40 000 t自卸船結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

蔣明華，李 濤，黃光兵

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

國(guó)際干散貨航運(yùn)市場(chǎng)的貨運(yùn)量占據(jù)著世界海運(yùn)貨物量的半壁江山，是國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)的重要組成部分。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，海運(yùn)的需求量攀升，干散貨航運(yùn)市場(chǎng)進(jìn)入復(fù)蘇期。而船舶是航運(yùn)運(yùn)輸?shù)妮d體，在市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，散貨船的訂單量也逐漸增加，和油船、集裝箱船一起成為船舶建造市場(chǎng)中的3大主流船型。同時(shí)，散貨船的定位也逐漸單一化，逐漸向大載重噸、目標(biāo)貨物單一的方向發(fā)展，配合港口的裝卸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)貨物的單次大數(shù)量運(yùn)輸，以降低平均運(yùn)輸成本。常規(guī)的散貨船運(yùn)輸量大，單船造價(jià)也較低，但是對(duì)港口碼頭設(shè)施的要求高，常見(jiàn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)長(zhǎng)途運(yùn)輸場(chǎng)景已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有船舶運(yùn)力的需求。為了主動(dòng)適應(yīng)大宗散貨的短途運(yùn)輸場(chǎng)景的需求，自卸散貨船應(yīng)運(yùn)而生。自卸散貨船是借助自身的卸貨設(shè)備將散裝貨物卸出的散貨船，在自卸船上通常不用配備克令吊等起吊設(shè)備，而是配備能自動(dòng)卸貨的自卸系統(tǒng)。自卸船比較靈活，既可以在無(wú)卸貨設(shè)備的港口進(jìn)行卸貨，又可以將貨物卸到大型散貨船上或者轉(zhuǎn)運(yùn)船上進(jìn)行駁運(yùn)，解決港口吃水淺的問(wèn)題。

自卸散貨船的結(jié)構(gòu)與普通散貨船有很大的差異，有一些普通散貨船上沒(méi)有的特殊結(jié)構(gòu)，如桅屋結(jié)構(gòu)、卸貨臂基座及W型底等。40 000 t自卸散貨船在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了多種方案對(duì)比論證和大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得船體結(jié)構(gòu)重量大幅降低。本文從結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的角度對(duì)40 000 t自卸船的總縱強(qiáng)度優(yōu)化、局部強(qiáng)度優(yōu)化及規(guī)范的特殊要求進(jìn)行研究。

1 40 000 t自卸散貨船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 入級(jí)符號(hào)及主尺度

40 000 t自卸散貨船入級(jí)DNV·GL，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足200707版本規(guī)范。

船級(jí)符號(hào)如下：

DNVGL +1A BULK CARRIER, HC-B, BIS, BWM(T), E0, LCS, TMON, NAUT(OC), ESP, Recyclable, COAT-PSPC(B,D)

本船的主尺度如下：

總長(zhǎng)190.00 m，垂線間長(zhǎng)186.60 m，設(shè)計(jì)吃水10.50 m，型寬29.00 m，型深16.00 m，結(jié)構(gòu)吃水10.80 m，梁拱0.40 m。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本船為全焊接結(jié)構(gòu)，分為艉部(包含機(jī)艙)、貨艙、艏部和上層建筑。

貨艙設(shè)有7個(gè)，范圍從艏防撞艙壁至機(jī)艙前艙壁，采用雙層底、雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)；設(shè)W型三底，三底下方布置2條縱向輸送帶；艏部布置2條橫向輸送帶和1套三明治式垂直提升系統(tǒng)；甲板面布置1條90.50 m長(zhǎng)的卸貨臂，實(shí)現(xiàn)貨物自卸功能；雙層底設(shè)有7道縱桁，舷側(cè)設(shè)有2個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

頂邊艙由壓載艙和電纜管弄組成，采用縱骨架式，每4檔設(shè)1個(gè)強(qiáng)框架。本船的電纜管弄設(shè)計(jì)與常規(guī)的散貨船有較大的區(qū)別。常規(guī)散貨船的管弄通常設(shè)置在雙殼區(qū)域，有的可以兼作通道使用，但本船的電纜管弄設(shè)置在頂邊艙最靠船中的位置，方便機(jī)艙區(qū)域電纜的布置，同時(shí)可使頂邊艙區(qū)域的壓載艙和舷側(cè)雙殼區(qū)域內(nèi)的壓載艙相通，使壓載水系統(tǒng)管路布置更加簡(jiǎn)單，甲板面更加干凈整潔。甲板設(shè)有梁拱，能使甲板上浪的水能夠更快地排掉。

由于自卸船特有的W型三層底，底邊艙比普通散貨船更大；底邊艙采用縱骨架式，每4檔設(shè)置1個(gè)強(qiáng)框。由于底邊艙比普通散貨船更高，因此底邊艙強(qiáng)框架的尺寸也更大，這也是自卸散貨船比普通散貨船結(jié)構(gòu)重量更大的一個(gè)原因。

根據(jù)DNV·GL規(guī)范，雙層底高度不小于船寬的1/20，即1.45 m，實(shí)際高度取值為1.60 m。雙層底采用縱骨架式結(jié)構(gòu)。為了更好地傳遞W型底傳遞下來(lái)的貨艙壓力，雙層底每2檔設(shè)1道肋板，肋板延伸到底邊艙縱艙壁處，并設(shè)置過(guò)渡肘板，防止結(jié)構(gòu)突變帶來(lái)的應(yīng)力集中。

雙層底上面一定高度處設(shè)置W型底，此W型底是真正與貨物直接接觸的內(nèi)底。W型底在底邊艙區(qū)域內(nèi)采用縱骨架式，在皮帶弄區(qū)域采用橫骨架式。由于自卸設(shè)備漏斗門的安裝，很難保證縱向構(gòu)件的連續(xù)性，且皮帶弄內(nèi)還要布置人行通道、除塵設(shè)備和震蕩器等，因此將皮帶弄內(nèi)設(shè)計(jì)成橫骨架式，并設(shè)置縱桁且每2檔設(shè)置1個(gè)支柱，以滿足自卸系統(tǒng)卸貨漏斗門的剛性要求。W型底與水平面成45°角，卸貨時(shí)漏斗門打開(kāi)，貨物能夠更好地滑到最底部的漏斗門，從而實(shí)現(xiàn)貨物自卸功能。

由于底邊艙結(jié)構(gòu)較高，雙舷側(cè)區(qū)域的高度僅有3.65 m，雙舷側(cè)區(qū)域采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，每4檔設(shè)置1個(gè)強(qiáng)框架。

除機(jī)艙前端壁及防撞艙壁外，貨艙區(qū)橫艙壁全部使用槽型艙壁形式，并設(shè)置頂墩和底墩，其中頂墩作為空艙使用。艙間甲板處采用橫骨架式，頂墩和底墩側(cè)板上的扶強(qiáng)材全部采用垂向布置。

2 總縱強(qiáng)度優(yōu)化

2.1 靜水彎矩優(yōu)化

靜水彎矩對(duì)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的影響，最終會(huì)影響結(jié)構(gòu)重量和建造成本，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。靜水彎矩既要滿足DNV·GL規(guī)范的要求，還要滿足船舶裝載手冊(cè)工況的要求，因此通過(guò)優(yōu)化分艙布置來(lái)減小靜水彎矩，使靜水彎矩值與規(guī)范最小要求值接近，是目前船舶設(shè)計(jì)中減輕結(jié)構(gòu)重量最有效的方法。

本船由于在實(shí)際航行時(shí)淺水航行區(qū)域較多，考慮在輕柴油(MGO)艙消耗過(guò)程中應(yīng)盡量降低對(duì)船舶縱傾的影響，因此船東要求將重燃油(HFO)艙和MGO艙布置在盡量靠近船中部的中間尖頂艙內(nèi),但是這樣的布置會(huì)影響船舶的總縱靜水彎矩。經(jīng)評(píng)估不同布置對(duì)總縱彎矩的影響后，設(shè)計(jì)方案將HFO艙布置在5號(hào)和6號(hào)貨艙區(qū)域，MGO艙布置在7號(hào)貨艙區(qū)域，可有效地平衡縱傾浮態(tài)變化和總縱強(qiáng)度之間的矛盾。油艙布置示意見(jiàn)圖1。

圖1 油艙布置示意圖

由于1號(hào)貨艙前壁頂墩距離甲板高度較小，該處空間實(shí)際裝貨時(shí)貨物難以到達(dá)，同時(shí)考慮貨艙清洗和維護(hù)的方便，應(yīng)將前壁位置盡量后移至196號(hào)肋位。但是，從設(shè)計(jì)角度考慮，該艙壁后移會(huì)使貨物重量向船中集中，從而加大中垂彎矩，不利于結(jié)構(gòu)重量的控制。最終決定將1號(hào)貨艙前艙壁位置設(shè)置在199號(hào)肋位處，使得最大中垂彎矩減小了4%左右。彎矩與剪力對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 1號(hào)貨艙前壁位置不同處的彎矩與剪力對(duì)比

本船船長(zhǎng)190.00 m，設(shè)置了7個(gè)貨艙。從破艙穩(wěn)性的角度考慮，不必在每個(gè)貨艙之間都設(shè)置水密分隔。如果7個(gè)貨艙設(shè)置成5個(gè)水密艙段，則可以節(jié)省2個(gè)水密門。但是從浸水總縱強(qiáng)度的角度考慮，貨艙分割成7個(gè)水密艙段，最大中垂浸水彎矩可降低約10%，初步估計(jì)結(jié)構(gòu)重量可減輕100 t以上。考慮到本船載重量指標(biāo)比較嚴(yán)格，經(jīng)綜合評(píng)估，最終選用貨艙區(qū)域設(shè)置7個(gè)水密艙段的分艙方案，彎矩值得到了進(jìn)一步的下降。5個(gè)和7個(gè)水密分艙段彎矩包絡(luò)線對(duì)比見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 5個(gè)水密分艙段的靜水彎矩

圖3 7個(gè)水密分艙段的靜水彎矩

由于40 000 t自卸散貨船無(wú)隔艙裝載工況，故對(duì)船體梁設(shè)計(jì)起決定性作用的是浸水工況下的彎矩和剪力，采用7個(gè)水密分艙段的方案明顯降低了浸水中垂靜水彎矩。

2.2 總縱強(qiáng)度計(jì)算優(yōu)化

由于40 000 t自卸散貨船在靜水彎矩選取時(shí)加放了一定的余量，因此在校核橫剖面的總縱強(qiáng)度時(shí)，彎曲應(yīng)力可以等于許用應(yīng)力，這樣的設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)既能滿足強(qiáng)度要求，又能保證較小結(jié)構(gòu)冗余，從而使結(jié)構(gòu)重量做到最輕化。

40 000 t自卸船總縱強(qiáng)度計(jì)算采用DNV·GL的Nauticus-Hull軟件，中橫剖面的船體梁實(shí)際剖面模數(shù)與規(guī)范要求剖面模數(shù)的比值接近100%，最大限度地減輕結(jié)構(gòu)重量。中橫剖面模數(shù)見(jiàn)表2。

表2 中橫剖面模數(shù)

為了減少結(jié)構(gòu)尺寸的冗余度，使結(jié)構(gòu)尺寸更加合理，在計(jì)算總縱強(qiáng)度時(shí)全船共建立了45個(gè)剖面模型，即每個(gè)強(qiáng)框范圍內(nèi)都建立一個(gè)剖面模型進(jìn)行評(píng)估，包括屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、剩余強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等，盡量使每個(gè)剖面的船體梁的實(shí)際應(yīng)力最大值趨向于許用值。

3 局部強(qiáng)度優(yōu)化

3.1 槽型艙壁優(yōu)化

對(duì)于散貨船來(lái)說(shuō)，貨艙寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于貨艙高度，而槽型艙壁要求其剖面模數(shù)與槽型跨距的平方成正比關(guān)系，因此散貨船槽型一般采用垂直槽型形式。本船設(shè)置了頂墩和底墩，在滿足艙容的前提下將底墩的設(shè)計(jì)高度抬高，從而進(jìn)一步減小了槽型艙壁的跨距。

一般情況下，槽型艙壁需考慮完整航行工況和浸水工況下的強(qiáng)度。對(duì)于完整航行工況，干散貨船貨艙的槽型艙壁承受的載荷分為兩部分:首先是貨物對(duì)槽型艙壁產(chǎn)生的壓力，即靜載荷；其次是在航行過(guò)程中由于船舶運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的貨物對(duì)槽型艙壁的壓力，即動(dòng)載荷。對(duì)于浸水工況，應(yīng)該考慮貨艙有貨物時(shí)浸水及貨艙無(wú)貨物時(shí)浸水。如果裝載的是包裝貨物，可以將貨艙當(dāng)作是空艙，因此在槽型艙壁設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮靜載荷、動(dòng)載荷及浸水時(shí)的作用力，且要考慮以上幾種工況的最惡劣情況對(duì)槽型艙壁進(jìn)行強(qiáng)度校核。

單個(gè)槽型剖面示意見(jiàn)圖4，不同的槽型尺寸對(duì)槽型艙壁的厚度有很大的影響。對(duì)、、、、、和等參數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化，使槽型艙壁做到最優(yōu)和最輕，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量?jī)?yōu)化的目標(biāo)。

dcg—槽型深度；bf-cg—槽型面板寬度；bw-cg—槽型腹板長(zhǎng)度；

3.2 桅屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

桅屋結(jié)構(gòu)是自卸散貨船上的一種特有結(jié)構(gòu)，用來(lái)支撐整個(gè)自卸臂。在桅屋下方需要安裝自卸臂基座且自卸臂可以200°旋轉(zhuǎn)，因此整個(gè)桅屋如同一個(gè)大的懸臂梁，不僅需要承受超過(guò)5 000 kN的自卸臂油缸的拉力，而且對(duì)變形量控制要求極高。如此大的懸臂結(jié)構(gòu)允許最大變形量不超過(guò)35 mm，在嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)重量的要求下，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此需要對(duì)桅屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，可以更加直觀地得出不同工況下的應(yīng)力和變形量。

通過(guò)對(duì)本船桅屋結(jié)構(gòu)的多種設(shè)計(jì)方案的分析對(duì)比，總結(jié)出效果最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法，即：對(duì)頂部變形控制貢獻(xiàn)較小的區(qū)域進(jìn)行削斜處理，并大幅增加桅屋4個(gè)角上強(qiáng)梁的尺寸。最終僅僅依靠210 t的桅屋質(zhì)量，將變形量控制在34.7 mm內(nèi)，比預(yù)期質(zhì)量降低了約90 t。圖5為母型船的桅屋結(jié)構(gòu)模型，圖6為多次優(yōu)化后的桅屋結(jié)構(gòu)模型。

圖5 母型船桅屋結(jié)構(gòu)模型

圖6 優(yōu)化后桅屋結(jié)構(gòu)模型

4 規(guī)范的特殊要求

與其他船級(jí)社相比，DNV·GL船級(jí)社規(guī)范有幾個(gè)特殊要求，在設(shè)計(jì)之初應(yīng)注意核算結(jié)構(gòu)重量是否有大的增加，以免預(yù)估結(jié)構(gòu)重量時(shí)產(chǎn)生偏差，影響設(shè)計(jì)質(zhì)量和建造成本。

4.1 海水閥箱

海水閥箱除了滿足規(guī)范對(duì)外板的要求之外，還應(yīng)滿足以下要求：

=004810

式中：為海水閥箱周界板的厚度，mm；為吹掃壓力，Pa；為材料系數(shù)；為海水閥箱周界板上加強(qiáng)筋的剖面模數(shù)，cm；為加強(qiáng)筋間距，mm；為加強(qiáng)筋跨距，m。

如果設(shè)計(jì)的吹掃壓力值太大，則海水閥箱的板厚和加強(qiáng)筋的尺寸會(huì)大幅增加。

4.2 靠泊影響舷側(cè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)

船舶設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮靠泊時(shí)碼頭對(duì)舷側(cè)的沖擊，外板、縱骨及橫向結(jié)構(gòu)應(yīng)相應(yīng)加強(qiáng)，規(guī)范對(duì)此有明確的計(jì)算公式。加強(qiáng)范圍為：寬度超過(guò)0.9倍的船寬處，且高度方向?yàn)閴狠d吃水以上0.25倍的結(jié)構(gòu)吃水處至結(jié)構(gòu)吃水以上2 m。

4.3 頂推區(qū)域的加強(qiáng)

船舶在港口靠泊時(shí)一般借助于拖輪。拖輪頂推在船舶舷側(cè)外板上時(shí)會(huì)對(duì)舷側(cè)外板區(qū)域有額外的推力，這就要對(duì)舷側(cè)外板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

DNV·GL要求的頂推加強(qiáng)范圍為長(zhǎng)度方向不小于5 m，高度方向?yàn)閴狠d吃水以上0.5 m至結(jié)構(gòu)吃水以上4 m。加強(qiáng)構(gòu)件為舷側(cè)外板和舷側(cè)縱骨，具體要求如下式：

=03

式中：為設(shè)計(jì)壓力，kN ，=/100,200 kN<≤1 000 kN；為滿載排水量，t。

對(duì)于入級(jí)其他船級(jí)社的船舶，在考慮頂推加強(qiáng)時(shí)可以將上述要求作為計(jì)算參考。

5 結(jié)論

(1)總縱強(qiáng)度優(yōu)化和減少設(shè)計(jì)冗余量是減輕船舶結(jié)構(gòu)重量最直接有效的方法。

(2)通過(guò)對(duì)局部強(qiáng)度的多方案優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，選擇最優(yōu)方案，從而減輕船舶結(jié)構(gòu)重量。

(3)需注意不同船級(jí)社規(guī)范中的特殊要求，以免產(chǎn)生不必要的修改和成本損失。