21000dwt多用途貨船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王 國 水

（708研究所，上海 200129）

0 引 言

如今，船舶設(shè)計理念已經(jīng)從過去的“船舶性能和經(jīng)濟性的均衡”發(fā)展到現(xiàn)在的“性能、環(huán)保以及經(jīng)濟性的均衡”，隨著綠色低碳理念逐漸得到共識，節(jié)能環(huán)保成為新船型開發(fā)的熱點方向[1]。要在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中體現(xiàn)綠色低碳環(huán)保理念，主要還是減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省材料，達(dá)到省工、省時、綠色、安全以及環(huán)保的需求。此外，改善工作環(huán)境，減小船舶振動、減少焊接量，減輕勞動強度也是重要指標(biāo)。

本文以21000dwt多用途貨船為例，闡述了以船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)能降耗以及安全、環(huán)保為主題的設(shè)計方法。

1 船舶概況

21000dwt多用途貨船是為上海遠(yuǎn)洋運輸公司設(shè)計建造的，該船為單機單槳艉機型并設(shè)有兩層連續(xù)甲板、艏樓及艉樓。艏部設(shè)有球艏，艉部為方艉，裝有前置補償導(dǎo)管節(jié)能裝置。

該船主要參數(shù)如下：

總長oaL ： 174m

型寬B： 25.8m

型深D： 14.2m

滿載吃水d： 9.5m

該船No.2～No.4 3個貨艙上下甲板都是雙排艙口，每排艙口的寬度按3列標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的寬度設(shè)計，且在每根箱形梁下設(shè)有2根支柱以承受載荷和減小箱形梁跨距，而NO.1貨艙因船寬在此逐漸減小，僅設(shè)單艙口，其寬度可容納4列標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。構(gòu)件設(shè)計滿足如下負(fù)荷：

1) 設(shè)計均布負(fù)荷：貨艙底18t/m2，二甲板3.75t/m2，上甲板2t/m2；

2) 設(shè)計集裝箱負(fù)荷為：貨艙底裝載20ft和40ft集裝箱的點負(fù)荷分別為120t和152.5t。上甲板裝載20ft和40ft集裝箱的點負(fù)荷分別為45t和60t。

該船總縱強度除滿足CCS規(guī)范要求外還承諾船東的要求留有3%的裕度。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)強度

為保證關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度，避免因結(jié)構(gòu)強度不足造成的破損，該船在設(shè)計過程中采取如下措施：

1) 該船貨艙內(nèi)需裝載5層集裝箱，因此貨艙雙層底集裝箱角隅處，按5層集裝箱滿負(fù)荷計算，在20ft集裝箱角隅處，四角集中，集中載荷包括動載荷最大超過130t。通過加強桁材進(jìn)行力的傳遞，最后由雙層底縱桁承受。由于雙層底縱桁是承受總縱彎曲強度的主要構(gòu)件之一，本身已承受很大的總縱彎曲應(yīng)力，即規(guī)范上的最大總縱彎曲許用應(yīng)力175N/mm2，再加上集裝箱集中載荷在縱桁中產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，與總縱彎曲應(yīng)力合成后，就有可能達(dá)到甚至超過鋼板的屈服極限，從而使船體結(jié)構(gòu)遭到破壞。為此對支撐集裝箱集中載荷的底縱桁作了仔細(xì)的合成應(yīng)力校核后，在原來設(shè)計板厚14mm的基礎(chǔ)上又增加了9mm的板厚，達(dá)到23mm，使受力段的合成應(yīng)力降低到材料屈服極限之內(nèi)，其合成彎曲應(yīng)力為158N/mm2。

2) 針對來自艙蓋的集中力對上甲板貨艙艙口圍板和二甲板艙蓋擱架作了詳細(xì)計算并進(jìn)行針對性加強，避免船舶在艙蓋操作時的運動阻力增加而發(fā)生故障。在非關(guān)鍵部位，則盡量減小構(gòu)件尺寸，減少重量。此外，進(jìn)口船舶艙蓋折疊鉸鏈曾出現(xiàn)扭壞事故，為此，對折疊鉸鏈下結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強，見圖1。

3) 根據(jù)艙段有限元計算結(jié)果，見圖2，外板若按應(yīng)力分布設(shè)計，將用到許多板厚規(guī)格，板縫較密集，如果按計算結(jié)果取板厚，會使焊接工作量大大增加。經(jīng)分析，在拉大板縫盡量統(tǒng)一板厚規(guī)格的同時，采用精確到0.5mm規(guī)格的板，比如原來取厚度20mm的，現(xiàn)在取厚度19.5mm，可減輕結(jié)構(gòu)重量。

圖1 折疊鉸鏈下加強

圖2 艙段有限元計算結(jié)果

4) 該船型帶有貨艙懸臂梁結(jié)構(gòu)，以美觀、和諧、高強度和節(jié)材相統(tǒng)一的設(shè)計構(gòu)思，先利用計算機作整體規(guī)劃，通過對多種方案論證，取其最佳方案后進(jìn)行具體構(gòu)件設(shè)計，以取得結(jié)構(gòu)外形美和內(nèi)在美的良好效果。

上層建筑甲板室的結(jié)構(gòu)設(shè)計和機艙構(gòu)架對齊，機艙強肋骨配置參考甲板室橫向圍壁布置，并且最多不超過4檔肋距，其次上層建筑甲板室的縱向圍壁也直接與機艙縱桁及支柱對齊，因而上下強構(gòu)件三維空間對齊，這種高度的構(gòu)件連續(xù)性為減少甲板室振動起了十分重要的作用。為減少船舶振動，羅經(jīng)甲板上的雷達(dá)桅設(shè)計和駕駛甲板艙室布置與結(jié)構(gòu)的加強密切配合。

2.2 合理用料，節(jié)約鋼材

通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，減少用料，進(jìn)行下述幾方面的優(yōu)化：

1) 在第一貨艙雙層底結(jié)構(gòu)之間采用每根長1.5m的一系列短支柱連接，大幅度減小內(nèi)底板板架跨度，從而減少了橫向強構(gòu)件計19.5t，增加重量僅1.5t，實際節(jié)約鋼材18t，降低了用料成本，見圖3。

2) 機艙內(nèi)普通肋骨采用統(tǒng)一的、較小的球扁鋼，其端部連接采用肋骨上下貫通工藝，取消平臺甲板上肋骨肘板，既增加了平臺甲板上的有效使用面積，又節(jié)約了鋼材3.5t。

3) 該船主機為 7缸機，橫向不平衡力和不平衡力矩較小，因此主機不設(shè)橫撐和支柱，這樣節(jié)約鋼材7t。

4) 按船東要求，上層建筑甲板在規(guī)范計算基礎(chǔ)上，再增加1mm板厚，經(jīng)協(xié)商，在封閉區(qū)域的甲板板厚不增加。就此減少結(jié)構(gòu)重量10t。此外，設(shè)置整體構(gòu)造的衛(wèi)生單元30多只，省卻了周圍的封閉鋼圍壁，又減少了12t結(jié)構(gòu)重量。

2.3 便于施工與安裝

優(yōu)化船艏艉部的結(jié)構(gòu)和貨艙風(fēng)管的布置：

1) 該船艏部結(jié)構(gòu)帶有鑄鋼艏柱和鋼板球艏，由于艏吃水淺，進(jìn)水角度小，艏尖艙較狹隘，給艏柱的焊接施工帶來不便。采用了水平厚肘板和艏柱相連，使焊工的手臂和焊槍能夠伸至狹窄空間進(jìn)行焊接操作。另外采用半寬800mm艏包板，使垂直外板板縫避開近艏柱的狹窄尖角處，可方便地進(jìn)行封底焊[2]，見圖4。

2) 艉部結(jié)構(gòu)同樣有施工狹窄區(qū)，例如處于下平臺位置的甲板與外板交角極小，根本不能進(jìn)行雙面焊。若采用單面焊，因該區(qū)域振動很大，焊縫在船舶運行過程中很易撕裂。所以將下平臺設(shè)計成折角形，使與外板相接的平臺板能兩面施焊，不僅使施工順利進(jìn)行，而且保證了質(zhì)量，見圖5。

圖3 第一貨艙雙層底縱剖面圖

圖4 平板型艏柱結(jié)構(gòu)

圖5 艉部平臺在船側(cè)處折角示意

3) 對于采用機械通風(fēng)的貨艙風(fēng)管，往往靠近艙壁，從干舷甲板一直向下延伸到接近內(nèi)底板，而管弄風(fēng)管則一直到與內(nèi)底板接攏。該船設(shè)計中，大量的貨艙風(fēng)管均由結(jié)構(gòu)專業(yè)完成，直接安裝在船體分段結(jié)構(gòu)中，減少了大量的空間操作和機艙中密集施工的麻煩。

3 結(jié) 語

在該船整個設(shè)計過程中，始終圍繞滿足結(jié)構(gòu)強度、減輕結(jié)構(gòu)重量、減少船舶振動而展開，具體歸納為：

1) 在低應(yīng)力區(qū)盡量減少鋼材用量[3]；

2) 對應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行細(xì)致設(shè)計[3]；

3) 在必要的區(qū)域進(jìn)行局部加強[3]。

粗略估算共減少結(jié)構(gòu)重量約70t，約占全船結(jié)構(gòu)重量的1.2%， 實船建造和營運證明，該船滿足了結(jié)構(gòu)強度要求，船舶振動以及船舶各項性能指標(biāo)良好。

[1] 趙耕賢. 未來十年船型優(yōu)化發(fā)展與自主創(chuàng)新[R]. 2010年上海造船工程學(xué)會年會報告，2010.

[2] 周方明，陶永宏. 國外艦船先進(jìn)制造技術(shù)—現(xiàn)代焊接技術(shù)[J]. 中外船舶科技，2008.3.

[3] 張樂山. 綠色船舶帶來的挑戰(zhàn)與機遇[R]. 2010年上海世博會中國船舶科技論壇，2010.