李　博韓　斌

（1.上海交通大學(xué)，上海200030；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

船舶結(jié)構(gòu)

81 600 DWT散貨船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

李博1韓斌2

（1.上海交通大學(xué)，上海200030；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

81 600 DWT散貨船是在82 000 DWT散貨船基礎(chǔ)上開發(fā)的新一代卡姆薩船型。通過梁系計(jì)算、有限元等手段并結(jié)合造船實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對原結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了分析計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)更安全，更經(jīng)濟(jì)，更優(yōu)化，重量更輕。確保在激烈的市場競爭中，保持領(lǐng)先地位。

散貨船；梁系計(jì)算；有限元分析

0　前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和船東對運(yùn)力需求的增長，世界航運(yùn)市場呈現(xiàn)了上升的趨勢，其中散貨船市場在逐步回暖。新規(guī)范、綠色造船理念和激烈的市場競爭對船舶設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在這種情形下，船院推出了節(jié)能環(huán)保型81 600 DWT散貨船。該船在前兩代的基礎(chǔ)上，主要針對線型、主機(jī)、螺旋槳、總體布置和節(jié)能裝置等各方面進(jìn)行大量的研究優(yōu)化，僅油耗就由原來的32.1 t/d降低到26.8 t/d。相應(yīng)地，該船總體性能的提高也對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。船體結(jié)構(gòu)通過梁系計(jì)算和有限元分析等方法，對貨艙關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化，對部分設(shè)備加強(qiáng)和典型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，精確的控制空船重量，為總體設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供保障。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1主尺度

該船的設(shè)計(jì)依托船型是船院設(shè)計(jì)的82 000 DWT散貨船，新船型滿足國際造船新規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)，如散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范（CSR）、壓載水管理公約（BMW）、涂層新標(biāo)準(zhǔn) （PSPC）、新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）等。貨艙可裝谷物、煤、鐵礦石等散貨，航行于國際無限航區(qū)。

該船的主尺度和參數(shù)如下：

1.2結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

1）分艙優(yōu)化。分艙對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要，優(yōu)化必須先從貨艙布置入手。貨艙的艙容分布，對于全船的靜水彎矩和剪力有直接的影響。根據(jù)對各裝載工況下彎矩和剪力的分布的分析，通過調(diào)整艙長和壓載水總量，降低最大彎矩值，從而達(dá)到減少舯橫剖面剖面模數(shù)的目的。該船共有7個貨艙，其中第4貨艙兼做壓載水艙。由于船長較長，該船的彎矩和剪力值都較大。經(jīng)過對比各個裝載工況的彎矩和剪力，發(fā)現(xiàn)第4貨艙的長度對于最大彎矩的影響最敏感。減小第4貨艙長度，使其艙容約為其他貨艙的90%，彎矩和剪力均得到了降低。理想的彎矩值和剪力使得原貨艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所富裕，因此將貨艙區(qū)上甲板厚度減少1 mm，部分外板厚度也略有減少，累計(jì)減輕重量33 t。

2）尾部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。原母型船的尾部線型比較肥大，導(dǎo)致船舶在航行中阻力過大、尾流不均勻、風(fēng)浪中失速過大等問題。為了使該船更綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，總體優(yōu)化了尾部的線型。水線面以下的線型比較瘦，水線面以上甲板外飄類似于集裝箱船。線型的優(yōu)化減小了阻力，提高了航速，但線型的劇烈變化給機(jī)艙結(jié)構(gòu)布置帶來了困難。首先該船采用的是六缸機(jī)，設(shè)備尺寸大于母型船的五缸機(jī)；其次在相對狹小的空間內(nèi)既要滿足輪機(jī)專業(yè)功能性的設(shè)備布置，又要符合規(guī)范對逃生通道及設(shè)備檢修的要求；最后機(jī)艙區(qū)域線型變化復(fù)雜，結(jié)構(gòu)“死角”區(qū)域增多，加大了船廠的施工難度。經(jīng)綜合考慮，機(jī)艙結(jié)構(gòu)最后采用縱、橫骨架相結(jié)合的形式，因?yàn)榭v骨架式的施工難度很大，底部區(qū)域采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，既增加了結(jié)構(gòu)牢固性，也方便了船廠的分段制造。雖然橫骨架式會偏重一些，但通過外板縱桁的設(shè)置來減小肋骨的跨距從而降低腹板高度，也能減小重量方面的不利影響。另外經(jīng)過局部強(qiáng)度計(jì)算，部分肋位的橫向骨材用球扁鋼代替了原來的T型材，減輕重量約10 t。

3）首部設(shè)計(jì)優(yōu)化。首部采用垂直首，也就是短球鼻的型式，減少了球鼻區(qū)域的重量。但是由于球鼻的減小，首部錨的布置難度提高，為了保證拋錨的安全性，錨臺尺寸增大，外板上相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)區(qū)域也要增大。由于整個首部比母型船肥大，首部采用了縱骨架式來降低結(jié)構(gòu)重量，縱骨架式還可以使舯部的外板縱骨在首部得充分的延伸，形式更安全、更合理，減少了外板縱向結(jié)構(gòu)的突變，在一定程度上有利于船的總強(qiáng)度。

2　屈服與屈曲應(yīng)力分析

根據(jù)CSR規(guī)范要求，散貨船貨艙段要求采用有限元整體分析，用于評估結(jié)構(gòu)主要支撐構(gòu)件的強(qiáng)度。

根據(jù)各個裝載工況的結(jié)果比較，船底外板（重貨艙為多港工況決定，輕貨艙為隔艙裝載決定）由于中拱狀態(tài)的影響，受到很大的壓力，屈服強(qiáng)度問題不大，但貨艙中部大部分板格失穩(wěn)，采用換鋼材等級、增加板厚或者增設(shè)橫向屈曲筋來提高船底外板板格的穩(wěn)性，見圖1。由于屈曲強(qiáng)度的影響，船底外板的厚度由貨艙中部向前后兩端呈現(xiàn)遞減的趨勢。

圖1　船底外板

雙層底縱桁在靠近艙壁的位置由于剪切應(yīng)力過大，屈服和屈曲都無法滿足要求。屈服強(qiáng)度位于艙壁附近問題較為惡劣，主導(dǎo)工況重壓載艙為重壓載工況，輕貨艙和重貨艙為隔艙裝載工況，通常屈服強(qiáng)度能通過增加板厚或提高鋼級來解決，但由于艙壁附近剪切應(yīng)力非常大，僅提高局部板厚無法有效的解決此問題。我們在橫艙壁底墩下方增加短縱桁，通過增大垂向的剪切面積，來減少此處板厚的增量。屈曲強(qiáng)度重貨艙和輕貨艙都在最靠近舷側(cè)的縱桁上有問題，主導(dǎo)工況重貨艙為多港裝載，輕貨艙為隔艙裝。由于此處的縱桁除了貨物載荷以外還要承受底邊艙斜板傳遞的載荷，故導(dǎo)致縱桁在貨艙中部位置的部分板格失穩(wěn)，需要增加板厚來滿足屈曲要求，見圖2。

圖2　雙層底縱桁

雙層底肋板在滿載裝重貨的情況下，由于貨物載荷與海水載荷的共同作用，雙層底肋板靠近兩側(cè)端部的剪力水平最高。貨艙中部的雙層底實(shí)肋板受到較大的剪力，屈服強(qiáng)度不滿足要求，板厚變化趨勢為由舷側(cè)向船中逐步減少，見圖3。另外雙層底實(shí)肋板在類似的工況下，靠近舷側(cè)的板格也是由于剪力原因造成屈曲強(qiáng)度不夠，需要適當(dāng)增加板厚。

圖3　雙層底實(shí)肋板

3　艙口圍加強(qiáng)

原船運(yùn)營期間，發(fā)現(xiàn)艙口圍區(qū)域部分肘板扭曲變形，主甲板與骨材之間脫焊，支撐板端部開裂等問題。散貨船的艙口較小，且艙口圍模數(shù)不參于總強(qiáng)度計(jì)算，故總彎矩對艙口圍結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)該不是主導(dǎo)因素。局部結(jié)構(gòu)的破壞更有可能是應(yīng)力集中和焊接質(zhì)量差造成的。

針對此問題，建立了有限元模型對艙口圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估。艙口蓋載荷通過X、Y方向的止動塊和Z向的墊塊傳遞給艙口圍結(jié)構(gòu)。該船F(xiàn)Z為995 kN，F(xiàn)X和FY都在1 200 kN左右。有限元模型和結(jié)構(gòu)變形量參見圖4。

圖4　艙口圍模型

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，載荷FX和FZ造成的彎矩是導(dǎo)致主甲板局部變形的主要因素，F(xiàn)Z還造成艙口圍頂板應(yīng)力過高。經(jīng)過分析研究，設(shè)備廠家止動塊和墊塊設(shè)計(jì)載荷過高，是問題的主要原因。顯然廠家的載荷無法減少，但止動塊的設(shè)計(jì)位置并沒有放在結(jié)構(gòu)強(qiáng)構(gòu)件上，使得作用力無法得到有效的支撐。通過與廠家協(xié)調(diào)，要廠家把Y方向止動塊挪到橫向艙口圍強(qiáng)結(jié)構(gòu)上，這讓Y向力得到了更好的傳遞，又省去了額外的加強(qiáng)，僅加強(qiáng)結(jié)構(gòu)節(jié)省了20 t。

4　船首底部砰擊

船舶在航行過程中受到波浪的影響，船首會經(jīng)歷從出水到再入水的反復(fù)過程。當(dāng)船首出水時，空氣會介入船體同水面的接觸中，在相互的作用下船體受到較大的瞬時載荷，這就是砰擊現(xiàn)象。船首底部容易受到砰擊的影響，嚴(yán)重的砰擊會引起船體的高頻振動，一方面局部區(qū)域受到巨大的沖擊力，會造成構(gòu)件的損壞，另一方面劇烈的振動可能會給船體帶來額外的動力彎矩，當(dāng)此彎矩同波浪彎矩迭加時，容易對船的總縱強(qiáng)度造成損失。

該船采用梁系對船首底部區(qū)域的砰擊問題進(jìn)行評估。根據(jù)CSR規(guī)范，船底砰擊壓力PSL由下式得出：

式中：c1，cSL——分布系數(shù)；

L——結(jié)構(gòu)計(jì)算船長

模型僅建立了底部的肋板和縱桁，外板和艙壁處為約束點(diǎn)，載荷通過橫向構(gòu)件傳遞到縱向構(gòu)件，參見圖5。底部肋板和縱桁存在各種開孔，開孔區(qū)域構(gòu)件的腹板厚度需要進(jìn)行相應(yīng)的折減。底部的縱骨也可以采用類似的方式進(jìn)行評估，在強(qiáng)框和縱桁處進(jìn)行約束。

圖5　船底強(qiáng)構(gòu)件梁系模型

經(jīng)過梁系計(jì)算發(fā)現(xiàn)，部分肋板和縱桁的剪切應(yīng)力過大，需要增加腹板厚度，主要原因就是800 mm ×600 mm的結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)通道開孔減少了原構(gòu)件的有效板厚。最后該計(jì)算結(jié)果同BV船級社的有限元結(jié)果對比，有相似的結(jié)論，所以證明針對船首底部砰擊問題，梁系計(jì)算法在項(xiàng)目初期是一種有效的、快捷的評估方式。

5　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

疲勞破壞是船舶結(jié)構(gòu)主要破壞形式之一，對于目前大量使用高強(qiáng)度鋼的散貨船，外底縱骨的疲勞問題尤為明顯。該系列船的船外底縱骨同底部肋板連接方式主要有兩種：一種為帶背部肘板，另一種為帶鑰匙孔切口，見圖6。圖中（a）為常規(guī)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，其疲勞壽命好，可以滿足CSR的疲勞壽命要求，但是缺點(diǎn)就是船廠需要安裝幾千塊小肘板，費(fèi)時費(fèi)力；（b）背部為“鑰匙孔”形式的軟踵。

由于鑰匙孔形狀的切口規(guī)范中沒有規(guī)定其適用的應(yīng)力集中系數(shù)，對此節(jié)點(diǎn)采用直接計(jì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。選取FR147和FR88的外底縱骨SL.6為評估目標(biāo)，熱點(diǎn)附近位置采用精細(xì)化網(wǎng)格，計(jì)算結(jié)果如表1所示，具體模型見圖7。

圖6　典型船底縱骨連接節(jié)點(diǎn)

表1

圖7　外底縱骨疲勞節(jié)點(diǎn)

本模型得到的熱點(diǎn)應(yīng)力為FR88_SL.6：154.41 MPa；FR147_SL.6：223.32 MPa。相較于普通的扇形孔，鑰匙孔所形成的軟踵確實(shí)有效的優(yōu)化疲勞壽命。通過直接計(jì)算驗(yàn)證，散貨船底部縱骨完全可以取消背肘板，這對于船廠的成本控制十分的有利。

6　結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含很多內(nèi)容，本文僅簡要的敘述了81 600 DWT巴拿馬型散貨船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，針對散貨船運(yùn)營中易出現(xiàn)的問題提出了見解和解決方案。母型船的結(jié)構(gòu)非常優(yōu)秀，但隨著時代的進(jìn)步，我們的設(shè)計(jì)也要不斷的優(yōu)化、更新，以適應(yīng)新的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既要學(xué)習(xí)船級社的新技術(shù)，還要密切關(guān)注船舶實(shí)際運(yùn)營中出現(xiàn)的問題，不斷計(jì)算和研究，比較各種設(shè)計(jì)方案。這是一個不斷的積累、反復(fù)的修改和迭代的過程。希望本文對具體問題的解決方法能夠給更多設(shè)計(jì)人員帶來幫助。

Introduction on Structure Design Characteristics of A 81 600 DWT Bulk Carrier

Li Bo1Han Bin2

（1.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200032，China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

81 600 DWT bulk carrier was a new generation of kamsarmax bulk carrier，which was based on the old designof82000DWTbulkcarrier.Basedonbeamtheory，finiteelementanalysisandexistingpracticeofshipbuilding，the original structure was recalculated and optimized.The new vessel structure became more reliable and more economical with reduced lightweight which ensured a leading design in the fierce competition of the shipbuilding market.

bulk carrier；beam calculation；finite element analysis

U674.13+4

A

1001-4624（2015）01-0045-04

2014-08-25；

2014-12-25

李博（1980—），男，工程師，從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。韓斌（1980—），男，工程師，從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。