VLCC直立艏結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

，，

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

近年來，船舶艏部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的發(fā)展變化，越來越多的低速肥大型運(yùn)輸船艏部采用直立艏線型設(shè)計(jì)。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(jìn)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(jī)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(jì)應(yīng)用于VLCC船型，結(jié)合線型優(yōu)化等多種手段，完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)并順利交船，該系列船目前運(yùn)行良好[2]。為此，總結(jié)VICC直立艏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題如下。

1 直立艏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題

1.1 總縱強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度計(jì)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(jì)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(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響統(tǒng)計(jì)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(jì)參數(shù)的影響

1.2 艏部波浪沖擊載荷

HCSR認(rèn)為，對于散貨船和油船等艏部較為飽滿的船型，當(dāng)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(jì)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(jì)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(qiáng)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(jì)算圖4所示2種線型對應(yīng)的沖擊載荷。縱向計(jì)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(jì)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(jì)的方法

為解決直立艏線型特點(diǎn)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(jì)優(yōu)化方法以減小其負(fù)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(qiáng)度計(jì)算相關(guān)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)

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(qiáng)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(dāng)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(jì)算

準(zhǔn)確計(jì)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(jì)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(jì)算不同位置的載荷，計(jì)算工作量非常大，而且容易出錯。為此，總結(jié)一套計(jì)算規(guī)范要求加強(qiáng)區(qū)域所有位置沖擊載荷的計(jì)算方法，通過采集艏部線型型值計(jì)算出橫剖線切向角γWL和水線切向角αWL，從而快速準(zhǔn)確計(jì)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(diǎn)的相對坐標(biāo)計(jì)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(diǎn)的相對坐標(biāo)計(jì)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(jì)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(qiáng)區(qū)域的沖擊載荷后，可生成沖擊載荷云圖，便于高效準(zhǔn)確地對外板構(gòu)件尺寸進(jìn)行分組。對于云圖顯示載荷較大的區(qū)域，進(jìn)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(qiáng)度的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(qiáng)肋骨提供支撐。隨著往艏外板線型的變化，強(qiáng)肋骨如仍按一定的肋位間距布置，展開的強(qiáng)框間距會不斷變大，同時強(qiáng)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(qiáng)肋骨通常配合甲板構(gòu)件設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度鋼對減小沖擊區(qū)域的船底板厚度十分有效。適當(dāng)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(qiáng)區(qū)域的舷側(cè)縱骨，針對沖擊加強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度鋼對減小沖擊加強(qiáng)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(fù)面影響。結(jié)構(gòu)水線以上的線型適當(dāng)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(jì)算出橫剖線切向角γWL和水線切向角αWL，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算所有加強(qiáng)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(qiáng)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(shí)船統(tǒng)計(jì)結(jié)果，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。