82 000 DWT 散貨船的結(jié)構(gòu)開發(fā)

謝大建

(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇南通226005)

0 引言

2013年，航運(yùn)市場一度有所回暖，散貨船訂單持續(xù)增多，巴拿馬型散貨船大型化趨勢明顯，卡爾薩姆型(Kamsarmax)散貨船成為船東訂造的熱點(diǎn)之一。在此背景下，南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司(NACKS)為進(jìn)一步提高在散貨船市場上的競爭力，增加船型儲(chǔ)備，決定新開發(fā)Kamsarmax型散貨船。

Kamsarmax型散貨船相比于傳統(tǒng)巴拿馬型散貨船具有如下優(yōu)點(diǎn):兩者具有相同船寬，均可通過巴拿馬運(yùn)河，但船長更長，載重量增加2萬 t左右，達(dá)到82 000 t;相比于好望角型散貨船，可運(yùn)載貨物種類多，航線更靈活。

1 主要量度的確定

本船屬于巴拿馬型散貨船，設(shè)計(jì)為無限航區(qū)、單機(jī)單槳、單殼散貨船，適用于運(yùn)輸谷物、煤炭、礦砂等大宗散裝貨物。設(shè)計(jì)該船時(shí)，由于協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范即將于2015年7月1日生效，本船是NACKS設(shè)計(jì)的最后一艘基于共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR)的散貨船。

總長228.90 m

型寬 32.24 m

型深 20.20 m

結(jié)構(gòu)吃水 14.50 m

入級(jí)符號(hào)為“LR，+100A1，Bulk Carrier，CSR，BC-A，GRAB［20］，Holds 2，4 and 6 may be empty，ESP，ShipRight(CM，ACS(B))，LI， +LMC，UMS”。

2 布置

82 000 DWT散貨船設(shè)有1層連續(xù)的干舷甲板。貨艙區(qū)分為7個(gè)貨艙，第4貨艙兼作風(fēng)暴壓載艙。為了方便裝卸貨物，除1號(hào)艙外，其他貨艙的開口尺寸設(shè)為17.80 m×15.30 m。除第6、第7貨艙區(qū)的頂邊艙用作燃油艙外，其他頂邊艙及所有底邊艙用作壓載艙。另外，為了提升船舶推進(jìn)性能，本船的螺旋槳直徑較大，在正常壓載工況下需要更多的壓載水量以滿足螺旋槳浸沒要求，因此將本船的橫艙壁底墩也設(shè)為壓載艙。

根據(jù)國際海事組織海上安全委員會(huì)(MSC)第158(78)決議的規(guī)定，如底邊艙高度超過6 m，應(yīng)在強(qiáng)橫框架開口上緣下1.2 m處沿舷側(cè)外板設(shè)置1個(gè)縱向連續(xù)固定通道。本船的底邊艙高度控制在6 m以下，避免了縱向檢查通道的布置。

湖北是魚米之鄉(xiāng)，水產(chǎn)豐富，水產(chǎn)品如何保鮮的問題吸引了眾多科研工作者的關(guān)注，以單一因子或通過柵欄技術(shù)對(duì)水產(chǎn)品進(jìn)行防腐保鮮的研究報(bào)道不斷涌現(xiàn)，其保鮮效果的評(píng)判指標(biāo)主要有感官品質(zhì)、菌落總數(shù)、pH值、水分活度、揮發(fā)性鹽基氮等。而少見以抑菌圈直徑為評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行研究。但在微生物學(xué)上，抑菌圈大小是評(píng)判藥劑抑殺菌效果的重要依據(jù)。因此，試驗(yàn)選取乳酸鏈球菌素、檸檬酸、魔芋葡甘聚糖、生姜汁、海藻酸鈉、甘氨酸6種生物保鮮劑對(duì)鯽魚進(jìn)行保鮮處理，獲得各保鮮劑合適的質(zhì)量濃度，再進(jìn)行抑菌圈試驗(yàn)，比較抑菌作用效果，以期為鯽魚保鮮提供安全有效的生物保鮮劑。

為了滿足澳大利亞海事安全局(AMSA)對(duì)甲板通道高度2 m、寬度750 mm的要求，艙口圍板高度相比艙蓋縱向開啟的大靈便型(Handymax)散貨船有所增加。

本船貨艙橫艙壁的設(shè)計(jì)是布置研討中的一個(gè)難點(diǎn)。散貨船貨艙橫艙壁一般采用垂直槽型橫艙壁，槽型壁的上下端設(shè)置頂墩和底墩。結(jié)合交通的布置、艙壁板的屈服強(qiáng)度、屈曲強(qiáng)度、艙壁槽條在破艙進(jìn)水工況下的彎曲強(qiáng)度、底墩與內(nèi)底板連接處的疲勞強(qiáng)度等各方面因素，最終確定槽型壁的槽深，頂墩和底墩的形狀以及高度。前文提到，本船底邊艙的高度不到6 m，基于此決定了底墩的高度。本船的型深相對(duì)Handymax型散貨船增加1.6 m左右，導(dǎo)致橫艙壁高度增加。為了滿足槽條的彎曲強(qiáng)度，可以將頂墩的高度增加，并將截面形狀由矩形變更為梯形，從而控制槽條的跨長。4號(hào)貨艙兼作風(fēng)暴壓載艙，對(duì)底墩側(cè)板與內(nèi)底板及雙層底縱桁、肋板連接處的疲勞強(qiáng)度要求較高。如果底墩采用垂直側(cè)板，疲勞壽命很難達(dá)到要求，甚至嵌入厚板也無法達(dá)到25 a設(shè)計(jì)壽命，因此本船將風(fēng)暴壓載艙前后的底墩側(cè)板全部設(shè)置為傾斜式。

當(dāng)?shù)锥盏那昂髠?cè)板設(shè)置為傾斜時(shí)，如果頂板與水平面成45°，那么一側(cè)斜板與頂板形成如圖1所示的極小的夾角，約為27°。此時(shí)，會(huì)對(duì)碳弧氣刨和焊接施工帶來困難，通過如圖2所示的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，碳刨過程中會(huì)損傷頂板自由邊及斜板的上側(cè)表面，由于空間狹小，焊接施工更為艱難。文獻(xiàn)［1］中提供了一些對(duì)策，例如將底墩后側(cè)壁改為豎直結(jié)構(gòu)，或?qū)⒌锥枕敯甯臑樗降?，但是這些對(duì)策對(duì)強(qiáng)度不利或不滿足規(guī)范要求。最終采用了削斜頂板下自由邊，將頂板與斜板的夾角擴(kuò)大到45°，解決了焊接施工的問題。

圖1 底墩頂板及側(cè)斜板結(jié)構(gòu)

3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

3.1 規(guī)范計(jì)算

本船船中橫剖面的剖面模數(shù)主要由船體梁在中垂進(jìn)水工況時(shí)的彎曲強(qiáng)度決定的，船體梁極限強(qiáng)度不決定橫剖面尺寸。

在計(jì)算舷側(cè)外板的屈曲強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，所使用的各個(gè)相互獨(dú)立載荷工況下的剪應(yīng)力由下式所示的剪力產(chǎn)生:

式中:QSW為所計(jì)及船體橫剖面在完整工況下的設(shè)計(jì)靜水剪力;QWV為所計(jì)及船體橫剖面在完整工況下的垂向波浪剪力;CQW為載荷組合因子。

圖2 底墩頂板及側(cè)斜板碳刨試驗(yàn)結(jié)果

以載荷工況H1為例，在船中剖面向后的部分，CQW=-1。

若 QSW=-45 000 kN，QWV=-28 000 kN。在計(jì)算總剪力時(shí)正確的計(jì)算方法為Q=-45 000+(-1)×|-28 000|=-73 000 kN，而不是 Q=-45 000+(-1)×(-28 000)=-17 000 kN。其實(shí)在散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR)的體系中負(fù)的波浪剪力QWV的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是正值，CQWQWV的計(jì)算值才是負(fù)值。但是大家習(xí)慣上認(rèn)為負(fù)的波浪剪力就是負(fù)值，才會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)上述的錯(cuò)誤。后一種方法計(jì)算出來的總剪力小于設(shè)計(jì)靜水剪力，顯然是錯(cuò)誤的，設(shè)計(jì)時(shí)需要引起注意，防止舷側(cè)外板板厚無法滿足屈曲強(qiáng)度要求的情況出現(xiàn)。

本船底墩兼作壓載艙，規(guī)范計(jì)算及有限元分析時(shí)應(yīng)注意合理設(shè)定底墩側(cè)板的腐蝕余量。根據(jù)CSR的要求，當(dāng)?shù)锥諆?nèi)為空艙的情況下，側(cè)板腐蝕余量為6.5 mm，大于底邊艙斜板的5.5 mm的腐蝕余量。根據(jù)國際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)KC No.978的解釋，之所以出現(xiàn)以上差別，是由于底邊艙斜板在壓載工況下受到壓載水的冷卻作用，有利于減緩鋼板的腐蝕。因此，如果底墩兼作壓載艙，那么底墩側(cè)板可以與底邊艙斜板取相同的腐蝕余量。

相對(duì)于Handymax型散貨船，本船的縱骨疲勞強(qiáng)度不太容易滿足，與外底板相連的腹板加強(qiáng)筋需要設(shè)置軟趾和背肘板，初步分析原因如下。

根據(jù)CSR要求，疲勞強(qiáng)度的校核衡準(zhǔn)為:疲勞累積損傷度 D=ΣjDj≤1，其中，Dj為各裝載工況“j”的基本疲勞損傷度，與系數(shù)αj成正比。該系數(shù)取決于標(biāo)準(zhǔn)散貨船的典型裝載工況的出現(xiàn)頻率，由IACS基于對(duì)航運(yùn)公司發(fā)出的調(diào)查問卷以及獲得的業(yè)界意見來設(shè)定。對(duì)于BC-A型船來說，系數(shù)αj見表1。

以4號(hào)貨艙位置的某外底板縱骨為例，其各裝載工況下的基本疲勞損傷度Dj占疲勞累積損傷度D的百分比如圖3所示。隔艙裝載工況對(duì)應(yīng)的基本疲勞損傷度Dj幾乎可以忽略不計(jì)，重壓載工況下的Dj值則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他工況下的Dj值，即外底板縱骨的疲勞強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的裝載“工況1”為重壓載工況。此時(shí)，若在其他參數(shù)值基本相同的情況下，系數(shù)αj的值取0.15或0.3幾乎決定了縱骨的疲勞強(qiáng)度。作者認(rèn)為，單純以船長作為選擇系數(shù)αj的依據(jù)值得商榷。畢竟Kamsarmax型散貨船的貨物裝載比較靈活，壓載航行的幾率應(yīng)該接近于船長小于200 m的Handymax型散貨船，而不是與好望角型(Capesize)散貨船相同。

表1 取決于裝載工況的系數(shù)αj

圖3 外底板縱骨各裝載工況下Dj/D的百分比

3.2 有限元分析

本船的直接強(qiáng)度計(jì)算按照CSR要求完成。取船中的3個(gè)典型貨艙作為目標(biāo)艙室進(jìn)行3艙段有限元分析，分別是重貨艙、輕貨艙和風(fēng)暴壓載貨艙。建模及單元分組等工作采用的是通用有限元軟件Femap，腐蝕余量扣除、加載和屈曲計(jì)算等后處理工作采用船級(jí)社軟件ShipRight，計(jì)算則采用MSC Nastran。

根據(jù)CSR要求，如果規(guī)范中列出的典型區(qū)域超出95%許用應(yīng)力，需要進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格分析。為了減少工作量，本船在進(jìn)行3艙段粗網(wǎng)格計(jì)算的過程中，通過增加板厚或修改結(jié)構(gòu)形式等方法，盡量將典型高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力控制在95%的許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

外底板板厚在規(guī)范計(jì)算的基礎(chǔ)上需要有大范圍的增厚補(bǔ)強(qiáng)，主要是由目標(biāo)艙室為空、總縱彎曲為中拱的工況下的屈曲強(qiáng)度決定的。外底板(左舷)屈曲強(qiáng)度不足板格分布圖如圖4所示。圖中，深色方框表示屈曲強(qiáng)度不足的外底板板格，需要增加板厚?？拷走吪撐恢玫碾p層底肋板由于受到較大的剪力，且開有人孔的板格剪切面積較小，板厚基本由該板格的剪應(yīng)力決定的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將該人孔布置在靠近船中的位置。由于前期進(jìn)行底墩布置研討時(shí)已經(jīng)考慮了疲勞強(qiáng)度的影響，實(shí)際計(jì)算表明，通過簡單的嵌入厚板及打磨處理，基本可以滿足疲勞強(qiáng)度的影響。

圖4 外底板(左舷)屈曲強(qiáng)度不足板格分布圖

4 振動(dòng)設(shè)計(jì)

船上主要的振動(dòng)激勵(lì)源來自推進(jìn)系統(tǒng)中大馬力低速柴油機(jī)和螺旋槳，因此在選擇主機(jī)與螺旋槳時(shí)，為避免與主船體和居住區(qū)發(fā)生共振，應(yīng)選擇激勵(lì)量級(jí)較小的主機(jī)和螺旋槳或采用外設(shè)激勵(lì)補(bǔ)償裝置［3］。本船采用 Man B＆W 公司的6S60ME-C8型6缸主機(jī)，垂向二次不平衡力矩為942 kN·m。根據(jù)美國船級(jí)社ABS和Man B＆W定義的相關(guān)量PRU(主機(jī)單位功率的不平衡力矩值)進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算可知PRU值為97.5 N·m/kW，小于規(guī)定值，基本不考慮安裝平衡補(bǔ)償裝置。通過計(jì)算船體梁的垂向固有頻率，從而確定主機(jī)2次激勵(lì)頻率(轉(zhuǎn)速×2)是否已經(jīng)避開船體梁固有頻率。

船體梁垂向固有頻率的計(jì)算選用ABS推薦的Kumai公式，1階(2節(jié)點(diǎn))垂向固有頻率N2V為:

式中:IV為船體中橫剖面慣性矩;Δi為包含附加水質(zhì)量的虛擬排水量;LBP為垂線間長。

2階(3節(jié)點(diǎn))及以上垂向振動(dòng)固有頻率NnV與1階(2節(jié)點(diǎn))垂向固有頻率N2V的關(guān)系為:

式中:n為節(jié)點(diǎn)數(shù);α為常數(shù)，散貨船α=1。

主機(jī)激勵(lì)頻率與船體梁垂向固有頻率的關(guān)系如圖5所示。圖中，本船的船體梁垂向固有頻率與主機(jī)2次激勵(lì)頻率在實(shí)際航行時(shí)的排水量區(qū)間內(nèi)不重合，因此最終決定無需安裝平衡補(bǔ)償裝置。

另外，在確定螺旋槳槳葉數(shù)時(shí)，要考慮使葉頻及倍葉頻盡量避開居住區(qū)的固有頻率。特別是為了提高推進(jìn)效率而使用大直徑螺旋槳的情況下，螺旋槳和船體間隙減小，船體尾部表面力增加，對(duì)居住區(qū)的振動(dòng)強(qiáng)度和舒適性均帶來了不利的影響。

圖5 主機(jī)激勵(lì)頻率與船體梁垂向固有頻率的關(guān)系

5 結(jié)語

本文簡要介紹了82 000 DWT散貨船的結(jié)構(gòu)開發(fā)過程，著重介紹了其中的一些設(shè)計(jì)難點(diǎn)。比如說貨艙橫艙壁的布置、舷側(cè)外板的屈曲強(qiáng)度計(jì)算、縱骨疲勞強(qiáng)度研討、主船體及居住區(qū)的振動(dòng)設(shè)計(jì)等。本文中的一些設(shè)計(jì)思路和研討方法對(duì)類似船型的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

該型船舶的成功開發(fā)，豐富了NACKS的散貨船產(chǎn)品線，形成了61 000 DWT散貨船(Ultramax)、82 000 DWT散貨船(Kamsarmax)、209 000 DWT散貨船(Capesize)等一系列極具市場競爭力的散貨船。2014年上半年，82 000 DWT散貨船已經(jīng)成功獲得了來自新加坡船東的首份訂單，標(biāo)志著該型船舶已經(jīng)得到市場認(rèn)可。

［1］ 甘水來，李國強(qiáng)，李勇.基于共同規(guī)范的散貨船槽型橫艙壁設(shè)計(jì)研究［J］.船舶與海洋工程，2014(1):32-38.

［2］ 洪明，鄭素青，徐超友，等.82 000 t散貨船船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制［J］.船舶，2013，24(2):27-32.