19100 DWT多用途船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

劉紅平

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

0 前言

19100 DWT多用途船是由德國(guó)船東BELUGA委托上海船舶研究設(shè)計(jì)院研究開(kāi)發(fā)的大開(kāi)口、超長(zhǎng)貨艙、具有重型起吊能力的新一代多用途貨船，由武漢青山船廠負(fù)責(zé)建造。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度介紹該型多用途船的研究開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的過(guò)程，希望能對(duì)今后多用途船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所幫助。

1 船型情況

主尺度及基本參數(shù)：

該船的總布置圖，見(jiàn)圖1。

19100 DWT多用途船載貨種類豐富，可以載運(yùn)礦砂、煤、谷物、礬土、鹽和水泥等散裝貨物，也可裝集裝箱、鋼卷、木材以及特殊規(guī)格大件如平臺(tái)設(shè)備等重型貨物。該船配置3臺(tái)克令吊，其中位于第二艙左舷的2臺(tái)克令吊起重能力達(dá)400 t，聯(lián)合使用，具備起重800 t貨物的能力。

圖1 總布置圖

該船為兩貨艙配置。第二貨艙超長(zhǎng)，達(dá)86.1 m，占到船長(zhǎng)的55.4%，開(kāi)口達(dá)18 m，占了型寬的78.6%，屬于典型的大開(kāi)口船舶。艙內(nèi)二甲板布置高度位置較多，第一貨艙設(shè)置兩個(gè)高度位置，第二貨艙設(shè)置四個(gè)高度位置。

第二貨艙的兩側(cè)邊艙采用的是左大右小的不對(duì)稱設(shè)計(jì)。而在第一貨艙后端兩側(cè)則各布置了一個(gè)重吊索具艙，用于存放鋼絲繩等。

2 可行性研究

基于以上船型情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是該船設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。為此，在該船的研究開(kāi)發(fā)階段，我們就著手對(duì)該船的方案可行性進(jìn)行了論證。研究點(diǎn)就是縱向艙口圍在橫向的變形問(wèn)題，須分港內(nèi)工況與航行工況分別加以研究。港內(nèi)工況須保證艙口圍板的橫向變形在艙蓋容許的范圍之內(nèi)，以確保艙蓋能無(wú)障礙打開(kāi)；航行工況，研究的是艙口圍的變形問(wèn)題，需考慮因船體變形傳遞給艙蓋的載荷是否能夠?yàn)榕撋w所接受，是否能保證艙蓋的風(fēng)雨密性，以及當(dāng)變形值過(guò)大時(shí)，PONTOON型艙蓋與限位器的合理設(shè)計(jì)，以承擔(dān)船體載荷，進(jìn)而控制船體的變形。這也是此類型多用途船的共同特點(diǎn)。

可行性研究以初步中橫剖面為基礎(chǔ)，建立第二貨艙的有限元模型，見(jiàn)圖2?？肆畹趸募訌?qiáng)及艙蓋制動(dòng)塊的肘板加強(qiáng)也在模型中進(jìn)行了模擬，以較準(zhǔn)確地反映船體的橫向剛度。

圖2 可行性分析有限元模型

可行性研究分析了15種工況：港內(nèi)3種工況，重吊操作4種工況，橫傾情況艙蓋最大橫向加速度8種工況。

計(jì)算表明，該船初始設(shè)計(jì)的橫向強(qiáng)度較弱，艙口圍變形過(guò)大，需要改善結(jié)構(gòu)型式。方法可以是提高雙層底的高度或者是增加邊艙的寬度。該船由于集裝箱的布置需求，邊艙沒(méi)有加寬的可能性，我們將雙層底高度由最初的1600 mm提高到了2000 mm來(lái)減小變形。

3 結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)布置是綜合船型特點(diǎn)、載貨條件、船級(jí)符號(hào)等條件來(lái)確定的。多用途船一般均有“重貨加強(qiáng)”船級(jí)、內(nèi)底設(shè)計(jì)負(fù)荷較大并且裝載重型鋼卷筒的特點(diǎn)，故其強(qiáng)框架布置一般為：船底肋板2檔一設(shè)，舷側(cè)橫隔板4檔一設(shè)。典型中橫剖面圖，見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 中橫剖面圖（1）

圖4 中橫剖面圖（2）

該船的貨艙區(qū)是按照集裝箱的排列規(guī)則定制的箱型結(jié)構(gòu)，但第一貨艙是正常的左右舷對(duì)稱布置，而第二貨艙是左右不對(duì)稱的，這給布置結(jié)構(gòu)帶來(lái)了一定的困擾。由不對(duì)稱到對(duì)稱的結(jié)構(gòu)型式過(guò)渡區(qū)域出現(xiàn)在兩個(gè)位置：第一貨艙與第二貨艙之間的雙層板艙壁區(qū)域；第二貨艙的后端鄰接機(jī)艙的位置區(qū)域。這也使得橫艙壁結(jié)構(gòu)骨架只能斜向布置，增加了設(shè)計(jì)與施工的難度。

雙層底縱桁的布置由集裝箱位置確定，按照標(biāo)準(zhǔn)20 ft集裝箱的寬度確定縱桁的位置，縱桁之間再劃分為四個(gè)板格，安放三根縱骨。管弄處肋板設(shè)置根據(jù)進(jìn)塢計(jì)算的結(jié)果，需每檔設(shè)置。舭部根據(jù)線型特點(diǎn)設(shè)計(jì)為橫骨架結(jié)構(gòu)型式，以便于施工，但總縱強(qiáng)度要求的屈曲條件在舭部較難滿足，需設(shè)置較多的縱向防屈曲筋。

該船的冰級(jí)為E3級(jí)，就是相當(dāng)于瑞典芬蘭冰級(jí)的IA級(jí)，冰級(jí)相當(dāng)高。船體外板結(jié)構(gòu)采用橫骨架型式較為經(jīng)濟(jì)。舷側(cè)肋骨由設(shè)置在邊艙內(nèi)的平臺(tái)支撐，平臺(tái)的高度根據(jù)二甲板支撐盒的位置來(lái)設(shè)置。一般的做法是平臺(tái)或甲板與支撐盒頂面對(duì)齊，這也是德國(guó)船級(jí)社（GL）推薦的做法，但這對(duì)船廠的施工工藝要求很高，這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，由于平臺(tái)不可避免存在變形問(wèn)題，與支撐盒頂面保持水平連接比較困難。故我們更愿意平臺(tái)設(shè)置在支撐盒水平受力位置，不但傳遞載荷直接，也能使船廠安裝簡(jiǎn)便，見(jiàn)圖5。

圖5 平臺(tái)與二甲板支撐盒的連接節(jié)點(diǎn)

縱艙壁采用橫骨架型式，縱艙壁上除了安裝二甲板支撐以外，還將安裝綁扎眼環(huán)、集裝箱綁扎所用的拉壓元件、貨艙燈箱。結(jié)構(gòu)專業(yè)必須協(xié)助舾裝、電氣等專業(yè)找到合適的地方布置這些必備的元件和裝置，并且能夠提供合理的加強(qiáng)。這些均需在設(shè)計(jì)的早期進(jìn)行，方能從總體上把握。根據(jù)GL船級(jí)社的要求，作用于舷側(cè)的鋼卷筒載荷為橫向鋼卷筒總重量的0.5倍。該載荷相當(dāng)大，故在艙壁下方、對(duì)應(yīng)鋼卷筒中心位置，常常設(shè)置加強(qiáng)縱桁材以抵抗鋼卷筒引起的水平載荷。

艙口圍板的設(shè)計(jì)要綜合考慮以下的因素：

（1）艙口圍板參與總縱強(qiáng)度，是貢獻(xiàn)船體梁模數(shù)的主力軍，其厚度將超過(guò)主甲板厚度，以承受較大的總縱應(yīng)力；

（2）艙口圍頂部面板的寬度需根據(jù)艙蓋公司的設(shè)計(jì)需要確定，左右舷分別考慮；

（3）支撐艙口圍板的肘板應(yīng)兩檔間隔設(shè)置，這是GL規(guī)范對(duì)帶船級(jí)符號(hào)G的船舶的要求；

（4）由于船舶的運(yùn)動(dòng)，艙蓋載荷將在艙口圍頂板的支撐塊上產(chǎn)生很大的橫向載荷，在支撐肘板上引起較大的橫向彎矩，必須通過(guò)局部計(jì)算加以驗(yàn)證；

（5）艙蓋的橫向制動(dòng)器現(xiàn)在一般采用的是咬住艙口圍板的設(shè)計(jì)。由于在左舷布置有STOPPERS，故左舷的艙口圍最上一列板的厚度以及伸出艙口圍頂板的高度應(yīng)滿足STOPPER加強(qiáng)的需求，見(jiàn)圖6。

圖6 Fy STOPPER與艙口圍連接節(jié)點(diǎn)

（6）限位器是本型船必須具有的，其位置及受力情況需根據(jù)全船有限元的計(jì)算結(jié)果加以確定?？紤]到限位器受力很大，局部采用箱型結(jié)構(gòu)，以支撐限位器，見(jiàn)圖7。

圖7 右舷限位器位置處艙口圍設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)

（7）艙口圍與克令吊基座之間的間距較小，將艙口圍頂板與克令吊基座連接形成一個(gè)整體是GL推薦的做法，也是常用的方法，能提高艙口圍板的局部抗彎能力，見(jiàn)圖8。

圖8 克令吊基座與艙口圍頂板整體設(shè)計(jì)

由于該船屬于長(zhǎng)貨艙、大開(kāi)口類型，船體剛度天生較弱，故須保證足夠數(shù)量的縱向構(gòu)件并有足夠的縱向延伸，以承擔(dān)船體梁的扭矩和彎矩?？v觀該船的總體艙室布置，縱向延續(xù)性不夠，為此不得不在機(jī)艙的艙室中間設(shè)置縱艙壁，這是今后布置需要注意的問(wèn)題。

4 強(qiáng)度計(jì)算

4.1 總縱強(qiáng)度

以GL的規(guī)范計(jì)算軟件Poseidon程序進(jìn)行總縱強(qiáng)度的校核，是比較方便的。設(shè)計(jì)彎矩與設(shè)計(jì)剪力的包絡(luò)線根據(jù)初步裝載手冊(cè)獲得，見(jiàn)圖9。

圖9 靜水彎矩與靜水剪力包絡(luò)線

設(shè)計(jì)靜水彎矩還是有較多富裕量的，使裝貨的靈活性不受限制。

4.2 局部強(qiáng)度

局部強(qiáng)度計(jì)算涉及鋼卷筒加強(qiáng)，進(jìn)塢，外板頂推加強(qiáng)，冰區(qū)加強(qiáng)，二甲板支撐加強(qiáng)，拉壓元件加強(qiáng)，綁扎眼環(huán)加強(qiáng)，艙蓋制動(dòng)塊加強(qiáng)，艙口圍頂板上墊塊加強(qiáng)，箱柱加強(qiáng)，錨系泊加強(qiáng)，艙蓋頂升油缸加強(qiáng)，端鉸鏈加強(qiáng)，克令吊加強(qiáng)等等，不一而足。

計(jì)算方法有規(guī)范公式，梁系直接計(jì)算，局部有限元計(jì)算，見(jiàn)圖10。載荷有規(guī)范載荷，設(shè)計(jì)載荷或者由廠商提供。模型范圍延伸到加強(qiáng)構(gòu)件以外，盡量減小邊界條件影響，有條件的可以多試算幾次，以取得較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式。

圖10 局部有限元計(jì)算

4.3 全船有限元

由于該船的特殊性，除了艙段分析和局部有限元計(jì)算以外，全船有限元技術(shù)也首次被采用。通過(guò)全船有限元計(jì)算，驗(yàn)證船體的橫向強(qiáng)度，計(jì)算艙口圍頂板的變形量以確定右舷限位器的容許變形量，確定克令吊基座的加強(qiáng)，檢查雙層底結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以及根據(jù)疲勞強(qiáng)度要求確定艙口角隅的型式及加厚板的尺度。全船模型見(jiàn)圖11。

圖11 全船有限元模型

艙口角隅根據(jù)計(jì)算結(jié)果，必須全部設(shè)計(jì)成負(fù)角隅型式，如圖12所示，并且在每一層平臺(tái)位置處均需設(shè)置。

圖12 艙口角隅型式

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該船的設(shè)計(jì)，我們獲得了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總體上有了更好的把握?？偨Y(jié)幾條，希望對(duì)今后的設(shè)計(jì)有所幫助：

1）大開(kāi)口多用途重吊船屬于布置地位型與載重型的綜合型船舶。要在總體布置上下功夫，既要保證足夠的貨艙容積、載重量，也要充分考慮各功能空間的合理布局，設(shè)計(jì)要緊湊，各設(shè)備只需必須的最小操作空間，有最小的通道即可等等。

2）要重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)重點(diǎn)加以關(guān)注。要從大局上把握小細(xì)節(jié)，合理布置結(jié)構(gòu)型式。如上甲板縱骨的布置要考慮箱柱加強(qiáng)，艙口圍板加強(qiáng)；縱艙壁布置要考慮拉壓元件，二甲板支撐，貨艙燈箱的安裝；橫艙壁設(shè)計(jì)要注意艙蓋端鉸鏈加強(qiáng)，貨艙通風(fēng)，貨艙梯，主甲板通道等。

3）必要的局部有限元計(jì)算。在設(shè)計(jì)的早期，對(duì)承載較大的構(gòu)件進(jìn)行必要的強(qiáng)度計(jì)算，以確定結(jié)構(gòu)加強(qiáng)型式。如克令吊基礎(chǔ)加強(qiáng)，就必須在設(shè)計(jì)早期根據(jù)初步布置圖、克令吊載荷進(jìn)行有限元計(jì)算，以確定結(jié)構(gòu)型式以及加強(qiáng)構(gòu)件的范圍，以便為更進(jìn)一步優(yōu)化布置提供幫助。

4）縱向艙口圍橫向變形的控制。這也是最重要的一條，直接影響艙蓋的設(shè)計(jì)，以及方案的可行性。在設(shè)計(jì)初期，要做方案可行性研究，通過(guò)初步有限元計(jì)算分析，把港內(nèi)工況下的艙口圍橫向變形控制在艙蓋容許值之內(nèi)，進(jìn)而確定貨艙型式。

［1］焦宇清.12000 t多用途散貨船開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2005，（1）.