体的船体甲板舷弧的首端，球鼻顶点位置处的高度大于船型箱体的船体型深二分之一，同时，球鼻艏的型线顶部距离半潜式平台自航时的吃水线2.5～4m。

进一步地，所述减摇翼板为钢制框架，外包防水柔性层。

进一步地，所述船型箱体的两侧设有安装槽和伸缩机构，所述减摇翼板设置在安装槽内，在伸缩机构的带动下伸出或回缩。

进一步地，所述船型箱体上设有艏侧推、伸缩式全回转推进器和吊舱推进器，所述艏侧推、伸缩式全回转推进器安装于船型箱体的前端，所述吊舱推进器安装于船型箱体的尾端。

进一步地，多台全回转推进器交错布置。

进一步地，所述船型箱体内包括上下两层空间，每层空间通过纵舱壁分隔为两侧区域，每侧区域通过横舱壁分隔为多个舱室。

进一步地，所述的舱室包括压载舱、燃油舱和泵舱。

进一步地，所述船型箱体的外壳为双层壳结构，在双层壳结构内部分布有压载舱和淡水舱。

一种如上所述的一种半潜式平台底部的浮箱的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据半潜式平台的主尺度、载重量、设计航速及作业海况，同时考虑浮箱内部的舱室划分与布置，初步确定船型箱体的数量、主尺度要素以及重量；

S2、按照常规的球鼻艏和类方型尾选型方法，初步设计船型箱体的球鼻艏与方尾线型，采用三维建模仿真方法对船型箱体的水动力参数进行计算；

S3、对比各水动力参数的计算值与目标值，并据此修改船型箱体的首尾线型及浮箱的主尺度，再次进行数值仿真计算，将此次水动力参数的计算结果与修改前的结果进行比较：

若计算结果没有接近目标值，则放弃此次修改，在上次修改的基础上重新进行修改，然后再进行数值计算；

若计算结果接近目标值但不足设计目标值的设计阈值，则重新执行步骤S2，继续进行水动力参数修改并进行数值计算直至满足设计阈值要求；

若计算结果接近目标值且达到设计目标值的设计阈值，则执行步骤S4，进行浮箱底部推进系统的设计环节；

S4、基于船舶阻力与推进理论一方面计算包括减摇翼板在内的船型箱体总阻力，另一方面根据半潜式平台的设计航速及所受总阻力，定出浮箱底部的推进器主机功率并计算螺旋桨各设计参数；

S5、结合选定的推进器主机功率以及螺旋桨的相关设计参数对船型箱体的球鼻型线以及类方型尾的底部型线进行微调，从而得到最终的船型箱体形状，最终输出所设计的船型箱体的主尺度参数，球鼻首、类方型尾的设计参数，推进器主机功率及各螺旋桨参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用船型箱体替代常规半潜式平台的矩形体浮箱或改进的箱型结构，该船型箱体采用特殊的球鼻艏的结构设计形式，尾端形状为类方型尾，这种船型箱体可以有效减小平台的拖航阻力，便于位置移动；船首的球鼻艏可以有效减小平台移动时的兴波阻力。同时，在船型箱体的两侧设有减摇翼板，使得整个半潜式平台具有良好的减摇能力，从而可保证平台上的工作人员安全、高效地进行作业；减摇翼板还可以设置为伸缩式的结构，在平台工作时伸出起到稳定作用，在平台航行时回缩进一步减小航行阻力。

2、在船型箱体设置有吊舱推进器和艏侧推实现了半潜式平台的自动航行，省去了常规半潜式平台因海上慢速移动而需花费的人力和成本，节省移动时间，提高作业效率；同时，船型箱体的特殊首尾型线设计使得平台在自航时可达到较高的航速，具备良好的快速性；采用各种推进器的优化选型与布置位置的选择可以使平台具有良好的操纵性及高精度动力定位能力，保证了各推进器之间配合效率的最大化。

3、本发明科学合理的舱室划分与布置提高了平台整体的抗沉性并且使得内部空间的利用率最大化，在充分利用浮箱内部空间的同时还可提高半潜平台的稳定性。同时由于许多大载重量的舱室位于平台的底部浮箱内，因此降低了平台整体的重心，增加了其初稳性高度，从而提高了半潜式平台的稳定性。

附图说明

图1为船型箱体的主视示意图。

图2为船型箱体的立体示意图。

图3为船型箱体的侧视示意图。

图4为上层空间的总布置示意图。

图5为上层空间的总布置示意图。

图6为伸缩式减摇翼板的作用原理示意图。

图7为普通方尾的减阻原理示意图。

图8为本发明方尾的减阻原理示意图。

图9为船型箱体的设计流程图。

附图标记：1、立柱，2、球鼻艏，3，类方型尾、4、减摇翼板，5、平台甲板，6、艏侧推，7、全回转推进器，8、吊舱推进器，9、纵舱壁，10、横舱壁，11、压载舱，12、燃油舱，13、泵舱，14、淡水舱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图1～图2所示，本实施例提供了一种半潜式平台底部的浮箱。浮箱包括多个平行设置的船型箱体，本实施例采用两个船型箱体组成双船结构。每个船型箱体的顶部通过立柱1连接平台甲板5，船型箱体的前端设有球鼻艏2，后端为类方型尾3，即船型箱体两侧水线面的尾部形状呈弧形方角。同时每个船型箱体的两侧设有倾斜向下的减摇翼板4，见图3。该减摇翼板4可沿其连接船型箱体的根部进行伸缩。本实施例采用船型箱体替代常规半潜式平台的矩形体浮箱或局部改进的箱型结构，这种船型箱体既适用于快速航行，也适用于抗台定位作业，可使得半潜式平台实现快速自航部署及精准定位于特定海域进行长期作业。

该船型箱体的首部采用特殊的球鼻艏2型线设计，且为了避免发生甲板上浪，船型箱体设计了一定高度的首舷弧。与普通的球鼻艏2不同，为了使浮箱自身起到一定的减摇作用，提高平台整体的稳定性，此种球鼻向前凸起的程度较大，其伸出的长度已经超出船体甲板舷弧的首端。同时，整个球鼻艏2具有相当的高度，球鼻顶点位置处的高度大于1/2，几乎达到2/3倍的船体型深，具体为球鼻艏2的型线顶部距离半潜式平台自航时的吃水线2.5～4m，其型线顶部恰好处于平台自航时的吃水线附近，且高度略低于双船体的上甲板。

船型箱体的尾部型线为类方型尾3，其各水线面的尾部形状呈弧形方角。为了减小平台航行时的兴波阻力，船型箱体的尾封板通过较长的一段导流板与船底板连接。同时，为了便于推进器的安装及增加螺旋桨叶梢与船底板的距离，降低船体振动，导流板从上到下的曲率逐渐增加，上半部分几乎为倾斜平板，下半部的板曲率逐渐增加，并与船底板平滑连接，连接点位于平台的后立柱1处。

船型箱体的两侧设有安装槽和伸缩机构，减摇翼板4设置在安装槽内，在伸缩机构的带动下伸出或回缩。减摇翼板4主要由钢质框架与其上覆盖的防水柔性构成，该减摇翼板4一方面可根据海浪的大小与平台的运动情况适时地调整钢质框架的伸展长度相对于浮箱伸出的距离；另一方面，当平台解除定点作业状态在海上自航或拖航时，减摇翼板4可被收缩至船型浮箱内，极大降低了平台海上移动时的阻力。另外，由于减摇翼板4采用钢质框架与防水柔性层的组合设计，翼板中间的大部分面积为柔性轻质疏水材料，在实现平台减摇的同时进一步降低了浮箱整体的重量。

船型箱体上设有艏侧推6、伸缩式全回转推进器7和吊舱推进器8。艏侧推6、伸缩式全回转推进器7安装于船型箱体的前端，吊舱推进器8安装于船型箱体的尾端。多台全回转推进器7交错布置。具体结构为船型箱体上一共安装10台推进器：4台吊舱推进器8+4台伸缩式全回转推进器7+2台艏侧推6装置。每种推进器是在严格选型的基础上，对螺旋桨进行优化设计；以实现推进效率的最大化，不仅节省燃料，且可满足半潜式平台在波浪中的航速要求，使其具有优良的快速性和精准的动力定位能力。在需要快速自航时，可将伸缩式全回转推进器7缩回到船型箱体内部，降低航行阻力；在需要动力定位时，又可将全回转推进器7伸出，以确保足够的动力定位能力。必要时，10台推进器可同时参与动力定位，系统的冗余度高，安全可靠性强。

具体地说，4台吊舱推进器8布置于船型箱体的尾部，作为航行主推进器。4台可伸缩推进器布置于首部立柱1下方，参与平台的动力定位作业。2台艏侧推6进器布置于浮筒的首部，用来提高平台的操纵性，用于平台在码头或者港池内的机动操作。平台在航行时，只使用吊舱推进器8，不使用可伸缩全回转推进器7，全回转推进器7被收进船型箱体内，以降低航行阻力。依托主吊舱推进、可升缩推进+艏侧推6系统，配备一整套完善的动力定位系统，以保证半潜平台在深远海域进行海上作业时具备优良的动力定位能力。

如图4和图5所示，船型箱体内包括上下两层空间，每层空间通过纵舱壁9分隔为两侧区域，每侧区域通过横舱壁10分隔为多个舱室。舱室包括压载舱11、燃油舱12和泵舱13。船型箱体的外壳为双层壳结构，在双层壳结构内部分布有压载舱11和淡水舱14。也就是说，按照船舶舱室划分的要求，将船型箱体的内部用甲板及舱壁板划分成不同用途的舱室，充分利用了船型箱体的内部空间。为了满足船舶破舱稳性的要求，提高平台整体的抗沉性，用下甲板将船型箱体划分成具双层底船型。而且，为了提高动力定位的精准度、满足动力定位的分组要求并使得每个推进器的工作效率最大化，该船型箱体的机舱位置也是在相关计算下确定的。

本实施例中，两个船型箱体的舱室成对称布置，船型箱体的上层甲板尾部还布置有配电室，供下船体电力需求。船型箱体内舱布置有淡水舱14、燃油舱12、压载舱11，且淡水舱14、压载舱11主要位于双层壳及双层底内。

综上，本实施例具有以下优点：

1、设计有伸缩式的减摇翼板4的船型箱体使得整个半潜式平台具有良好的减摇能力，船型箱体与减摇翼板4共同提高了平台整体在风浪中的稳定性，从而可保证平台上的工作人员安全、高效地进行作业。其原理如下：

半潜式平台在波浪中的摇荡力矩在很大程度上取决于底部浮箱受到的水平波浪力。通常情况下，浮箱受到的水平波浪力越大，平台的横摇与纵摇力矩越大，相应地，其运动幅度也越大，平台越不稳定。

对于一般的矩形体浮筒来说，当波浪传播方向垂直于浮箱侧面时，两个浮箱受到的水平波浪力为：

式中：F表示两个浮箱受到总的水平波浪力；ρ为海水密度；g为重力加速度；A是入射波幅值；S为浮箱长度的一半；k代表波数；W为浮箱宽度；H为浮箱高度；ω为波浪圆频率；t表示时间。

从上式可以看出，浮箱受到的水平波浪力不仅与波浪要素有关，更重要的是与浮箱的几何尺寸有关。从某种意义上说，浮箱受到的水平波浪力直接受到垂直于波浪传播方向的截面积大小的影响。本发明的船型箱体，不仅采用了特殊的首尾型线设计，而且其上也安装有不同种类的推进器。一方面，由于特殊的型线设计，使得浮箱在波浪传播方向上的受力面积有所减小；另一方面，当波浪沿某一方向作用于平台时，可利用伸缩式全回转推进器7及艏侧推6将船型箱体的艏向转动到与波浪传播方向相反(顶浪)的位置，由于此时入射波只能直接作用到与其垂直的截面上，而浮箱的侧面已不再是受力面，因此浮箱受到的水平横向波浪力几乎为零，水平纵向波浪力大大减小，进而平台整体受到的横摇力矩几乎为零，纵摇力矩将比之前明显降低，从而实现船型箱体在波浪中具有良好的减摇(减小横摇、纵摇)性能，使得半潜平台的稳定性显著提高。

如图6所示，本发明中采用船型箱体加上减摇翼板4后，当平台在风浪作用下发生摇荡运动时，底部两侧的减摇翼板4也会随之发生运动，其上的柔性覆盖层会受到与运动方向相反的流体作用力，此作用力绕平台的摇荡中心将产生一个与摇荡运动方向相反的减摇力矩，从而减小了平台在极端海况下的摇荡运动，进一步增加了平台作业的稳定性。除此，平台可根据自身运动的剧烈程度以及作业状态，灵活地将减摇翼板4伸出浮箱外一定长度或将其收缩至浮箱内，从而最大限度地减小平台的摇荡或降低平台海上移动时的阻力。

同时，当波浪与船型浮箱呈某一角度传播时，可利用艏侧推6和尾部的吊舱推进器8以适当的推进功率和转角将浮箱转动到与波浪传播方向平行的位置上，此时浮箱受到的横向(垂直于波浪传播方向)水平波浪力几乎减小到零，且纵向(平行于波浪传播方向)水平波浪力因受力面积减小而大大减小，从而船型箱体受到的横摇力矩几乎为零，纵摇力矩明显减小，此时平台基本不发生横摇运动，稳定性得到显著提高。

2、带有推进系统的船型箱体可实现半潜式平台在海水中快速自航，省去了常规半潜式平台因海上慢速移动而需花费的人力和成本，节省移动时间，提高作业效率。同时，船型箱体的特殊首尾型线设计使得平台在自航时可达到较高的航速，具备良好的快速性。各种推进器的优化选型与布置位置的选择使得平台具有良好的操纵性及高精度动力定位能力，保证了各推进器之间配合效率的最大化，其原理如下：

为了保证平台具备快速自航能力，根据所需的推进功率选择了4台吊舱推进器8作为航行主推进器。由于半潜式平台经常在较深的海域进行长期定点作业，而当作业水深达到3000m时，传统的锚泊定位已无法满足定位要求，半潜式平台只能采用DP动力定位方式。因此，另有4台伸缩式全回转推进器7起到平台的动力定位作用，为了不增加浮箱受到的附体阻力，其在平台自航时处于收缩状态，回收到浮箱内部。2台艏侧推6用来提高半潜式平台的回转性与机动能力。4台吊舱推进器8布置于浮箱的尾部，作为航行主推进器。4台可伸缩推进器布置于首部立柱1下方，参与平台的动力定位作业。2台艏侧推6进器布置于浮筒的首部，用来提高平台的操纵性，用于平台在码头或者港池内的机动操作。当平台需要保持一定的位置或某一航向时，可协调控制8台全回转推进器7和2台艏侧推6进行准确定位，从而实现平台良好的操纵性和高精度定位能力。

傅汝德数Fr是用来衡量航速大小的无量纲参数，其表达式为：

其中，v是船速，单位m/s；g是重力加速度；L为船长。

球鼻船首在不同情况下可以减少不同的阻力成分，而船型箱体的球鼻艏2设计主要减小平台自航时的兴波阻力。对于Fr在0.27-0.34之间的中高速船，安装球鼻船首可以降低兴波阻力。其原理是，在水下运动的球鼻艏2会产生波浪，而球鼻艏2的大小和位置经过合理的确定后，在一定的航速范围内，球鼻艏2产生的船首波系与船体波系将产生有利干扰作用，合成波的波高降低，波能下降，因此兴波阻力相应减小。

与普通船舶不同的是，平台移动时尾部的吃水深度远大于船舶尾部的吃水，因此设计时导流板的倾斜程度更大些。当航速较高时，双船体尾部(方尾)的水流具有足够的动能以克服粘性的影响而沿着导流板迅速脱离，使得船侧和尾板底部的水流在船后的某个位置处交汇，形成所谓的“鸡尾流”(见图7)。在水流交汇点与尾封板之间形成“空穴”，尾部水流的空穴长度成为“虚长度”ΔL，虚长度的作用相当于增加了船体的长度，使船体变得更加细长。此时，船长的增加使得船体的Fr减小。Fr的大小与兴波现象有关，Fr越大，兴波作用越强。显然导流板+方形尾的设计相当于增加了较长的船体长度，使其兴波作用减小，从而降低了半潜式平台高速航行时的兴波阻力。

如图7和图8所示，图中ΔL₁为普通方尾船型的“虚长度”，ΔL₂为本实施例的的船型箱体方尾的“虚长度”。显然，ΔL₁＜ΔL₂，说明本发明船型箱体的方尾设计可增加更长的“虚长度”，相当于增加了更长浮箱的长度，使其变得更细长，相应地高速航行时的兴波阻力减小得更多，从而证明本发明的方尾型线具有更好的减阻效果。

由此可见，球鼻艏+方尾的船型箱体设计可大大降低半潜式平台以较高速度航行时的兴波阻力，再加上其上安装的不同类型的推进装置及合理的布置位置，从而可使得半潜平台在波浪中具有良好的快速性、灵活的操纵性及高精度动力定位能力。

3、科学合理的舱室划分与布置提高了平台整体的抗沉性并且使得内部空间的利用率最大化，在充分利用浮箱内部空间的同时还可提高半潜平台的稳定性，其原理如下：

浮箱内的下甲板与舱壁板将船型箱体划分成具有双层底与双层壳结构的船体。

抗沉性是指船舶或浮式结构在一个舱室或几个舱室进水的情况下，仍能保持不至于沉没和倾覆的能力。储备浮力是指设计水线以上主船体水密部分体积提供的浮力。

由于该船型箱体具有双层底与双层壳结构，包含舱室若干，其中双层底内多为压载舱11。当浮箱底部某一舱室破损进水时，由于箱内下甲板的存在阻止了海水向下甲板以上的舱室继续渗入，除此双层底内的其他水密舱室以及双层壳结构也能提供浮力。重要的是，船首、尾通常为更易破损的区域，而该船型箱体同时设有首尾间舱，其具有的水密性也能提高平台的破舱稳性，使得浮箱在破损一个舱室或几个舱室的情况下，仍具有一定的稳性。更进一步地说，船型箱体内的水密舱室相当于增加了该平台主体的储备浮力，从而保证平台具有较好的抗沉性能及作业安全性。

另外，浮箱内布置有压载舱11、燃油舱12、淡水舱14、泵舱13、推进器机舱等大载重量舱室，使得浮箱的内部空间得到了充分的利用，进而为半潜平台节省出一些空间留作他用。同时由于许多大载重量的舱室位于平台的底部浮箱内，因此降低了平台整体的重心，增加了其初稳性高度，从而提高了半潜式平台的稳定性。

实施例二

本实施例提供了实施例一所述的船型浮箱的设计方法，如图9所示，具体包括以下步骤：

首先根据半潜式平台的主尺度、载重量、设计航速及作业海况，利用船舶设计原理的相关理论，同时考虑船型箱体内部的舱室划分与布置，初步确定船型箱体的长度、宽度、型深等主尺度要素以及数量、重量。然后按照常规的球鼻艏和方型尾的选型方法，初步设计船型箱体的球鼻艏与方尾线型。采用三维建模仿真方法对船型箱体的水动力参数进行计算，得到浮箱的水动力系数、运动RAO、横摇与垂荡固有周期及衰减系数等基本参数。在此基础上，对比各水动力参数的计算值与目标值，并据此修改船型箱体的首尾线型及浮箱的主尺度，再次进行数值仿真计算。将此次水动力参数的计算结果与修改前的结果进行比较，若计算结果没有接近目标值，则放弃此次修改，在上次修改的基础上重新进行修改，然后再进行数值计算；若计算结果接近目标值但不足设计目标值的90％(也可以是其他的设计阈值)，则按照前述过程继续进行修改并进行数值计算直至满足设计阈值要求；若计算结果接近目标值且达到设计目标值的90％(也可以是其他的设计阈值)，则进行浮箱底部推进系统的设计环节。此时，基于船舶阻力与推进理论一方面计算包括吊舱螺旋桨、伸缩式减摇翼板等附体在内的船型箱体总阻力，另一方面根据半潜式平台的设计航速及所受总阻力，定出浮箱底部的推进器主机功率并计算螺旋桨各设计参数。由于船型浮箱的首尾线型与推进器功率及螺旋桨参数彼此影响，设计时需重复计算调整。然后，结合选定的推进器主机功率以及螺旋桨的相关设计参数对船型箱体的球鼻型线以及方尾的底部型线进行微调，从而得到水动力性能及快速性均较优的半潜式平台底部的船型箱体，最终输出所设计的船型箱体的主尺度参数，球鼻首、方尾的设计参数，推进器主机功率及各螺旋桨参数。

有关螺旋桨与浮箱舱室布置的具体设计为：综合利用图谱设计法与理论设计法对螺旋桨进行优化选型。所谓图谱设计法是根据螺旋桨敞水模型试验的结果绘制成的几何参数与性能相关的各类专用图谱进行设计的方法。理论设计是基于环流理论以及各种桨叶切面的试验或理论数据进行的螺旋桨设计。首先根据所需的推进功率，初步确定螺旋桨的叶数及直径。然后在图谱所提供的螺旋桨资料范围内选择最适宜的方案，进行螺旋桨敞水模型及船后螺旋桨试验，进而确定出螺旋桨的直径、盘面比、螺距、推力系数等主要参数。由于该方法对伴流比较均匀的常规船型比较合适，但对于在波浪中航行的平台来说，还存在振动、空泡及螺旋桨效率等问题，因此，还需采用理论设计法对螺旋桨的桨叶形状和叶剖面形状进行优化。例如，为了减小船尾振动而采用大侧斜螺旋桨，对桨叶的倾斜度进行优化。最终，基于升力线理论、升力面理论及面元法的螺旋桨计算模型，对螺旋桨的水动力性能进行数值预报，从而得到优化后的螺旋桨具体参数。

各推进器的安装位置是在综合考虑了推进效率、平台的回转性、底部船型箱体的重心位置以及结构强度等因素下确定的。首先根据船舶推进的相关理论，螺旋桨纵向位置是影响推进效率的重要因素之一，适当地后移螺旋桨安装位置对于提高推进效率有一定收益。因此，设计时考虑将主吊舱推进器8适当地布置在相对靠后的地方。为了避免伴流之间的相互干扰，将四台主吊舱推进器8平行布置。然后根据底部船型箱体的重心位置，可大致确定出伸缩式全回转推进器7及艏侧推6的位置。由于主吊舱推进器8的质量较大且位于尾部，则应将伸缩式全回转推进器7及艏侧推6的位置尽可能靠近首部。再由平台回转性及动力定位的要求，可进一步定出两者的位置。其中，艏侧推6位于船型箱体的首部全回转推进器7的前面；用于动力定位的伸缩式全回转推进器7为了避免螺旋桨尾流的互相干扰呈交错布置，且位置靠近首部的全回转推进器7布置在船型箱体内靠近外部的一侧，以提供更大的转动力矩。除此，船型箱体带动整个平台转动时，船型箱体与立柱1连接处会产生极大的剪力与扭矩，因此，综合考虑以上情况最终可确定出每台推进器的具体位置。

根据船舶与平台舱室划分的有关规定，并在一定计算的基础上，对船型箱体进行科学的舱室划分及布置。将船型箱体划分成具有双层壳及双层底结构的船型，不仅可将其用作压载舱11和淡水舱14，充分利用了内部空间；还提高了整个船型箱体的结构强度及抗沉性，使其在风浪中航行时更加安全。基于平台动力定位的相关理论，计算了三种推进器的相对位置关系，在保证主推进器与艏侧推6满足工作效率的基础上，使两者最大程度地起到辅助伸缩式全回转推进器7完成平台动力定位的作用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种半潜式平台底部的浮箱的设计方法，其特征在于，

所述浮箱包括多个平行设置的船型箱体，每个船型箱体的顶部通过立柱（1）连接平台甲板（5），船型箱体的前端设有球鼻艏（2），后端为类方型尾（3），类方型尾（3）中的尾封板通过一段导流板与船底板连接，导流板从上到下的曲率逐渐增加，上半部分为倾斜平板，下半部的板曲率逐渐增加，并与船底板平滑连接，导流板和船底板的连接点位于后端立柱（1）的延长线处；同时，每个船型箱体的两侧设有减摇翼板（4），该减摇翼板（4）可沿其连接船型箱体的根部进行伸缩；

所述球鼻艏（2）的向前凸起超出船型箱体的船体甲板舷弧的首端，球鼻顶点位置处的高度大于船型箱体的船体型深二分之一，同时，球鼻艏（2）的型线顶部距离半潜式平台自航时的吃水线2.5~4m；

所述减摇翼板（4）为钢制框架，外包防水柔性层；

所述船型箱体的两侧设有安装槽和伸缩机构，所述减摇翼板（4）设置在安装槽内，在伸缩机构的带动下伸出或回缩;

浮箱内的下甲板与舱壁板将船型箱体划分成具有双层底与双层壳结构的船体；

所述船型箱体上设有艏侧推（6）、伸缩式全回转推进器（7）和吊舱推进器（8），所述艏侧推（6）、伸缩式全回转推进器（7）安装于船型箱体的前端，所述吊舱推进器（8）安装于船型箱体的尾端；多台伸缩式全回转推进器（7）交错布置；所述船型箱体的外壳为双层壳结构，在双层壳结构内部分布有压载舱（11）和淡水舱（14）；

所述浮箱的设计方法包括以下步骤：

S1、根据半潜式平台的主尺度、载重量、设计航速及作业海况，同时考虑浮箱内部的舱室划分与布置，初步确定船型箱体的数量、主尺度要素以及重量；

S2、按照常规的球鼻艏（2）和类方型尾（3）选型方法，初步设计船型箱体的球鼻艏（2）与方尾线型，采用三维建模仿真方法对船型箱体的水动力参数进行计算，得到浮箱的水动力系数、运动RAO、横摇与垂荡固有周期及衰减系数；

S3、对比各水动力参数的计算值与目标值，并据此修改船型箱体的首尾线型及浮箱的主尺度，再次进行数值仿真计算，将此次水动力参数的计算结果与修改前的结果进行比较：

若计算结果没有接近目标值，则放弃此次修改，在上次修改的基础上重新进行修改，然后再进行数值计算；

若计算结果接近目标值但不足设计目标值的设计阈值，则重新执行步骤S2，继续进行水动力参数修改并进行数值计算直至满足设计阈值要求；

若计算结果接近目标值且达到设计目标值的设计阈值，则执行步骤S4，进行浮箱底部推进系统的设计环节；

S4、基于船舶阻力与推进理论一方面计算包括减摇翼板（4）在内的船型箱体总阻力，另一方面根据半潜式平台的设计航速及所受总阻力，定出浮箱底部的推进器主机功率并计算螺旋桨各设计参数；

S5、结合选定的推进器主机功率以及螺旋桨的相关设计参数对船型箱体的球鼻型线以及类方型尾（3）的底部型线进行微调，从而得到最终的船型箱体形状，最终输出所设计的船型箱体的主尺度参数，球鼻首、类方型尾（3）的设计参数，推进器主机功率及各螺旋桨参数；其中，

有关螺旋桨与浮箱舱室布置的具体设计方法为：综合利用图谱设计法与理论设计法对螺旋桨进行优化选型；图谱设计法是根据螺旋桨敞水模型试验的结果绘制成的几何参数与性能相关的各类专用图谱进行设计的方法；理论设计是基于环流理论以及各种桨叶切面的试验或理论数据进行的螺旋桨设计：

首先根据所需的推进功率，初步确定螺旋桨的叶数及直径；然后在图谱所提供的螺旋桨资料范围内选择最适宜的方案，进行螺旋桨敞水模型及船后螺旋桨试验，进而确定出螺旋桨的直径、盘面比、螺距、推力系数；最终，基于升力线理论、升力面理论及面元法的螺旋桨计算模型，对螺旋桨的水动力性能进行数值预报，从而得到优化后的螺旋桨具体参数；

各推进器的安装位置确定：为了避免伴流之间的相互干扰，将四台吊舱推进器（8）平行布置，然后根据底部船型箱体的重心位置，确定出伸缩式全回转推进器（7）及艏侧推（6）的位置；由于吊舱推进器（8）的质量较伸缩式全回转推进器（7）及艏侧推（6）大且位于尾部，将伸缩式全回转推进器（7）及艏侧推（6）的位置靠近首部；再由平台回转性及动力定位的要求，进一步定出伸缩式全回转推进器（7）及艏侧推（6）的位置：其中，艏侧推（6）位于船型箱体的首部伸缩式全回转推进器（7）的前面；用于动力定位的伸缩式全回转推进器（7）为了避免螺旋桨尾流的互相干扰呈交错布置，且位置靠近首部的伸缩式全回转推进器（7）布置在船型箱体内靠近外部的一侧，以提高转动力矩；船型箱体带动整个平台转动时，船型箱体与立柱（1）连接处会产生极大的剪力与扭矩，综合考虑以上情况确定出每台推进器的具体位置；在计算的基础上，对船型箱体进行舱室划分及布置：将船型箱体划分成具有双层壳及双层底结构的船型，将其用作压载舱（11）和淡水舱（14），充分利用了内部空间，还提高了整个船型箱体的结构强度及抗沉性；在保证主推进器与艏侧推（6）满足工作效率的基础上，使两者最大程度地起到辅助伸缩式全回转推进器（7）完成平台动力定位的作用。

2.根据权利要求1所述的半潜式平台底部的浮箱的设计方法，其特征在于，所述船型箱体内包括上下两层空间，每层空间通过纵舱壁（9）分隔为两侧区域，每侧区域通过横舱壁（10）分隔为多个舱室。

3.根据权利要求1所述的半潜式平台底部的浮箱的设计方法，其特征在于，所述的舱室包括压载舱（11）、燃油舱（12）和泵舱（13）。