64000DWT散貨船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王艷春，周 妍

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

64000DWT散貨船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王艷春，周 妍

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

隨著一方面船東對(duì)裝貨量要求的不斷提高，另一方面由于散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR)的實(shí)行，規(guī)范對(duì)強(qiáng)度要求越來越高，因此，結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)需更加合理，才能在保證船舶強(qiáng)度的情況下，空船重量更輕，載貨量越多。以64 000 DWT散貨船為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，包括合理的結(jié)構(gòu)布置、強(qiáng)度分析、振動(dòng)分析和重量控制。

散貨船；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

1 船舶主要量度

64 000 DWT散貨船是新一代靈便型海豚系列散貨船，入級(jí)LR、DNV、NK、BV、GL等船級(jí)社。目前，首批64 000 DWT散貨船已順利交船并投入使用。根據(jù)該船安裝的主機(jī)的不同推出2款設(shè)計(jì)：“S”型機(jī)64 000 DWT和“G”型機(jī)64 000 DWT。兩型主要量度一致，都具備更加節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，但“G”型機(jī)主機(jī)較大，因而相比“S”型機(jī)機(jī)艙加大，5號(hào)貨艙有所減小。該船的主尺度為：

計(jì)算船長

192.035 m

垂線間長

194.50 m

型寬

32.26 m

型深

18.50 m

方型系數(shù)

0.89

服務(wù)航速

14.4 kn

2 結(jié)構(gòu)布置

64 000 DWT散貨船總布置圖如圖1所示。該船有5個(gè)貨艙，1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)艙為重貨艙，2號(hào)、4號(hào)艙為輕貨艙，3號(hào)艙為重壓載艙。設(shè)計(jì)初期，為便于艙蓋統(tǒng)一制造，首先考慮能使艙口開口大小一致，因而除1號(hào)艙外，其余艙口開口的尺寸一致為22 960 mm×18 260 mm。另外，由于船東要求將抓斗放置于甲板條間圍屋頂上，甲板條的寬度在保證能安放抓斗圍屋的情況下必須注意艙蓋開關(guān)的可操作性，特別是端鉸鏈處要留有一定的空隙。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)保證各艙裝貨量的情況下各貨艙分布應(yīng)使彎距剪力最小化。64 000 DWT散貨船頂邊艙6檔為一強(qiáng)框，底邊艙3檔為一強(qiáng)框，艙壁設(shè)置盡量位于頂邊艙和底邊艙強(qiáng)框處，以免增加強(qiáng)框數(shù)量。由于主機(jī)較大，為了盡量不減少5號(hào)艙容積，機(jī)艙前端壁采用了傾斜設(shè)計(jì)，下端為傾斜艙壁以加大機(jī)艙容積，二甲板以上為垂直艙壁以加大貨艙容積。對(duì)于作為壓載艙的底邊艙和頂邊艙，為了減少系統(tǒng)設(shè)備上下通過管弄進(jìn)行了連接。橫艙壁下的底墩在散貨船中一般都作為空艙，為了滿足總體壓載要求底墩作了壓載艙。另外，所有底墩都朝艏部，但3號(hào)艙前端艙壁的底墩朝艉部，這是因?yàn)?號(hào)艙載荷大，為了減小其跨距，底墩必須朝向3號(hào)艙布置。在機(jī)艙和艏部設(shè)計(jì)中，常規(guī)都采用橫骨架。對(duì)于縱橫骨架形式作了反復(fù)比較后發(fā)現(xiàn)縱骨架結(jié)構(gòu)重量更輕，更容易滿足總縱強(qiáng)度?；跈C(jī)艙首部線型不是很突兀，采用縱骨架對(duì)船廠施工不會(huì)產(chǎn)生不便，綜合考慮后采用了非常規(guī)的縱骨架形式。

3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)彎距和剪力的確定

首先在設(shè)計(jì)初期，總體參考現(xiàn)有母型船并跟據(jù)64 000 DWT散貨船的實(shí)際預(yù)估重量，重量分布，以及載貨工況要求得到一個(gè)大致的彎距和剪力進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于空船重量等的不確定性，因而前期空船重量重心的預(yù)估準(zhǔn)確性尤為重要，這將決定彎距和剪力值的準(zhǔn)確性。由于64 000 DWT散貨船與母型船差別比較大，空船重量預(yù)估不是很有把握，給出的彎距和剪力不是很精準(zhǔn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中對(duì)彎距和剪力設(shè)計(jì)值需留有一定的余量值。余量的大小可根據(jù)對(duì)該船實(shí)際把控力進(jìn)行調(diào)節(jié)，若覺得對(duì)重量重心等比較有把握就可少留一點(diǎn)余量，但余量留太少，一旦完工后實(shí)際彎距和剪力值超過設(shè)計(jì)值會(huì)很麻煩，相關(guān)強(qiáng)度可能都需重新校核。設(shè)計(jì)時(shí)所留余量越多，結(jié)構(gòu)重量就會(huì)越重，實(shí)際彎距和剪力值就會(huì)變大，設(shè)計(jì)值就會(huì)越難滿足實(shí)際值，就可能會(huì)形成一個(gè)惡性循環(huán)，因而準(zhǔn)確預(yù)估空船重量重心和計(jì)算彎距剪力是設(shè)計(jì)好該船的前提。需提供的彎距和剪力值包括完整工況、進(jìn)水工況、港口工況這3種工況下的最大中拱、中垂彎距和剪力。以往結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，彎距和剪力在0.4L(船長)區(qū)域內(nèi)統(tǒng)一取該區(qū)域最大值。為了減輕重量，64 000 DWT散貨船實(shí)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，彎矩、剪力則根據(jù)實(shí)際每一處彎矩剪力曲線值作為設(shè)計(jì)值。64 000 DWT散貨船彎距包絡(luò)線見圖2。

圖1 64 000 DWT散貨船總布置圖

圖2 64 000 DWT散貨船彎距包絡(luò)線

3.2許用MH和MHD的確定

由于實(shí)船的重量可能比預(yù)估的重量要輕，意味著就可多裝貨，因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)總體提供的最大吃水下均質(zhì)最大載貨量MH和間隔最大載貨量MHD應(yīng)預(yù)留一定余量。各艙可按其百分比預(yù)留，預(yù)留后總量與本船可能做輕總重量相當(dāng)。

3.3各壓載艙壓頭確定

64 000 DWT散貨船壓載艙壓力的確定應(yīng)根據(jù)壓載水的交換方式。由于排空法和溢流法這2種方式的壓力計(jì)算方法不同，因而需根據(jù)總體的破艙要求和輪機(jī)空氣管設(shè)置位置確定空氣管高度，同時(shí)也要考慮空氣管的可安放性。在考慮這些因素時(shí)盡量降低空氣管高度，以減少壓載艙的壓力。該散貨船原始設(shè)計(jì)為排空法，后續(xù)船因船東要求改為溢流法。

3.4局部強(qiáng)度的精細(xì)化設(shè)計(jì)

(1)墊墩數(shù)量的選取。因?yàn)樵摯瑪M載鋼卷筒，船底設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮墊墩的數(shù)量對(duì)雙層底板和縱骨的影響。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，設(shè)置3個(gè)墊墩比5個(gè)墊墩的內(nèi)底板的板厚會(huì)增加1 mm，但縱骨取值相同；而采用6個(gè)墊墩內(nèi)底板的板厚不會(huì)減少,因而建議船東采用5個(gè)墊墩。

(2)貨艙肋骨設(shè)計(jì)。由于在校核肋骨時(shí)，除了3號(hào)艙，其余艙肋骨大小基本由完整工況下剪力引起的側(cè)向曲屈決定，因此，在設(shè)計(jì)肋骨前最好根據(jù)進(jìn)水工況下的剪力先確定外板厚度。由于靠近艙壁剪力越大，外板板厚越厚，因而增加了肋骨的帶板厚度。

(3)底墩作為壓載艙的處理。對(duì)于底墩，一般設(shè)計(jì)時(shí)作為空艙處理，本船將它設(shè)計(jì)為壓載艙。對(duì)于底墩改為壓載艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核、板厚腐蝕的選取以及其他細(xì)節(jié)的處理，規(guī)范并沒有明確的規(guī)定。經(jīng)過與底邊艙等常規(guī)結(jié)構(gòu)的比較以及查詢國際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)網(wǎng)站的相關(guān)解釋，認(rèn)為由于壓載艙海水溫度相較空氣低，因而作為壓載艙的腐蝕可比作為空艙減少1.5 mm。起初也有船東提出異議，但通過合理的解釋最終得到了船東和船檢的確認(rèn)。

4 有限元強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于五艙段散貨船，一般只對(duì)中間三艙段進(jìn)行分析，其余兩艙的結(jié)構(gòu)尺寸參考中間艙段，這樣易使有些位置會(huì)有較大余量。為了更加精確的設(shè)計(jì)64 000 DWT散貨船，對(duì)1號(hào)、5號(hào)艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，這就要求把機(jī)艙和首部結(jié)構(gòu)也建入模型中。1號(hào)艙和5號(hào)艙模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 1號(hào)貨艙模型

圖4 5號(hào)貨艙模型

另外，大多數(shù)散貨船克令吊桶體與圍屋相連，會(huì)使圍屋板厚大幅度加厚，同時(shí)桶體插入甲板直至頂墩底板。為了精簡結(jié)構(gòu)，64 000 DWT散貨船嘗試克令吊桶體完全獨(dú)立于圍屋，并將克令吊桶體只嵌入>800mm高度，經(jīng)有限元校核完全滿足強(qiáng)度要求?？肆畹跬绑w有限元模型如圖5所示。

圖5 克令吊桶體有限元模型

5 振動(dòng)

為減少振動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均衡，機(jī)艙尾部甲板下的圍壁和支柱對(duì)齊布置。在該船設(shè)計(jì)時(shí),進(jìn)行了全船有限元振動(dòng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，G型主機(jī)的機(jī)艙和雷達(dá)桅都有較大振動(dòng)。對(duì)此，修改了雷達(dá)桅的形式，同時(shí)將機(jī)艙單邊橫撐改為雙邊橫撐，左邊增加兩主機(jī)橫撐，并對(duì)其結(jié)構(gòu)作了相應(yīng)加強(qiáng)。改進(jìn)后，計(jì)算結(jié)果顯示在螺旋槳最大工況(MCR)下，機(jī)艙、上層建筑和艉部在滿載和壓載工況下的振動(dòng)響應(yīng)滿足ISO相關(guān)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)要求。已投入使用的64 000 DWT散貨船，經(jīng)測定振動(dòng)也完全符合ISO振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語

散貨船是航運(yùn)中需求量較大的船型，一款好的船型往往被批量制造。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在滿足強(qiáng)度要求情況下減少一噸船體重量就能增加一噸載貨量，幾百條船就能增加幾百噸載貨量，可為船東獲取到較大的經(jīng)濟(jì)利益。散貨船是比較成熟的船型，很難有大的突破，但在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上應(yīng)該精益求精。通過對(duì)64 000 DWT散貨船結(jié)構(gòu)的簡單介紹，希望能對(duì)以后相似船型的設(shè)計(jì)提供一定的參考作用。

[1]鄒春平，陳端石，華宏星.船舶結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究[J].船舶力學(xué)， 2003(2)：102-115.

2014-09-22

王艷春(1975-)，女，高級(jí)工程師，主要從事船舶結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)；周妍(1982-)，女，工程師，主要從事船舶總體研究設(shè)計(jì)。

U661.42

A