74 500 DWT特涂成品油/化學(xué)品船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

周柏利， 肖建華， 程志濤， 李清泉， 王 柱

(大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧 大連 116113)

74 500 DWT化學(xué)品船是運(yùn)載國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)Ⅲ類化學(xué)品及成品油的新型化學(xué)品船，由江蘇某造船集團(tuán)建造，船東為挪威某化學(xué)品船公司，訂單中的兩條船已于2013年全部交付營(yíng)運(yùn)，船東反饋其性能、營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益良好。

該型船入英國Lloyd’s Register船級(jí)社，船舶主尺度見表1。

表1 船舶主尺度

該型船的船籍符號(hào)為：

+100A1, Double Hull Oil Tanker & Chemical Tanker, Ship Type III, CSR, ESP,

ShipRight(CM, ACS(B)), *IWS, LI, DSPM4, +LMC, IGS, UMS

With the descriptive notes:

Pt. HT Steel, ShipRight (BWMP (S), SCM, SERS), ETA, COW, Green Passport

1 船型、貨艙及其結(jié)構(gòu)布置型式

1.1 船型定義

根據(jù)《國際散裝危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(IBC CODE)16章第1節(jié)，每個(gè)液貨艙的最大允許裝載量要求：Ⅰ型船舶載運(yùn)中任一液貨艙裝載的貨物量不得超過1 250 m3; Ⅱ型船舶載運(yùn)中任一液貨艙裝載的貨物量不得超過3 000 m3；Ⅲ型船舶載運(yùn)中任一液貨艙裝載的貨物量沒有要求。根據(jù)船東要求的載重及貨品清單，該船設(shè)計(jì)為Ⅲ類化學(xué)品及成品油船。

1.2 貨艙及結(jié)構(gòu)布置型式

貨物圍護(hù)系統(tǒng)分為獨(dú)立液貨艙、整體液貨艙、重力液貨艙、壓力液貨艙。重力液貨艙要求艙頂設(shè)計(jì)壓力為小于等于0.07 MPa, 艙的型式可以是獨(dú)立液貨艙，也可以是整體液貨艙；壓力液貨艙要求艙頂設(shè)計(jì)壓力為大于0.07 MPa, 艙的型式只能是獨(dú)立液貨艙。設(shè)計(jì)船型艙頂設(shè)計(jì)壓力為0.02 MPa，小于壓力液貨艙要求的臨界壓力0.07 MPa，而且貨物運(yùn)輸過程中無需進(jìn)行保溫和隔離處理，因此貨油艙設(shè)計(jì)為整體式液貨艙。

考慮到所裝載化學(xué)品的危險(xiǎn)性，防止裝卸貨階段化學(xué)品殘留引起化學(xué)反應(yīng)，再考慮73/78國際防止船舶造成污染公約(The International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, 1973, as Modified by the Protocol of 1978, MARPOL73/78)附則要求，每一個(gè)艙對(duì)貨品掃艙殘存的X，Y，Z類污染貨品量(包括相關(guān)卸貨管系的殘存量)為75 L，為方便清艙和特涂，貨艙的結(jié)構(gòu)均采用外翻的型式，縱、橫艙壁均采用垂直槽加上、下凳的型式，以保證液貨艙的內(nèi)側(cè)平滑，從而滿足了相關(guān)規(guī)范、法規(guī)以及實(shí)際營(yíng)運(yùn)的要求，貨油艙結(jié)構(gòu)形成見圖1。

圖1 舯橫剖面圖

2 規(guī)范強(qiáng)度校核(船體梁法)

規(guī)范強(qiáng)度校核分為船體梁彎曲、剪切、極限、疲勞強(qiáng)度，強(qiáng)度校核的依據(jù)為船舶結(jié)構(gòu)共同規(guī)范(Common Structural Rules, CSR)第7節(jié)“載荷”，驗(yàn)收準(zhǔn)則為CSR第8節(jié)“尺度需求”。

該船的規(guī)范強(qiáng)度校核采用LR與ABS公司聯(lián)合開發(fā)的計(jì)算軟件CSR-STAGE 1，經(jīng)過不斷調(diào)整縱骨間距，在滿足船體梁總縱強(qiáng)度的前提下，取得最輕的空船鋼結(jié)構(gòu)重量。

2.1 計(jì)算過程

根據(jù)舯橫剖面圖、船體梁的主要參數(shù)以及總體分艙，建立規(guī)范強(qiáng)度校核的計(jì)算模型。

根據(jù)該船的裝載手冊(cè)，存在重密度為1.50 t/m3、裝載高度為70%艙高的工況，按照國際船級(jí)社協(xié)會(huì)(International Association of Classification Socities, IACS)規(guī)范要求，需換算到滿艙的效應(yīng)密度。

根據(jù)國際船級(jí)社協(xié)會(huì)統(tǒng)一解釋CI-72，高密度液貨注入高度hHL不超過如下計(jì)算值：

(1)

式(1)中:htk為艙的高度；ρa(bǔ)ppd為注滿時(shí)最大貨物密度；ρHL為實(shí)際擬裝大比重貨物密度。

由于1艙和7艙的型線往船舯收縮，故需特殊考慮。經(jīng)過計(jì)算，2～6艙的滿艙密度為1.05 t/m3, 1艙和7艙的滿艙密度為1.10 t/m3，均大于規(guī)范要求的最小值1.025 t/m3。因此，需根據(jù)貨物密度1.05 t/m3、1.10 t/m3分別校核船體梁強(qiáng)度。其校核計(jì)算模型見圖2。

圖2 船體梁強(qiáng)度校核計(jì)算模型

由圖2可以看出，邊壓載艙左右舷不連通，中壓載艙與底凳連通，縱向槽型艙壁將貨油艙分成左右2個(gè)艙，頂?shù)蕿榭张摗?/p>

根據(jù)舯橫剖面屬性和計(jì)算結(jié)果，舯橫剖面在船底部和上甲板均采用AH32鋼，其剖面模數(shù)在甲板處有約14%的余量，在外底處有約47%的余量，完全滿足船體梁規(guī)范要求的總縱強(qiáng)度。

3 有限元強(qiáng)度校核

在利用船體梁法得到設(shè)計(jì)初期的舯橫剖面后，為使船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足IACS-CSR規(guī)范有限元強(qiáng)度要求，利用現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的有限元直接分析法校核該船的屈服/屈曲/疲勞強(qiáng)度。有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)的基礎(chǔ)，是通過有限元軟件建立三維船體有限元模型，模擬出船體的各部分和構(gòu)件，可以精確到骨材、肘板、開孔等，詳細(xì)地描述出船體結(jié)構(gòu)的各細(xì)節(jié)，然后利用有限元分析工具，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，分別得到不同部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，并以圖形的形式對(duì)板、筋的主要變化進(jìn)行顯示，非常有利于設(shè)計(jì)人員辨別結(jié)構(gòu)的可靠性。該船的有限元校核過程如下：

1)模型范圍。按IACS-CSR油船規(guī)范附錄B中圖B.1.1要求選取船中艙，以及其相鄰的前后艙。

2)模型邊界條件。按IACS-CSR油船規(guī)范附錄B中表B.2.9模型端部的邊界約束。

3)計(jì)算工況。根據(jù)規(guī)范要求，在模型的基礎(chǔ)上扣除腐蝕余量，再按IACS-CSR油船規(guī)范附錄B中表B.2.4“道油密縱艙壁油船的有限元載荷工況”所列工況計(jì)算。

4)施加初穩(wěn)性計(jì)算中得到的最危險(xiǎn)舯拱/舯垂彎矩和剪力。

5)得到粗網(wǎng)格分析結(jié)果。

6)屈曲強(qiáng)度校核。

7)細(xì)網(wǎng)格校核。

8)按規(guī)范要求校核下折角點(diǎn)疲勞強(qiáng)度。

9)根據(jù)IACS-CSR油船規(guī)范第9節(jié)驗(yàn)收準(zhǔn)則，逐一比對(duì)結(jié)果。

有限元計(jì)算模型見圖3。

圖3 有限元計(jì)算模型

根據(jù)IACS-CSR油船規(guī)范第9節(jié)(見表2)驗(yàn)收準(zhǔn)則，以及圖4～圖7的屈服強(qiáng)度計(jì)算云圖，航行工況/港口工況下三艙段各位置構(gòu)件的λy均小于規(guī)范要求值，滿足強(qiáng)度要求。

表2 最大許用應(yīng)力

圖4 航行工況外底板應(yīng)力云圖

圖5 航行工況上甲板應(yīng)力云圖

圖6 港口工況底部應(yīng)力云圖

圖7 港口工況上甲板應(yīng)力云圖

表3 最大許用屈曲利用因子

圖8 航行工況上甲板屈曲云圖

根據(jù)IACS-CSR油船規(guī)范第9節(jié)(見表3)驗(yàn)收準(zhǔn)則，以及圖8的屈曲強(qiáng)度計(jì)算云圖，航行工況/港口工況下三艙段各個(gè)位置的構(gòu)件η均小于規(guī)范要求值，滿足屈曲強(qiáng)度要求。

根據(jù)目前IACS-CSR油船規(guī)范要求，僅僅底邊艙下折角點(diǎn)需要做疲勞分析，圖9即為有限元疲勞強(qiáng)度計(jì)算模型。經(jīng)過計(jì)算，得到圖10有限元疲勞強(qiáng)度計(jì)算云圖，從而得到下折角點(diǎn)的疲勞壽命為26.61年，大于規(guī)范要求的25.0年，滿足規(guī)范要求。

圖9 疲勞強(qiáng)度計(jì)算模型

圖10 疲勞強(qiáng)度計(jì)算云圖

3.設(shè)計(jì)過程中采用的優(yōu)化分析

1)設(shè)計(jì)初期階段——合理分艙

根據(jù)該船的裝載貨品、船東要求的大致主尺度，合理布置貨油艙，貨艙區(qū)共有6個(gè)貨油艙及1個(gè)污油艙，通過不斷調(diào)整船舯0.4L區(qū)域的每個(gè)貨艙長(zhǎng)度來降低航行/靠港時(shí)舯拱/舯垂?fàn)顟B(tài)下的靜水彎矩和剪力，最終船舯每個(gè)貨艙長(zhǎng)度為27.2 m，其航行/靠港時(shí)舯拱/舯垂?fàn)顟B(tài)下的靜水彎矩和剪力見表4。

表4 船體梁各工況最大靜水彎矩及剪力表

2)舯橫剖面設(shè)計(jì)階段——合理的縱骨間距/跨距/焊接

在舯橫剖面的設(shè)計(jì)過程中，在相同區(qū)域及縱向構(gòu)件材料均采用相同等級(jí)的鋼種、相同的剖面模數(shù)裕量和板厚裕量前提下，比較不同縱骨間距舯橫剖面的縱向構(gòu)件面積，即面積越小空船重量越輕。考慮到施工空間，選取3個(gè)縱骨間距800 mm,850 mm,900 mm計(jì)算后，縱骨間距采用800 mm，縱向構(gòu)件的面積最小，即4.192 m2；根據(jù)CSR油船規(guī)范疲勞要求，肋板采用挺筋縱骨連接形式，降低縱骨跨距，從而有效降低空船重量；根據(jù)CSR油船規(guī)范焊接要求，精確計(jì)算縱骨和主要支撐構(gòu)件的連接焊腳，從而有效減少結(jié)構(gòu)的焊接重量。

3)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段——合理的建造工藝

(1)合理設(shè)計(jì)縱骨穿過強(qiáng)框架的節(jié)點(diǎn)，盡可能減少補(bǔ)板、小肘板的數(shù)量，在滿足強(qiáng)度的前提下補(bǔ)板的形式盡量簡(jiǎn)單；

(2)在不增加重量或增加不多的前提下，盡量減少板縫包括縱骨的數(shù)量，以及不同厚度的板之間、不同相鄰構(gòu)件之間的焊縫數(shù)量；

(3)在不增加重量或重量增加不多的前提下，盡量減少不同板厚、板寬的材料規(guī)格以及型材和組合型材的規(guī)格，盡量少使用船廠難以定購的板厚規(guī)格、型材，以減少定貨時(shí)間和費(fèi)用；

(4)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，于橫向框架結(jié)構(gòu)上開設(shè)足夠數(shù)量的減輕孔和工藝孔，方便工人施工和建造過程中的檢驗(yàn)；

(5)考慮吸口和壓載管系的布置，布置足夠的流水孔，保證滿載出港的工況雙艙底壓載水艙排盡；

(6)考慮壓載艙內(nèi)和油艙內(nèi)縱向PMA通道的設(shè)置等。

4 潛在的可優(yōu)化項(xiàng)

1)由于化學(xué)品船甲板管系較多，韓國已采用甲板強(qiáng)橫梁每隔1個(gè)強(qiáng)肋位布置。 這樣，空船重量將減少，有利于甲板系泊布置，以及集管區(qū)的貨油管系布置。

2)目前交付的船舶所使用的主機(jī)為5S60MC-C8.2-TII，隨著長(zhǎng)沖程的G型主機(jī)被大量應(yīng)用，可將MAN 5G60主機(jī)引用到該船，優(yōu)化機(jī)艙布置圖，從而使船舶營(yíng)運(yùn)的日油耗更低，船舶本身的經(jīng)濟(jì)性更好。

5 結(jié) 語

以74 500 DWT船型為例，簡(jiǎn)單介紹了化學(xué)品船的常規(guī)知識(shí)、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算以及結(jié)構(gòu)有限元分析，為該型船設(shè)計(jì)者提供值得借鑒的建議。

參考文獻(xiàn)：

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