VLCC直立艏結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

，，

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

近年來，船舶艏部結(jié)構(gòu)設(shè)計有較大的發(fā)展變化，越來越多的低速肥大型運輸船艏部采用直立艏線型設(shè)計。所謂直立艏，即艏柱側(cè)輪廓體現(xiàn)為豎直的直線，但在橫剖面上還是有一定的球艏特征，見圖1。直立艏通過增加兩柱間長，可大幅減小艏部水線的進流角和艏肩部水線的變化率，從而改善首部和全船的壓力分布，減小剩余阻力，提高阻力性能[1]。

圖1 傳統(tǒng)球艏與直立艏

對于VLCC而言，直立艏還能增加艏部浮力，改善船舶航行時的浮態(tài)，避免艏傾。更有利于匹配超長沖程低速柴油機和大直徑螺旋槳，從而降低油耗。本單位首次在國際上將直立艏線性設(shè)計應(yīng)用于VLCC船型，結(jié)合線型優(yōu)化等多種手段，完成各項設(shè)計指標并順利交船，該系列船目前運行良好[2]。為此，總結(jié)VICC直立艏結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)問題如下。

1 直立艏結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)問題

1.1 總縱強度計算

由于兩柱間長增長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水線增加，而船體梁總縱強度計算受結(jié)構(gòu)船長的影響很大，如式(1)～式(6)所示，結(jié)構(gòu)船長的增加會導(dǎo)致HCSR要求航行工況下最小中拱靜水彎矩、中垂靜水彎矩、中拱波浪彎矩、中垂波浪彎矩、中垂波浪剪力、中拱波浪剪力等設(shè)計參數(shù)均有不同程度的增加。

航行工況最小中拱靜水彎矩為

Msw-h-min=fsw(171CwL2B·

(CB+0.7)10-3-Mwv-hog)

(1)

航行工況最小中垂靜水彎矩為

Msw-s-min=-0.85fsw(171CwL2B·

(CB+0.7)10-3+Mwv-sag)

(2)

中拱波浪彎矩為

Mwv-hog=0.19fnl-vhfmfpCwL2BCB

(3)

中垂波浪彎矩為

Mwv-sag=-0.19fnl-vsfmfpCwL2BCB

(4)

中拱波浪剪力為

Qwv-pos=0.52fqwv-posfpCwvLBCB

(5)

中垂波浪剪力為

Qwv-neg=-0.52fqwv-negfpCwvLBCB

(6)

式中：L為結(jié)構(gòu)船長。

結(jié)構(gòu)船長的增加對各設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響統(tǒng)計見表1。

由表1可知，雖然CSR要求的最小中拱靜水彎矩和最小中垂靜水彎矩增加幅度較大，但是仍小于裝載手冊中各裝載工況靜水彎矩包絡(luò)值，對結(jié)構(gòu)質(zhì)量不會產(chǎn)生不利影響。影響較大的主要是垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力。受影響的還有水平波浪彎矩、波浪轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，對結(jié)構(gòu)質(zhì)量也造成了一定的增加。

表1 結(jié)構(gòu)船長增加對各設(shè)計參數(shù)的影響

1.2 艏部波浪沖擊載荷

HCSR認為，對于散貨船和油船等艏部較為飽滿的船型，當艏部橫剖線切向角度γWL(見圖2)大于50°且水線切向角度αWL(見圖2)大于35°時，首部外板受到的外部載荷類型為波浪沖擊載荷而非外飄砰擊載荷。通常外飄砰擊載荷隨著橫剖線切向角度γWL的變大而相應(yīng)變小[3-4]，而波浪沖擊載荷與橫剖線切向角度γWL的變化關(guān)系與此恰恰相反。HCSR首部沖擊載荷計算如下[5]。

(7)

式(7)表明，γWL越大，沖擊載荷就越大，所以理論上直立艏的沖擊載荷會大于球鼻艏。

某VLCC直立艏和球艏線型方案見圖3。直立艏方案中各橫剖線切向角γWL角度普遍在60°以上，且角度變化較為緩和，而球艏方案γWL角度變化范圍較大，球鼻艏處γWL角度在20°～60°之間急劇過渡。HCSR中規(guī)定，γWL角的計算值不得小于50°。

圖2 艏部沖擊載荷幾何參數(shù)示意

圖3 船艏沖擊加強的要求范圍

HCSR規(guī)定需考慮船艏沖擊載荷的區(qū)域見圖3。式(7)分別計算圖4所示2種線型對應(yīng)的沖擊載荷?？v向計算范圍取為距離艏柱0.1L，垂向范圍取為艏部壓載吃水(12 m)以上至主甲板。計算結(jié)果見表2、3。

圖4 某VLCC2種首部線型方案

kN/m2

表3 球鼻艏方案沖擊載荷值 kN/m2

為方便對比，將表2、3數(shù)據(jù)生成沖擊載荷云圖見圖5。由圖5可見，沖擊載荷值由艉向艏逐漸增大，隨著γWL角度的變大逐漸增大。結(jié)構(gòu)吃水(21 m)以上的首部前端是沖擊載荷高壓區(qū)。直立艏的沖擊載荷極值和范圍都比球艏型更大。

圖5 2種艏部線型對應(yīng)沖擊載荷對比

2 直立艏結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法

為解決直立艏線型特點帶來的結(jié)構(gòu)增重問題，必須有針對性地采取一些結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法以減小其負面影響。

2.1 艏尖艙類型

如1.1所述，采用直立艏線型會導(dǎo)致總縱強度計算相關(guān)的設(shè)計參數(shù)偏大。為了減少這一影響，將艏尖艙設(shè)置為空艙，這樣布置可減小壓載工況下的中拱靜水彎矩，從而避免設(shè)計彎矩增加過多。同時，中縱、橫向位置不再需設(shè)置制蕩艙壁，而改為開放的框架式結(jié)構(gòu)，以減輕結(jié)構(gòu)重量。

艏尖艙設(shè)為空艙還可以減少構(gòu)件的腐蝕余量，減少PSPC工作量，減少作為壓載艙必備的管系、閥門、液位遙測等系統(tǒng)，從而減少船廠的建造成本。

2.2 線型設(shè)計

艏部壓載吃水以上的舷側(cè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸主要由艏部沖擊加強要求決定。如1.2所述，艏部波浪沖擊載荷與橫剖線切向角γWL密切相關(guān)。在結(jié)構(gòu)水線以上的線型可以適當外飄，既可以避免沖擊載荷增大過多，還能減少甲板上浪，也有利于收、拋錨作業(yè)。

2.3 沖擊載荷計算

準確計算艏部沖擊載荷是選取構(gòu)件尺寸及減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵。如式(7)所示，沖擊載荷的規(guī)范計算公式調(diào)用參數(shù)多，且不同位置的參數(shù)取值區(qū)別很大。橫剖線切向角γWL和水線切向角αWL一般通過作圖量取，比較繁瑣。為了避免構(gòu)件尺寸的過度冗余，必須盡可能多地計算不同位置的載荷，計算工作量非常大，而且容易出錯。為此，總結(jié)一套計算規(guī)范要求加強區(qū)域所有位置沖擊載荷的計算方法，通過采集艏部線型型值計算出橫剖線切向角γWL和水線切向角αWL，從而快速準確計算相應(yīng)位置所承受的沖擊載荷。

從首部壓載吃水以上按相等間距取一定數(shù)量的水線，并采集其在各檔肋位處的距中心線距離，見表4。根據(jù)線型的外飄程度確定水線間距，通常以1 m為宜。通過編制LISP程序在CAD中快速完成型值采集。

得到如表4中的水線型值后，即可根據(jù)同一水線相鄰肋位采集點的相對坐標計算兩檔肋位之間的水線切向角αWL；根據(jù)同一肋位相鄰水線采集點的相對坐標計算兩水線高度之間的橫剖線切向角γWL，代入其他參數(shù)，最終計算出相應(yīng)位置的沖擊載荷值。

表4 型值輸入表 m

得到加強區(qū)域的沖擊載荷后，可生成沖擊載荷云圖，便于高效準確地對外板構(gòu)件尺寸進行分組。對于云圖顯示載荷較大的區(qū)域，進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加密布置。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置

為減輕質(zhì)量，艏部開孔平臺在保證強度的基礎(chǔ)上設(shè)計為一定程度上的開敞式框架結(jié)構(gòu)，兩舷平臺部分類似于高腹板的舷側(cè)縱桁，見圖6。在上甲板支柱下端采用高腹板縱桁作為支撐，替代需每層平臺設(shè)置支柱的常規(guī)做法。

圖6 艏部平臺開敞式結(jié)構(gòu)示例

舷側(cè)縱骨由強肋骨提供支撐。隨著往艏外板線型的變化，強肋骨如仍按一定的肋位間距布置，展開的強框間距會不斷變大，同時強肋骨與外板的夾角過小，均不利于抵御首部沖擊載荷。因此，艏端的強肋骨通常配合甲板構(gòu)件設(shè)計為放射狀布置。這種形式的構(gòu)件布置既可以控制縱骨的跨距，又可使強肋骨腹板與外板的夾角控制在較為理想的范圍內(nèi)，見圖7。

圖7 艏部主要構(gòu)件放射狀布置

加強區(qū)域內(nèi)舷側(cè)外板的厚度隨著沖擊載荷向艏增加而增加。采用高強度鋼對減小沖擊區(qū)域的船底板厚度十分有效。適當在縱向位置增加船底板的橫向板縫，減小板厚增加的梯度，有利于減輕沖擊區(qū)域船底板的質(zhì)量。

對于沖擊加強區(qū)域的舷側(cè)縱骨，針對沖擊加強的模數(shù)要求是基于塑性剖面模數(shù)的，在選取縱骨尺寸時應(yīng)避免誤用彈性剖面模數(shù)，造成骨材重量不必要的增加。在舷側(cè)縱骨穿過強框處雙面設(shè)置加大的肘板，減小縱骨跨距，可有效減小縱骨尺寸。采用高強度鋼對減小沖擊加強區(qū)域舷側(cè)縱骨尺寸非常有效。

3 結(jié)論

通過將艏尖艙設(shè)置為空艙，可減小壓載工況下的中拱靜水彎矩,減少因結(jié)構(gòu)船長變長后波浪彎距增加帶來的負面影響。結(jié)構(gòu)水線以上的線型適當外飄，可以避免沖擊載荷增大過多。通過采集首部線型型值計算出橫剖線切向角γWL和水線切向角αWL，進而準確計算所有加強區(qū)域的沖擊載荷，可幫助合理選取艏部構(gòu)件尺寸，避免結(jié)構(gòu)冗余。通過采用開敞式平臺結(jié)構(gòu)、放射狀強肋骨布置等結(jié)構(gòu)布置方法也可減輕結(jié)構(gòu)重量。根據(jù)實船統(tǒng)計結(jié)果，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的直立型首部結(jié)構(gòu)重量甚至比母型船的球鼻型艏部結(jié)構(gòu)重量更輕，達到了優(yōu)化目標。