36100DWT大湖型散貨船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

鄭立 馬強(qiáng)

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

36 100 DWT大湖型散貨船是由加拿大船東CSL（Canada Steamship Lines，Ltd）委托上海船舶研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的一型散貨船，由揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司下屬舟山揚(yáng)帆船廠建造。這是一艘滿足大湖規(guī)范的純大湖型散貨船，航行于加拿大的圣勞倫斯河及五大湖支河航區(qū)；船長船寬均達(dá)到運(yùn)河要求的極限值；貨艙均采用雙殼結(jié)構(gòu)，雙殼邊艙與雙層底聯(lián)通，保證了壓載水艙的艙容；在船舶航行通過運(yùn)河船閘時，起到調(diào)節(jié)平衡壓載和貨艙的作用；配備首尾側(cè)推，具備良好的適航性與操縱性，利于多港口裝卸貨。該船載重量大、艙容大、航速較低、油耗低、具備優(yōu)良的性能指標(biāo)，深受船東青睞。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，介紹大湖型散貨船在設(shè)計(jì)中遇到的問題以及解決的方案。

1 船型及布置特點(diǎn)

主尺度及基本參數(shù)：

總 長 225.50 m

垂線間長 222.605 m

型 寬 23.76 m

型 深 13.625 m

結(jié)構(gòu)吃水 9.00 m

載重量（結(jié)構(gòu)吃水時） abt.36 100 t

服務(wù)航速 13.0 kn

36 100 DWT大湖散貨船裝載種類豐富的干散貨，包括礦砂、煤、谷物、石膏、肥料和石頭等散裝貨物。貨艙區(qū)上甲板配置一臺19 t的龍門吊，可以在整個貨艙區(qū)域吊裝艙蓋，方便裝卸貨。總布置圖見圖1。

圖1 總布置圖

基于船舶在大湖航行的特殊性，需重點(diǎn)考慮以下兩個技術(shù)指標(biāo)：

1）載重量是重要指標(biāo)之一，因此盡量按運(yùn)河所能容納的極限值來確定船長及船寬。為了擴(kuò)大貨艙艙容以及尾部浮態(tài)調(diào)整的需求，機(jī)艙尾部盡量壓縮后移，導(dǎo)致舵空間狹窄，采用導(dǎo)管舵槳解決螺旋槳的效率及操縱性問題。貨艙區(qū)分為5個貨艙，跟同級別的常規(guī)散貨船相比，貨艙長度較長。

2）空氣吃水高度是另一個重要衡量指標(biāo)，空氣吃水需要一定的壓載艙容。貨艙區(qū)采用雙殼結(jié)構(gòu)，且內(nèi)殼距外板距離根據(jù)總體需要的壓載水要求確定。邊壓載艙與底部壓載艙聯(lián)通。

與一般散貨船（滿足CSR）相比，該船在結(jié)構(gòu)方面有幾點(diǎn)不同：

1）有限航區(qū)：Great Lakes Bulk Carrier。該船航行于加拿大的圣勞倫斯河及五大湖支河航區(qū)，不會遭遇無限航區(qū)時的大風(fēng)大浪，總體裝載工況計(jì)算中，不需要考慮貨艙間隔裝載，不需要考慮貨艙破艙時的裝載工況，因此滿足總體工況要求的靜水彎矩及波浪彎矩比一般同尺度散貨船小很多，僅考慮大湖航區(qū)總縱強(qiáng)度的要求。

2）有首次航行工況要求，首航工況的靜水彎矩、波浪彎矩的考量，規(guī)范沒有明確規(guī)定，與首航的裝載、航線及時間密切相關(guān)。另外，大湖航線不要求首部拍擊加強(qiáng)，但在首航工況中對首部拍擊有一定要求。

2 規(guī)范差異

常規(guī)大湖型船舶都是基于無限航區(qū)，使用的規(guī)范與我們常規(guī)設(shè)計(jì)使用的規(guī)范一致。這艘船航行區(qū)域明確是圣勞倫斯河及五大湖航區(qū)，英國勞氏船級社對此類航區(qū)有專門的規(guī)范約束，引入了設(shè)計(jì)靜水彎矩值ML及常規(guī)靜水彎矩值Mu的概念。

2.1 總縱強(qiáng)度計(jì)算

與常規(guī)CSR散貨船最大的區(qū)別，就是波浪彎矩的取值。按常規(guī)理解，大湖航區(qū)的波浪彎矩幾乎可以忽略，但按大湖規(guī)范計(jì)算，該船的舯剖面0.4L區(qū)域的波浪彎矩計(jì)算值近似正常海況的一半，而且此計(jì)算值與最大設(shè)計(jì)靜水彎矩值成正比關(guān)系。

2.2 最小模數(shù)要求

該船的最小模數(shù)與舯剖面最大設(shè)計(jì)靜水彎矩值有關(guān)。最大彎矩值越大，最小模數(shù)也越大。舯剖面的各縱向構(gòu)件尺寸需同時滿足總縱強(qiáng)度及最小模數(shù)的要求。經(jīng)本人對規(guī)范條款的研究表明，相比最大設(shè)計(jì)彎矩，最小剖面模數(shù)對構(gòu)件尺寸更具有決定意義。在計(jì)算總縱強(qiáng)度及最小剖面模數(shù)時有兩點(diǎn)值得關(guān)注：

1）結(jié)構(gòu)計(jì)算船長的選取與常規(guī)散貨船是有區(qū)別的。大湖型船舶LS系指沿夏季載重線，從首柱前緣到舵桿后緣的距離，或當(dāng)無舵桿時到舵桿中心線的距離，僅限于計(jì)算總縱強(qiáng)度時使用。常規(guī)散貨船的LS系指沿夏季載重線，從首柱前緣到舵桿后緣的距離，或當(dāng)無舵桿時到舵桿中心線的距離；且LS應(yīng)不小于夏季載重水線總長的96%，也不必大于97%；對于大湖型散貨船，此值在局部強(qiáng)度計(jì)算時需使用。經(jīng)計(jì)算大湖船的結(jié)構(gòu)計(jì)算船長比一般常規(guī)船大，這會影響最小剖面模數(shù)計(jì)算。

2）大湖規(guī)范最小模數(shù)的計(jì)算是有前提條件的，吃水小于或等于8.6 m時可以使用規(guī)范中的公式，對于吃水大于8.6 m的船舶，最小剖面模數(shù)需要特別考慮。由于該船結(jié)構(gòu)吃水為9 m，吃水差距為0.4 m，接近規(guī)范要求的8.6 m，為此與英國勞氏船級社討論，認(rèn)為可以按吃水小于或等于8.6 m時的計(jì)算公式計(jì)算，并且得到船東認(rèn)可。

3 典型橫剖面設(shè)計(jì)

貨艙區(qū)域平行中體部分結(jié)構(gòu)，參見圖2典型橫剖面圖。

圖2 典型橫剖面圖

3.1 設(shè)計(jì)靜水彎矩

由于該船裝載工況中無間隔裝，不考慮破艙，最大設(shè)計(jì)靜水彎矩比常規(guī)無限航區(qū)的散貨船靜水彎矩值小，加之是在大湖航行，波浪彎矩計(jì)算值也近似常規(guī)船的一半，因此總縱強(qiáng)度較容易滿足。

3.2 最小剖面模數(shù)要求

在船舯區(qū)域，規(guī)范要求的最小剖面模數(shù)的計(jì)算值保持不變，船舯區(qū)域外按線型變化插值求得，船舯區(qū)域的最小剖面模數(shù)的計(jì)算值與設(shè)計(jì)靜水彎矩值成正比關(guān)系。船舯區(qū)域的劃分根據(jù)Ls/D的值決定：大于等于21取0.67Ls，小于等于 17取0.4Ls；該船是Ls/D=16.34，船舯范圍為0.4Ls。

按照規(guī)范參與總縱強(qiáng)度的縱向結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸在船舯區(qū)域外可以減小。由于該船的船長船寬已達(dá)到大湖航行時的極限值，船長偏長，設(shè)計(jì)靜水彎矩比常規(guī)無限航區(qū)的散貨船小，所以滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸偏小。為了提高船的剛性，同時考慮船東要求，整個貨艙區(qū)域的縱向構(gòu)件尺寸與船中區(qū)域保持一致，不折減，但不可避免增加了這部分的結(jié)構(gòu)重量。

4 橫艙壁結(jié)構(gòu)

大湖型散貨船的橫艙壁，包括機(jī)艙前端壁及尾尖艙艙壁的設(shè)計(jì)，是參照常規(guī)散貨船的規(guī)范，結(jié)構(gòu)計(jì)算船長也是常規(guī)散貨船的定義，但需要特別考慮腐蝕余量。深艙艙壁需在常規(guī)散貨船的計(jì)算結(jié)果上加上1.5 mm的腐蝕余量。

該船貨艙區(qū)有4道槽型橫艙壁。由于該船無間隔裝，不考慮破艙，因此貨艙橫艙壁的局部強(qiáng)度易于滿足規(guī)范要求。但垂直槽型水密橫艙壁槽條的剖面模數(shù)值及剪切面積值偏小，因此槽型偏小（與常規(guī)散貨船比），不設(shè)頂墩、底墩，增加貨艙艙容。構(gòu)件尺寸校核按常規(guī)散貨船規(guī)范要求，無特殊規(guī)定。貨艙區(qū)偏長，每個貨艙長達(dá)36 m，橫艙壁與橫艙壁之間分為3個貨艙開口，設(shè)有2個橫向甲板條，而不是按常規(guī)散貨船設(shè)計(jì)，在2個槽型艙壁間只設(shè)置一個大開口。

由于該船在經(jīng)過運(yùn)河支流、運(yùn)河船閘及大橋時，對船最高點(diǎn)的空氣吃水有限制：28.95 m，因此在壓載工況時，貨艙第四貨艙需用作壓載艙。經(jīng)核算，使用的壓載水不超過第四貨艙艙容的30%。

常規(guī)散貨船的規(guī)范規(guī)定：在無限航區(qū)，當(dāng)在海上航行條件下液艙或底艙擬部分灌裝時，應(yīng)考慮由于船舶的任何運(yùn)動導(dǎo)致晃蕩而產(chǎn)生的有重大影響載荷的危險(xiǎn)。對于平滑液艙，若灌裝水平低于10%或高于97%艙深，認(rèn)為不大可能出現(xiàn)流體運(yùn)動的重大影響，晃蕩壓力不予以考慮。

該船橫艙壁是參照常規(guī)散貨船的規(guī)范設(shè)計(jì)，因此晃蕩對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，也需按常規(guī)散貨船的規(guī)范計(jì)算，參見圖3貨艙區(qū)195肋位處的槽型艙壁圖。

圖3 貨艙區(qū)槽型艙壁圖

該船貨艙第4貨艙需要考慮部分灌裝時，晃蕩壓力對艙壁四周結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的影響。分兩種情況校核晃蕩壓力：

1）船舶橫搖時，流體的固有橫搖周期與船的固有橫搖周期相互之間的差值小于5 s；

2）船舶縱搖時，流體的固有縱搖周期大于船的固有縱搖周期減去3 s之后的值；

由于該船大湖航行的特定航區(qū)，縱搖情況不予以考慮。

經(jīng)英國勞氏船級社的Shipright Sloshing軟件計(jì)算研究表明：

該船第4艙在使用壓載水占貨艙艙容的15%～30%時，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸滿足晃蕩壓力的強(qiáng)度要求；

該船第4艙在使用壓載水占貨艙艙容的35%時，底邊艙斜板上部區(qū)域板，頂邊艙斜板縱骨不滿足船舶橫搖時的晃蕩壓力的強(qiáng)度要求；

該船第4艙在使用壓載水占貨艙艙容的40%時，頂邊艙斜板縱骨不滿足晃蕩壓力的強(qiáng)度要求；

該船第4艙在使用壓載水占貨艙艙容的45%時，頂邊艙斜板縱骨，縱向艙口圍板下縱艙壁縱骨，上甲板縱骨，貨艙內(nèi)殼縱艙壁縱骨，貨艙內(nèi)殼縱艙壁板均不滿足晃蕩壓力的強(qiáng)度要求；

該船第4艙在使用壓載水占貨艙艙容的50%～60%時，頂邊艙斜板縱骨，縱向艙口圍板下縱艙壁縱骨，上甲板縱骨，貨艙內(nèi)殼縱艙壁縱骨，頂邊艙斜板下部區(qū)域板，上甲板板，貨艙內(nèi)殼縱艙壁板均不滿足晃蕩壓力的強(qiáng)度要求。

因此，第4貨艙在壓載工況下，使用的壓載水不超過貨艙艙容的30%時，船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有考慮額外加強(qiáng)，就已經(jīng)滿足晃蕩壓力的強(qiáng)度要求。

5 首次航行工況

該船是純大湖型散貨船，船舶只能航行在加拿大的圣勞倫斯河及五大湖航區(qū)。但該船在我國東部舟山建造，首次航行需跨海航行至位于加拿大的圣勞倫斯河及五大湖航區(qū)，因此需額外考慮首航工況下的船舶強(qiáng)度問題。勞氏船級社的大湖規(guī)范沒有相關(guān)規(guī)定。首次航行中，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需著重考慮3個問題：

1）波浪彎矩的選取；

2）首部拍擊強(qiáng)度校核標(biāo)準(zhǔn)；

3）首次航行工況的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)應(yīng)該是可拆卸式的，到達(dá)目的地后方便拆卸而不增加空船重量。

對上述3個問題做了如下設(shè)計(jì)：

1）波浪彎矩選取：按常規(guī)船舶的規(guī)范，在近海入港狀態(tài)，波浪彎矩應(yīng)乘以0.5的系數(shù)；根據(jù)此首次航行一般多沿海，遮蔽航線，多選擇少風(fēng)浪季節(jié)，因此波浪彎矩乘以0.7的系數(shù)；按總體首航工況給出的靜水彎矩加0.7的常規(guī)波浪彎矩校核總縱強(qiáng)度。

2）首部拍擊加強(qiáng)：如按常規(guī)船的要求，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)重量近100 t，關(guān)鍵在于這部分重量到達(dá)目的地后無法拆除，增加空船重量；

3）經(jīng)與船東、英國勞氏船級社溝通協(xié)調(diào)，在英國勞氏船級社認(rèn)可的首航航線及時間段，限定波浪高度，限定船舶航行速度及首部最小吃水，結(jié)構(gòu)可以不另外考慮首部拍擊加強(qiáng)，因此不需考慮結(jié)構(gòu)加強(qiáng)拆卸的問題。

6 貨艙區(qū)域以外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

大湖型散貨船的首部、尾部、機(jī)艙上建及尾部鑄鋼件的設(shè)計(jì)參照常規(guī)散貨船的規(guī)范，結(jié)構(gòu)計(jì)算船長也是常規(guī)散貨船的定義，但有以下兩點(diǎn)做了特別考慮：

1）該船線型比較豐滿，首尾機(jī)艙的液艙區(qū)域，非水密平臺結(jié)構(gòu)，縱向開孔板結(jié)構(gòu)，盡量選用大開孔結(jié)構(gòu)形式替代腰圓小開孔。機(jī)艙布置設(shè)備的區(qū)域，用格柵或鋼絲網(wǎng)替代的非承重的平臺或艙壁，減輕結(jié)構(gòu)重量。上建的物料吊基座加強(qiáng)進(jìn)行了有限元強(qiáng)度校核，減小基座板厚，延伸船體區(qū)域的基座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)長度進(jìn)行了優(yōu)化，減輕結(jié)構(gòu)重量。

2）該船為提高貨艙艙容，貨艙較長，壓縮了尾部機(jī)艙區(qū)域，舵槳布置緊張，因此選用的是導(dǎo)管槳舵。尾部鑄鋼件是螺旋槳槳轂與掛舵臂一體化，鑄鋼件體積重量超常規(guī)，需特別設(shè)計(jì)。鑄鋼件部件在鑄鋼件線型窄瘦處斷開，分三段，既方便鑄鋼件廠家的鑄造，又利于鑄鋼件與船體焊接時船廠現(xiàn)場施工。鑄鋼件線型，在保證尾部流場的前提下，盡可能縮小鑄鋼件體積，減輕重量，方便船廠施工。

7 結(jié)語

該船為36 100 DWT大湖型散貨船，入級英國勞氏船級社，船體的總縱強(qiáng)度及最小剖面模數(shù)滿足勞氏大湖散貨船的規(guī)范要求。首部、尾部及機(jī)艙上建的結(jié)構(gòu)尺寸滿足英國勞氏船級社常規(guī)散貨船規(guī)范要求。首航工況下船體結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度及首部抗拍擊強(qiáng)度，綜合考慮首航航線和季節(jié)風(fēng)浪，進(jìn)行了部分減免。貨艙第4貨艙橫艙壁考慮了在壓載工況下，局部灌裝時晃蕩壓力對結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的影響。在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個過程中，嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)重量。希望這一設(shè)計(jì)思路及理念，對以后大湖型散貨船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所幫助。