11.5萬(wàn)dwt散貨船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

李小靈，徐淑琴

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 前 言

11.5 萬(wàn)dwt級(jí)Mini-Cape型散貨船是江南造船開發(fā)的介于傳統(tǒng)的Panamax和Cape-Size之間的中間尺度船型。該船型開發(fā)的目的是在船舶航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性和適港性之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，從而滿足一些新興航線的要求，開辟新的散貨船市場(chǎng)[1]。

由于在常規(guī)船型中，散貨船的裝載工況和需要考慮的設(shè)計(jì)工況最為惡劣，因此IACS（國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)）推出的CSR[2]（共同結(jié)構(gòu)規(guī)范）又提高了對(duì)散貨船結(jié)構(gòu)的要求。在保證強(qiáng)度的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)于成本控制和保證船型載重量指標(biāo)顯得至關(guān)重要。

該船的載重量指標(biāo)要求較高，在主尺度選定后，需要嚴(yán)格控制空船重量。在船體重量中，結(jié)構(gòu)重量占了很大的比重。要控制結(jié)構(gòu)的重量，同時(shí)又要保證船體具有足夠的強(qiáng)度來(lái)抵抗?fàn)I運(yùn)過(guò)程中的各種裝載工況和海況，必須進(jìn)行詳細(xì)周密的結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析，是實(shí)現(xiàn)船型指標(biāo)最優(yōu)化的有效途徑。

1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本船型主要參數(shù)如下：

總 長(zhǎng)：254.00m

垂線間長(zhǎng)：249.80m

型 寬：43.00m

型 深：20.80m

結(jié)構(gòu)吃水：14.50m

載 重 量：115000t

貨艙容積：137000m3

主機(jī)型號(hào)：W?rtsil? 6RT-flex58T-B

主機(jī)CMCR：13080kW

主機(jī)CSR：11772kW

發(fā) 電 機(jī)：3×720kW

服務(wù)航速：14.5kn

續(xù) 航 力：23000n mile

該船貨艙區(qū)橫剖面形式為典型的單舷側(cè)散貨船橫剖面，設(shè)雙層底、底邊艙和頂邊艙，除小甲板和上下邊艙之間的舷側(cè)為橫骨架式外，貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)形式均為縱骨架式。CSR中明確要求在整個(gè)貨艙區(qū)內(nèi)保持縱骨架式，由于該船在貨艙區(qū)艉部區(qū)域線型變化比較劇烈，采用縱骨架式設(shè)計(jì)有一定難度，各審核機(jī)構(gòu)對(duì)該點(diǎn)要求把握尺度不一。經(jīng)過(guò)對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)建造等多方征求意見，以及對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行分析，最終確定在整個(gè)貨艙區(qū)內(nèi)保持縱骨架式。

該船艏部線性為垂直艏，線性曲率較傳統(tǒng)球鼻艏要小，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的便利。但由于線型外飄較小，給錨系設(shè)備的布置帶來(lái)一些問題，需要給予額外的關(guān)注。

貨艙區(qū)的縱骨，上甲板選用扁鋼，給建造帶來(lái)了便利。對(duì)于其他區(qū)域的縱骨，則選用焊接制造的T型材。選用T型材可以根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求較為自由地選擇型材尺寸，充分利用材料的承載能力，減少結(jié)構(gòu)冗余。對(duì)于貨艙區(qū)縱骨貫穿孔的形式，在平行中體部分，盡量采用不需要補(bǔ)板的貫穿孔，采用縱骨拉入法進(jìn)行裝配和建造。

在機(jī)艙區(qū)域內(nèi)，由于水線以上線型較為平直，在二平臺(tái)以上的舷側(cè)外板及燃油艙的雙殼均采用縱骨架式，甲板和平臺(tái)也采用縱骨架式。二平臺(tái)以下的外板采用橫骨架式。在水線以下區(qū)域，由于線型變化較大，導(dǎo)致舷側(cè)肋骨在平臺(tái)和水平桁之間的跨距劇烈波動(dòng)，直接影響肋骨的尺寸。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)避免舷側(cè)肋骨高度差別過(guò)大，在某些區(qū)域內(nèi)，設(shè)置局部舷側(cè)桁材，為舷側(cè)肋骨提供支撐，減小跨距，使普通舷側(cè)肋骨高度比較接近。

艉部采用橫骨架式。因該船的舵為半平衡舵，伸進(jìn)船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部區(qū)域的掛舵臂是通過(guò)設(shè)置橫向?qū)嵗甙鍋?lái)保證轉(zhuǎn)舵，使載荷在舵與船體之間平穩(wěn)傳遞，避免不必要的結(jié)構(gòu)損壞。艉封板設(shè)垂直扶強(qiáng)材加強(qiáng)，艉封板外緣設(shè)直徑為40mm的圓鋼，與外板和艉封板焊接后打磨光滑。

2 規(guī)范計(jì)算校核

2.1 總縱強(qiáng)度校核

對(duì)船舶合理分艙布置優(yōu)化是重量控制的一個(gè)重要手段，其目標(biāo)是改善各裝載工況下的彎矩和剪力分布，使最大彎矩值降下來(lái)。同時(shí)，減少舯剖面模數(shù)也可為降低空船重量創(chuàng)造條件。IACS發(fā)布的CSR對(duì)于散貨船的設(shè)計(jì)彎矩和剪力提出了更高的要求，必須綜合考慮完整和破損狀況下的彎矩和剪力。

由于采用垂直艏部，該船結(jié)構(gòu)船長(zhǎng)較長(zhǎng)，貨艙區(qū)共有7個(gè)艙，致使總縱彎矩值上升。該船船寬B較大（43m）型深D較小（20.8m），型深與船寬比值為0.48，橫剖面屬于扁平型的。一般巴拿馬型散貨船該值為0.61左右，好望角型散貨船為0.55左右。這將導(dǎo)致船體橫剖面模數(shù)偏小，對(duì)總縱強(qiáng)度不利，更需要注意控制設(shè)計(jì)彎矩值。

根據(jù)CSR的要求，對(duì)該船各裝載工況進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在CSR要求的裝載工況中，完整狀況下最大中拱彎矩主要出現(xiàn)在CSR Ballast（所有壓載艙打滿出港）的工況，最大中垂彎矩出現(xiàn)在重壓載工況下，超過(guò)了30萬(wàn)t·m，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)重壓載工況下的中垂彎矩對(duì)于第4貨艙（兼做風(fēng)暴壓載艙）的艙容十分敏感，在等長(zhǎng)分艙方案下，會(huì)導(dǎo)致中垂彎矩大于中拱彎矩。通過(guò)調(diào)整各個(gè)貨艙的長(zhǎng)度，同時(shí)對(duì)于壓載水總量進(jìn)行控制，控制了該船型在完整工況下的設(shè)計(jì)彎矩值均在28萬(wàn)t·m以下。

設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)和其他類型散貨船[3]相比，舷側(cè)剪力較大。經(jīng)過(guò)分析，本船船長(zhǎng)250m，貨艙仍為7個(gè)，貨艙長(zhǎng)度大。在采用不等長(zhǎng)分艙方案后，某些貨艙長(zhǎng)度更大。該船設(shè)計(jì)目標(biāo)為BC-A 類散貨船，需滿足重貨間隔滿載的要求及相應(yīng)破損工況下的強(qiáng)度要求。在不增加分艙個(gè)數(shù)的情況下，單殼舷側(cè)剪力值偏大是不可避免的，剪力偏大只是一個(gè)局部強(qiáng)度問題，是次要矛盾，只要對(duì)橫艙壁附近的舷側(cè)單殼區(qū)域板加厚即可。而總縱彎矩值較大則是一個(gè)主要矛盾，較大的設(shè)計(jì)彎矩會(huì)引起舯剖面模數(shù)的增加，從而導(dǎo)致空船重量明顯上升。從控制空船重量的角度出發(fā)，綜合各方面因素進(jìn)行權(quán)衡，最終確定了分艙方案。

2.2 局部強(qiáng)度校核

根據(jù)總布置設(shè)計(jì)方案確定了構(gòu)件布置后，可進(jìn)一步完善各部位的結(jié)構(gòu)件尺寸。雖然散貨船的規(guī)范已經(jīng)統(tǒng)一，但考慮到不同船級(jí)社的理解和執(zhí)行情況的差異，選用多家船級(jí)結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算軟件進(jìn)行構(gòu)件尺寸計(jì)算、比較和優(yōu)化，同時(shí)也評(píng)估CSR對(duì)于散貨船結(jié)構(gòu)的影響。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸選擇時(shí)，既要滿足總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度的要求，又要使橫剖面面積達(dá)最小，且使甲板邊線處和底部處的合成應(yīng)力均盡可能大地接近許用應(yīng)力，使材料得到充分利用。首先根據(jù)規(guī)范要求，初步確定結(jié)構(gòu)件尺寸，以滿足要求的構(gòu)件最小尺寸入選，去除不必要的結(jié)構(gòu)冗余，然后綜合平衡中橫剖面縱向構(gòu)件的尺寸，反復(fù)修改與優(yōu)化，最后達(dá)到最佳選擇。

目前各船級(jí)社均推出了基于 CSR的規(guī)范校核計(jì)算軟件，由于對(duì)規(guī)范理解的差異，計(jì)算結(jié)果還是有一定的偏差。本項(xiàng)目選用BV（法國(guó)船級(jí)社）、LR（勞氏船級(jí)社）、CCS（中國(guó)船級(jí)社）、DNV（挪威船級(jí)社）等多家船級(jí)社的軟件建立規(guī)范計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算校核。

CSR規(guī)范構(gòu)件尺寸計(jì)算的一個(gè)顯著特點(diǎn)是新的腐蝕余量計(jì)算方法，統(tǒng)一增加 0.5mm的腐蝕儲(chǔ)備，貨艙區(qū)內(nèi)單邊腐蝕余量也有明顯增加，導(dǎo)致了構(gòu)件尺寸的增大。對(duì)于不同的計(jì)算項(xiàng)目，折減的厚度也不同。如局部強(qiáng)度和疲勞計(jì)算，前者扣掉整個(gè)腐蝕余量和額外增加厚度，后者扣掉1/2腐蝕余量和額外增加厚度。

對(duì)于結(jié)構(gòu)疲勞，CSR要求疲勞壽命為 25a，并且設(shè)計(jì)環(huán)境為北大西洋海況，這大大高于此前船級(jí)社一般性的20a疲勞壽命，設(shè)計(jì)要求也低于北大西洋波浪圖譜。經(jīng)過(guò)計(jì)算和對(duì)比，對(duì)稱剖面的型材具有更好的抗疲勞性能，故貨艙區(qū)內(nèi)縱向構(gòu)件大多為對(duì)稱剖面的T型材或者是扁鋼，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)貨艙中間區(qū)域大部分縱骨均仍要增設(shè)抗疲勞肘板或增設(shè)軟趾。中橫剖面設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

圖1 中橫剖面圖

3 船體梁極限強(qiáng)度研究

船體梁強(qiáng)度要求決定了船體的總縱屈服強(qiáng)度，IACS的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求（URs）已經(jīng)給出了比較全面的描述。但是URs中，進(jìn)行船體梁強(qiáng)度校核時(shí)，使用的是建造尺寸，這與CSR所提倡的凈厚度理論有所區(qū)別。若采用凈厚度進(jìn)行船體梁強(qiáng)度校核，則會(huì)導(dǎo)致船體梁剖面模數(shù)大幅增加。基于在實(shí)際營(yíng)運(yùn)中，大型的結(jié)構(gòu)件的腐蝕并不是均布的，因此在進(jìn)行船體梁總縱強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，采用扣除名義腐蝕余量的方法，即CSR要求進(jìn)行船體梁總縱強(qiáng)度校核時(shí)，需扣掉0.5倍的tc。

船體梁的極限強(qiáng)度是考驗(yàn)船舶生命能力的一個(gè)重要參數(shù)，CSR正式提出對(duì)船長(zhǎng)大于150m的散貨船要求進(jìn)行船體梁極限強(qiáng)度計(jì)算校核，以保證整個(gè)船體梁有足夠的強(qiáng)度來(lái)抵抗海上可能出現(xiàn)的惡劣工況。并在Ch.5 App.1中給出了簡(jiǎn)化計(jì)算方法，即非線性迭代法。

進(jìn)行船體梁極限強(qiáng)度校核，需要考慮在完整和破損狀況下的中拱和中垂彎矩，船體梁的剪切載荷忽略不計(jì)。CSR要求船體梁滿足如下要求：

式中：MSW——船體梁在中垂和中拱工況下設(shè)計(jì)靜水彎矩；

MW——波浪彎矩；

MU——船體梁極限彎矩能力；

γW——船體梁波浪彎矩安全因子；

γR——船體梁極限彎矩安全因子。

圖2 船體梁極限強(qiáng)度

船體梁極限強(qiáng)度要求的實(shí)施使得對(duì)于船體梁剖面模數(shù)的要求進(jìn)一步提高。為滿足這一要求均需額外增加構(gòu)件尺寸。

大部分船級(jí)社規(guī)范計(jì)算軟件中都包含了該項(xiàng)計(jì)算。使用該軟件進(jìn)行了船體梁極限強(qiáng)度校核，并對(duì)船體梁在航行、破損以及港口三種狀態(tài)下的中垂和中拱的極限彎矩承受能力進(jìn)行考核。經(jīng)過(guò)分析，對(duì)相應(yīng)的構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，使得船體梁橫剖面滿足該項(xiàng)要求。

該船型在滿足常規(guī)的總縱強(qiáng)度要求之后，略微增加構(gòu)件尺寸即可滿足船體梁極限強(qiáng)度要求。

4 有限元結(jié)構(gòu)分析

散貨船裝載工況復(fù)雜，船體構(gòu)件受力分布多樣，僅僅依靠規(guī)范校核難以設(shè)計(jì)出合理的船體結(jié)構(gòu)，必須采用更全面的計(jì)算分析手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，有限元方法提供了這一問題的解決方案。為結(jié)構(gòu)縱向構(gòu)件采用直接計(jì)算法設(shè)計(jì)提供了一條途徑，特別是對(duì)總縱強(qiáng)度中橫向構(gòu)件有了量化的分析與評(píng)估，彌補(bǔ)按規(guī)范設(shè)計(jì)帶來(lái)的不足。更重要的是，在無(wú)規(guī)范可直接應(yīng)用的情況下，它可以對(duì)超出規(guī)范設(shè)計(jì)的大型及新型的船舶結(jié)構(gòu)給出正確的強(qiáng)度評(píng)估，此方法已成為當(dāng)今船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向和有效手段。

對(duì)于船長(zhǎng)大于150m的散貨船，CSR明確要求對(duì)于貨艙區(qū)的主要支撐構(gòu)件必須通過(guò)有限元計(jì)算分析來(lái)確定其構(gòu)件尺寸，并滿足要求。為此，在完成了規(guī)范校核計(jì)算工作后，合理配置結(jié)構(gòu)鋼材，控制船體結(jié)構(gòu)重量，對(duì)貨艙段的結(jié)構(gòu)采用三維有限元方法進(jìn)行計(jì)算分析，按各具體部位強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果確定構(gòu)件尺寸。由于CSR要求的計(jì)算工況比較多，整個(gè)建模、計(jì)算和分析的工作量很大，這部分計(jì)算可選用船級(jí)社專用船體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算軟件來(lái)完成。

CSR要求建立完整的3艙段模型，考察中間艙計(jì)算結(jié)果，應(yīng)用于同類貨艙。一般來(lái)說(shuō)，BC-A類散貨船貨艙分為重壓載艙、重貨艙、輕貨艙3類，每個(gè)艙的構(gòu)件尺寸不同，結(jié)構(gòu)形式也略有差別，為此，需要建立3個(gè)3艙段模型進(jìn)行計(jì)算分析。由于每個(gè)貨艙長(zhǎng)度并非一樣，結(jié)合專用船體結(jié)構(gòu)分析軟件及該船的實(shí)際特點(diǎn)，決定建立一個(gè)5艙段模型，即 3～7艙的模型，其中第4、5、6貨艙為考察對(duì)象，對(duì)該3個(gè)貨艙區(qū)域類的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。計(jì)算時(shí)，分別選取3～5艙，4～6艙，5～7艙的模型進(jìn)行計(jì)算分析，這樣既節(jié)省了建模和加載的時(shí)間，又保證了計(jì)算分析的需要。所建立的5艙段模型如圖3所示。

圖3 有限元艙段模型

根據(jù)有限元的分析結(jié)果及構(gòu)件的實(shí)際受力情況，最終確定構(gòu)件尺寸。在粗網(wǎng)格的艙段模型分析基礎(chǔ)上，對(duì)一些高應(yīng)力區(qū)還進(jìn)行了子模型細(xì)網(wǎng)格有限元分析，并采取相應(yīng)的措施來(lái)降低應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)鋼材的分布也更加合理。計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 典型工況應(yīng)力分布圖

圖5 細(xì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析

5 針對(duì)CSR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化

針對(duì) CSR中一些新的要求可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量明顯增加，根據(jù)之前開發(fā)CSR船型的經(jīng)驗(yàn)，展開了一些有針對(duì)性的優(yōu)化工作。

圖6 底邊艙P(yáng)MA設(shè)計(jì)

對(duì)于貨艙區(qū)的舷側(cè)肋骨，精確地計(jì)算每個(gè)艙的尺寸，減少不必要的結(jié)構(gòu)冗余，CSR中對(duì)頂邊艙和底邊艙內(nèi)支撐大肋骨上下端的肘板也是有要求的，見圖 6。一是與肘板相連的縱骨凈剖面模數(shù)和外板與上/下邊艙斜板交點(diǎn)距離的乘積要大于一定數(shù)值，該值與肋骨承受載荷、跨距和橫向強(qiáng)構(gòu)件間距有關(guān)。某些情況下支撐肘板需要往外延伸一檔才能滿足要求，這樣會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量顯著上升，應(yīng)在開發(fā)前期對(duì)該情況予以考慮，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整縱骨間距和增加縱骨尺寸就可以避免支撐肘板加大一檔，節(jié)省了鋼材。

對(duì)肋骨兩端支撐肘板的另一要求是其與支撐縱骨之間的焊接面積需要滿足一定要求，可以通過(guò)增加肘板厚度、與縱骨焊接高度和提高肘板鋼材等級(jí)的方法來(lái)滿足CSR的要求，通過(guò)對(duì)以上3種途徑的對(duì)比分析，找出一種鋼材增加最少的適合該船設(shè)計(jì)方案。

在開發(fā)初期，對(duì)于PMA[4]（永久性檢驗(yàn)通道）也給予了足夠的考慮，從成本、建造效率和質(zhì)量上考慮，特別是對(duì)于需要滿足PSPC（涂層性能標(biāo)準(zhǔn)）的船，在壓載艙里面鋪設(shè)梯道和欄桿所需的焊接工作會(huì)導(dǎo)致大量的涂層損壞，給后期涂裝工作帶來(lái)困難。對(duì)于壓載艙來(lái)說(shuō)，將PMA盡量和結(jié)構(gòu)融合在一起是一種比較好的設(shè)計(jì)理念。通過(guò)準(zhǔn)確了解、把握PMA的具體要求，結(jié)合本船結(jié)構(gòu)布置的特點(diǎn)，對(duì)永久性檢驗(yàn)通道給予了足夠的考慮，大部分永久性檢驗(yàn)通道由結(jié)構(gòu)件來(lái)充當(dāng)，難以用結(jié)構(gòu)件充當(dāng)?shù)牡胤剑渤浞挚紤]了舾裝件布置的空間和施工需求，為后期工作打下了良好的基礎(chǔ)。

6 結(jié) 語(yǔ)

該船是在散貨船CSR生效實(shí)施后，江南造船集團(tuán)公司全新設(shè)計(jì)的第一艘滿足該規(guī)范的散貨船。基于此前開發(fā)和設(shè)計(jì)滿足CSR散貨船的經(jīng)驗(yàn)，從多個(gè)方面綜合考慮設(shè)計(jì)方案和一些細(xì)節(jié)問題，在實(shí)際建造的方便、快捷方面也給予了足夠的考慮，因而使主船體鋼結(jié)構(gòu)重量在可控范圍之內(nèi)。為今后開發(fā)、設(shè)計(jì)同類散貨船積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 李小靈，陳 兵，朱麗萍，趙善能.11.5萬(wàn)dwt 級(jí)散貨船總體設(shè)計(jì)方案研究[J].江南艦船技術(shù)，2007, (6).

[2] International Association of Class Society.Common Structure Rules for Bulk Carrier[S].July 2008.

[3] 盧 華.基于共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的好望角型散貨船設(shè)計(jì)[J].上海造船，2008, (3): 1-4.

[4] IMO Convention.Access to and within spaces in and forward of the cargo area of oil tankers and bulk carriers[S].SOLAS Ch.II-1.Reg.3-6.