82 000噸級散貨船結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化

馮 偉，嚴衛(wèi)祥，吳定凡，匡 巖

(上海船舶研究設計院，上海201203)

0 引言

目前市場上的82 000噸級系列散貨船主要滿足散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR-BC)規(guī)范及CSR-H(2014版～2019版)。隨著船舶能效設計指數(shù)第3階段(EEDI Phase Ⅲ)的推行、CSR-H規(guī)范的更新和鋼價的大幅上漲等因素，適用新規(guī)范、新法規(guī)的82 000噸級散貨船的升級優(yōu)化工作勢在必行。

唐明非等結(jié)合85 000噸級散貨船的船型特點，有針對性地對彎矩包絡線、型材使用和整體型頂墩等方面進行了優(yōu)化設計。甘水來等基于共同規(guī)范繪制了散貨船槽型艙壁的各槽條要素對重量影響的關(guān)系曲線。王艷春等從許用裝貨量、計算水壓頭和振動分析等角度，對散貨船結(jié)構(gòu)細節(jié)繼續(xù)精益求精。

本文基于CSR-H(2020版)規(guī)范，對研發(fā)的82 000噸級散貨船(以下簡稱“82kBC-V2020”)結(jié)合有限元分析結(jié)果，從設計最小靜水彎矩、槽型艙壁、貨艙內(nèi)底板、舷側(cè)外板、船底砰擊區(qū)域的舭部及機艙、上建結(jié)構(gòu)等方面闡述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，力爭達到在滿足CSR-H(2014版)的82 000噸級散貨船(以下簡稱“82kBC-V2014”)基礎(chǔ)上減重5.5%的目標。

1 船型概況

1.1 主尺度及基本參數(shù)

82kBC-V2020的主要尺度為：總長229.00 m；結(jié)構(gòu)船長222.13 m；型寬32.26 m；型深20.35 m；結(jié)構(gòu)吃水14.50 m；設計吃水12.2 m。

1.2 船型特點

新一代綠色節(jié)能環(huán)?？査_姆型82 000噸級散貨船(以下簡稱“82kBC-V2020”)根據(jù)CSR-H(2020版)升級研發(fā)的，配有MAN-6S60ME-10.5主機，4葉螺旋槳，設計吃水下航速14.0 kn，主機日油耗23.18 t/d，配置節(jié)能導管和轂帽鰭，續(xù)航力25 000 n mile。

主船體共設有9道橫艙壁，將全船分為艉尖艙、機艙、7個貨艙和艏尖艙。貨艙之間采用垂直槽型橫艙壁分隔，其中第四貨艙兼作風暴壓載艙。艉部及機艙上方設有5層上層建筑，艏部采用減阻直首線型設計。

2 結(jié)構(gòu)設計主要優(yōu)化

2.1 設計最大靜水彎矩值

在中橫剖面設計中發(fā)現(xiàn)，本船的船體梁總縱強度主要受到進水工況下中垂彎矩的影響。因此，為了控制結(jié)構(gòu)重量，在總體分艙優(yōu)化的基礎(chǔ)上進行精細化結(jié)構(gòu)設計，對結(jié)構(gòu)設計靜水彎矩包絡線增設多個定位控制點，做成一個緊貼總體彎矩值的包絡設計，努力減小設計冗余，可得到分布更合理的總縱靜水彎矩曲線。與82kBC-V2014相比，本船各工況下的結(jié)構(gòu)設計最大靜水彎矩值明顯降低，其中結(jié)構(gòu)設計進水工況下的中垂靜水彎矩減小了7.6%，為整船的結(jié)構(gòu)重量控制奠定了基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 82kBC-V2014與82kBC-V2020的設計最大靜水彎矩對比

2.2 槽型橫艙壁結(jié)構(gòu)

有限元計算表明，較小的槽型翼板寬度有利于提高板格抗屈曲性能，且屈曲主要發(fā)生在槽型翼板上。因此，本船的槽型艙壁均采用950 mm的窄翼板形式，并盡可能拉長槽型腹板長度，以便控制橫艙壁重量，典型槽型樣式見圖1。此外，由于第四貨艙為輕貨艙且兼作風暴壓載艙，其前后兩道垂直槽型橫艙壁，在重壓載工況下，在風暴壓載艙一側(cè)，橫艙壁的槽型翼板的屈曲尤為惡劣。第四貨艙的兩道橫艙壁在窄翼板槽型的基礎(chǔ)上，在風暴壓載艙一側(cè)，其槽型翼板與腹板采用焊接式的組合槽型，見圖2。通過這種優(yōu)化設計，將有限元屈曲增加的板厚有針對性地全集中在槽型翼板上，既滿足了屈曲要求，又最大程度地把有限元帶來的結(jié)構(gòu)鋼料增加量控制在最小范圍內(nèi)，減小了原先槽型艙壁翼板、腹板連續(xù)帶來的負面影響。

圖1 槽型艙壁的典型槽型樣式(單位：mm)

NET—凈留邊；P.P.—深熔焊；TYP—典型。

2.3 貨艙內(nèi)底板結(jié)構(gòu)

本船橫艙壁的底墩(除管弄區(qū)域)為壓載水艙，并與雙層底聯(lián)通。根據(jù)這個布置特點，再結(jié)合CSR-H規(guī)范可知，本船貨物裝載范圍內(nèi)的貨艙內(nèi)底板凈厚度由抓斗工況決定，其腐蝕余量為5.5 mm，而底墩區(qū)域的貨艙內(nèi)底板凈厚度僅需滿足規(guī)范最小板厚要求，且其腐蝕余量為3 mm，因此本船在內(nèi)底板底墩區(qū)域增設了兩道橫向板縫，見圖3。結(jié)果表明，在滿足計算要求的情況下，底墩區(qū)域的內(nèi)底板板厚最大可減薄6 mm，共計減重約15 t。

圖3 貨艙內(nèi)底板典型結(jié)構(gòu)圖(局部)(單位：mm)

2.4 舷側(cè)結(jié)構(gòu)

經(jīng)計算，本船的舷側(cè)肋骨跨距相對較長，對舷側(cè)肋骨及舷側(cè)外板的結(jié)構(gòu)尺寸均產(chǎn)生了很大影響，舷側(cè)結(jié)構(gòu)的屈曲問題成了其結(jié)構(gòu)尺寸的主導因素。為了保證結(jié)構(gòu)設計合理性和結(jié)構(gòu)輕量化，根據(jù)規(guī)范第1部分第8章第5節(jié)的2.2.5的指導，本船通過在舷側(cè)外板上間隔設置2道傾斜45°的防傾肘板，增強舷側(cè)外板板格的抗屈曲能力，從而降低了舷側(cè)外板板厚，又兼顧了較小的舷側(cè)肋骨尺寸。據(jù)統(tǒng)計，舷側(cè)外板較不加防傾肘板時，平均減薄1.5 mm，減重約30 t。

2.5 船底砰擊區(qū)域的舭部結(jié)構(gòu)

根據(jù)CSR-H規(guī)范，艏垂線向后0.3(為船長)之前的船底平坦區(qū)域及從基線起500 mm高度范圍內(nèi)相連接的板和骨材屬于船底砰擊加強范圍。自CSR-H(2019版)開始，增加了砰擊區(qū)域的舭列板若為規(guī)則柱形(cylindrical)，則該區(qū)域的舭列板可按照圓弧形的舭列板計算公式進行計算。

根據(jù)這一規(guī)范內(nèi)容的修改，本船砰擊區(qū)域舭列板較82kBC-V2014該區(qū)域，外板平均減薄5 mm，且沒有任何外板縱骨。另外，為了減小船底砰擊對底邊艙船底板板厚的影響和滿足規(guī)范對舭列板凈厚度不小于毗鄰外板板厚的要求，本船通過插入1根外板縱骨BL.18a，將底邊艙船底外板板格寬度從750.0 mm降低到562.5 mm，使得該外板凈板厚較82kBC-V2014平均減小了3 mm。通過以上2種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，船底砰擊區(qū)域的舭部結(jié)構(gòu)減重約22 t，同時還減少了結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)。82kBC-V2014的舭部結(jié)構(gòu)設計見圖4，本船舭部結(jié)構(gòu)設計見圖5。

圖4 82kBC-V2014中體舭部和船底砰擊區(qū)域舭部結(jié)構(gòu)圖(局部)

圖5 82kBC-V2020中體舭部和船底砰擊區(qū)域舭部結(jié)構(gòu)圖(局部)(單位：mm)

2.6 機艙結(jié)構(gòu)和上建結(jié)構(gòu)

為了降低振動影響，本船在機艙、上建的結(jié)構(gòu)布置上統(tǒng)籌考慮、相互匹配，盡量做到結(jié)構(gòu)橫向、縱向強框架完整連續(xù)，結(jié)構(gòu)在垂向上過渡合理。為了更好地控制重量和降低建造難度，機艙下平臺以下外板骨材，充分利用外板線型特點，初始設置成縱骨架式，但有限元振動計算后發(fā)現(xiàn)，壓載工況下的主機H型6階振動情況較為惡劣。經(jīng)比較分析，認為是由于主機前后端的外板倒圓半徑比82kBC-V2014和同類型某散貨船相同位置都要小，且縱骨架式的外板結(jié)構(gòu)，導致該區(qū)域的橫向剛度弱。最終，本船通過將機艙下平臺以下的外板由縱骨架式變成橫骨架式，局部增加橫向強框的方式，提高該區(qū)域的整體橫向剛度后，將振動控制在合理的范圍內(nèi)，見圖6。

圖6 基于振動評估的機艙下平臺以下外板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

本船采用低風阻上建設計，較82kBC-V2014來說，寬度更窄、高度更矮、艙室布置更緊湊，在滿足規(guī)范要求的同時，努力控制結(jié)構(gòu)冗余量，最終整個上建較82kBC-V2014的上建，輕了約90 t。

3 其他方面優(yōu)化

3.1 雙層底肋板/縱桁的減輕孔布置

傳統(tǒng)的雙層底肋板/縱桁上的減輕孔布置，如將減輕孔放在靠近雙層底肋板或縱桁的一個板格內(nèi)，這樣可以節(jié)省1根開孔邊緣加強筋，但有限元計算結(jié)果表明，這種傳統(tǒng)布置會導致開孔周圍板格應力過大，局部板厚會有較大提高。本船以某貨艙雙層底肋板減輕孔為例，減輕孔的位置從傳統(tǒng)的靠近一側(cè)縱桁，移動到2根縱桁中間位置，其四周板格單元的應力值見表2。從表中可看出，按照這種減輕孔布置優(yōu)化方法，開孔區(qū)域結(jié)構(gòu)局部最大應力值減小約23.5%，有利于減少因減輕孔布置不合理而造成的有限元計算的板格插厚。

表2 減輕孔四周板格應力值 單位：MPa

3.2 主甲板優(yōu)化

通過將機艙尾部的各種甲板機械進行合理優(yōu)化、緊湊布置后，主甲板的多余面積被裁除，機艙尾部主甲板的輪廓線得到了優(yōu)化，達到減輕結(jié)構(gòu)重量的目的。

此外，在計算過程發(fā)現(xiàn)，隨著總縱彎矩值沿著船首方向逐步減小，第一貨艙主甲板靠近艏部區(qū)域的凈板厚，不再由船體梁強度主導，而是由板格長細比決定。因此，在由長細比決定的主甲板區(qū)域，將主甲板鋼級從AH36降低到AH32，其凈板厚也隨之減小了0.5 mm，減重約1.5 t。

4 結(jié)論

(1)本船根據(jù)結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化思路，最終在保證載貨量前提下，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)重量減少約6.3%，超預期完成既定減重目標，空船重量達到國際領(lǐng)先水平。

(2)在振動方面，機艙主機區(qū)域的橫骨架式外板比縱骨架式更有優(yōu)勢。

(3)雙層底肋板/縱桁上的減輕孔布置需要避開肋板和縱桁的相交區(qū)域，且盡量布置在板格中間位置。此外在雙層底縱桁上，應避免在橫艙壁底墩前后兩檔雙層底強框范圍內(nèi)開孔，這樣可以有效減少有限元插厚板。

(4)實船結(jié)果表明：這種深耕CSR-H規(guī)范各版本變化對結(jié)構(gòu)設計的影響，通過大量的方案對比、設計創(chuàng)新和計算迭代的結(jié)構(gòu)精細化設計，在結(jié)構(gòu)減重這一方面具有顯著效果。