化學(xué)品船典型槽形橫艙壁形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王璐璐

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院， 遼寧 葫蘆島 125000)

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化學(xué)品船典型槽形橫艙壁形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王璐璐

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院， 遼寧 葫蘆島 125000)

摘要針對(duì)51 000載重噸Ⅱ類化學(xué)品/成品油船典型橫艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過兩個(gè)階段的優(yōu)化，分別得出槽形艙壁優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般性結(jié)論以及為實(shí)船設(shè)計(jì)選取經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的參數(shù)組合方案。

關(guān)鍵詞化學(xué)品船槽形艙壁優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

在化學(xué)品船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了洗艙方便而廣泛采用槽形艙壁的形式。由于槽形艙壁的重量在空船結(jié)構(gòu)重量中占有不小的比例，因此在規(guī)范的要求下，設(shè)計(jì)出一組合理的槽形參數(shù)，使得艙壁的總重量最輕且方便施工建造，對(duì)于減輕空船結(jié)構(gòu)重量和降低造船成本具有現(xiàn)實(shí)的意義。

51 000載重噸Ⅱ類化學(xué)品/成品油船是設(shè)計(jì)院2014年度的重點(diǎn)船型研發(fā)項(xiàng)目，全船沿縱向共設(shè)置9道槽型水密橫艙壁。槽條沿垂向布置在上下壁凳之間，采用面板和腹板厚度相同的形式，由鋼板彎折加工制成。

1槽形艙壁的設(shè)計(jì)參數(shù)

如圖1所示，槽形艙壁的形狀和尺寸由以下參數(shù)來確定。

圖1　槽形艙壁形狀參數(shù)

基本參數(shù)：槽形深度dcg，槽形面板寬度bf，槽形間距Scg。

由上面三個(gè)基本參數(shù)可以求得其他描述槽形尺寸的參數(shù)：槽形角φ、槽形腹板寬度bw、槽形腹板在槽形面板所在面內(nèi)的投影長(zhǎng)度dpr和一個(gè)單元槽條的全寬T。

2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和有關(guān)規(guī)范要求

以T寬度內(nèi)的一個(gè)單元槽條為研究對(duì)象，強(qiáng)度計(jì)算包括剖面要素、強(qiáng)度和穩(wěn)定性內(nèi)容。

2.1剖面模數(shù)

對(duì)于面板和腹板厚度相同(tnet)的單元槽條，其凈剖面模數(shù)為

(1)

2.2彎曲強(qiáng)度

彎曲強(qiáng)度計(jì)算包含整體彎曲強(qiáng)度和局部彎曲強(qiáng)度兩方面的內(nèi)容。

2.2.1整體彎曲強(qiáng)度

把槽型艙壁的一個(gè)完整單元槽條簡(jiǎn)化為單跨梁，計(jì)算其在橫向載荷作用下的整體彎曲強(qiáng)度。

參考CSR規(guī)范(2012)第8節(jié)2.5.7.6條款的要求，單元槽條的槽形底端、頂端和槽形長(zhǎng)度中點(diǎn)的凈剖面模數(shù)應(yīng)取為所有設(shè)計(jì)載荷組合下計(jì)算所得結(jié)果的最大值，由式(2)給出。

(2)

2.2.2局部彎曲強(qiáng)度

以單元槽條的面板或腹板為研究對(duì)象，簡(jiǎn)化成板條梁，計(jì)算在橫向載荷作用下的局部彎曲強(qiáng)度。

參考CSR規(guī)范(2012)第8節(jié)2.5.6.4條款的要求，槽形艙壁的腹板和面板凈厚度應(yīng)取為所有設(shè)計(jì)載荷組合下計(jì)算所得結(jié)果的最大值，由式(3)給出。

(3)

式中：P為考慮位置處的設(shè)計(jì)壓力，kN/m2；bp為腹板或面板的寬度，mm；Ca為許用彎曲應(yīng)力系數(shù)，按規(guī)范選取。

2.3穩(wěn)定性要求

槽形艙壁在承受側(cè)向壓力時(shí)，單元槽條面板和腹板上的應(yīng)力分布如圖2所示。其中面板受到最大壓應(yīng)力的作用，存在失穩(wěn)的可能。

圖2　槽條彎曲時(shí)的垂向應(yīng)力分布

槽形艙壁面板的穩(wěn)定性可以歸結(jié)為單向受壓的矩形板的穩(wěn)定性，參考CSR規(guī)范(2012)第8節(jié)2.5.7.5條款的要求，有底凳的槽形艙壁面板凈厚度從底端向上2/3槽形長(zhǎng)度的范圍內(nèi)應(yīng)取為所有設(shè)計(jì)載荷組合下計(jì)算所得結(jié)果的最大值，由式(4)給出。

(4)

2.4剪切強(qiáng)度

參考CSR規(guī)范(2012)第8節(jié)2.5.7.3條款的要求，有底凳的槽形艙壁下端15%區(qū)域的腹板凈厚度應(yīng)取為所有設(shè)計(jì)載荷組合下計(jì)算所得結(jié)果的最大值，由式(5)給出。

(5)

2.5SR規(guī)范中的其他有關(guān)要求

(1) 槽形角φ應(yīng)在55°～90°之間。

(3) 對(duì)于整體彎曲強(qiáng)度要求和穩(wěn)定性要求的凈板厚度在底端2/3槽條跨距內(nèi)保持不變，其上區(qū)域的凈板厚可減薄20%。

3其他約束條件

(1) 考慮公司的加工能力和鋼板價(jià)格因素，每張板最多彎折兩次，單張板的展開寬度盡量控制在1.5～3.2 m之間(最大不超過3.8 m)。

(2) 為了洗艙方便，面板在船中處和靠近舷側(cè)處寬度保障不低于600 mm。

(3) 壁凳內(nèi)的槽條腹板對(duì)位加強(qiáng)肘板(約高400 mm)與凳內(nèi)強(qiáng)框架錯(cuò)開距離不低于200 mm。

4優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)定

槽形艙壁的重量是成本的主要影響因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是有效控制和減輕槽形艙壁的重量，實(shí)現(xiàn)成本最低的目標(biāo)。

槽形艙壁的重量與板厚和槽條的展開長(zhǎng)度密切相關(guān)，板的厚度薄且展開后長(zhǎng)度短的槽形艙壁重量就輕。板厚與展開長(zhǎng)度又都取決于所選取的槽形參數(shù)，但槽形參數(shù)在板厚和展開長(zhǎng)度兩方面對(duì)重量的影響趨勢(shì)并不一致。如增大槽形深度dcg(連帶的槽形角φ、面板寬度bf、腹板寬度bw、腹板投影長(zhǎng)度dpr、槽條的全寬T中的若干個(gè)參數(shù)必然發(fā)生變化)會(huì)產(chǎn)生增大剖面模數(shù)減小板厚的趨勢(shì)和增加展開長(zhǎng)度的趨勢(shì)，很難直觀看出對(duì)重量的影響。這是槽形參數(shù)方案選取需要進(jìn)行對(duì)比和論證的根本原因。

51 000載重噸Ⅱ類化學(xué)品/成品油船的槽型艙壁優(yōu)化設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段：首先，在舯橫剖面未完全固定的初步研究中，以單位寬度下的艙壁的平均截面積作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行對(duì)比論證，得到可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方向的一般性結(jié)論。而在舯橫剖面完全確定以后，就可以把邊界處面板寬度不一致的影響也考慮進(jìn)去，以整個(gè)艙壁每米高度的重量作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行對(duì)比論證，得到適用本船的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

5初步優(yōu)化方案

初步研究基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論公式(非規(guī)范公式)編制計(jì)算表格。載荷僅考慮預(yù)設(shè)貨品密度為1.53 t/m3的液貨在計(jì)算點(diǎn)處產(chǎn)生的液體靜壓力。計(jì)算公式僅考慮屈服強(qiáng)度(包括整體彎曲強(qiáng)度和局部彎曲強(qiáng)度)的影響。結(jié)構(gòu)材料均采用屈服極限為315 N/mm2的高強(qiáng)度鋼。腐蝕余量取2.5 mm。

對(duì)寬度bf、腹板寬度bw、槽形深度dcg三個(gè)參數(shù)在500 mm～1 500 mm范圍內(nèi)分別按照50 mm步長(zhǎng)取值組合，共得到4 850種可行的組合方案。

分別計(jì)算各組合方案中單元槽條需要的板厚、槽形角和槽條的展開長(zhǎng)度等，進(jìn)一步得到各組合方案的單位寬度截面積。對(duì)比分析后得到以下一般性結(jié)論。

(1) 板寬度和腹板寬度接近時(shí)趨于單位寬度的截面積最小。

(2) 槽形角φ在45°～70°之間趨于單位寬度的截面積最小。

651 000載重噸Ⅱ類化學(xué)品/成品油船槽形艙壁優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

類似船型目前流行的槽形艙壁設(shè)計(jì)方案中，槽條面板(或腹板)寬度一般介于1 000 mm～1 200 mm之間，槽形角一般介于65°～80°之間。

參考以上流行設(shè)計(jì)方案和初步優(yōu)化得到的一般性結(jié)論，結(jié)合舯橫剖面設(shè)計(jì)，按照CSR規(guī)范的結(jié)構(gòu)布置要求，制定了5個(gè)槽形艙壁對(duì)比設(shè)計(jì)方案見表1。考慮到初步優(yōu)化方案中沒有考慮槽條面板屈曲的影響，因此在本次優(yōu)化的對(duì)比方案中把槽條腹板寬度設(shè)計(jì)得比面板寬度略大了一些。

表1　對(duì)比設(shè)計(jì)方案

針對(duì)以上5個(gè)設(shè)計(jì)方案，分別進(jìn)行了規(guī)范計(jì)算，得到槽條板的計(jì)算厚度，并進(jìn)一步得到整個(gè)艙壁每米高度的重量，見表2。

表2　對(duì)比設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果

可見，采用方案1的設(shè)計(jì)在滿足規(guī)范要求的條件下，重量和成本最優(yōu)。51 000載重噸Ⅱ類化學(xué)品/成品油船的典型橫艙壁的最終設(shè)計(jì)，在方案1的基礎(chǔ)上考慮到與縱向槽形艙壁設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)一致，進(jìn)行了細(xì)微調(diào)整，最終設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3　最終設(shè)計(jì)方案

7結(jié)束語

本文通過建立理想化的理論模型和針對(duì)實(shí)船設(shè)計(jì)制定對(duì)比方案，對(duì)51 000載重噸Ⅱ類化學(xué)品/成品油船典型橫艙壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩個(gè)階段的設(shè)計(jì)優(yōu)化。其中，理論模型的優(yōu)勢(shì)是約束條件和計(jì)算工作量較少，易于實(shí)現(xiàn)大量計(jì)算，其得到的一般性結(jié)論可以用于指導(dǎo)針對(duì)實(shí)船設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的制定。而針對(duì)實(shí)船設(shè)計(jì)制定的優(yōu)化方案優(yōu)勢(shì)是針對(duì)性和實(shí)用性很強(qiáng)，基于規(guī)范設(shè)計(jì)的對(duì)比方案幾乎可以直接用于實(shí)船設(shè)計(jì)中。

隨著設(shè)計(jì)的深入進(jìn)行了貨艙區(qū)艙段有限元模型的直接強(qiáng)度計(jì)算分析，其結(jié)果也驗(yàn)證了本船槽形艙壁的設(shè)計(jì)參數(shù)選取是比較成功的。

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作者簡(jiǎn)介：王璐璐 (1982-)，女，教師，研究方向?yàn)榇霸敿?xì)設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào)U674

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

Optimization Design Study on the Shape of Typical Tank Transverse Bulkhead of Chemical Ship

WANG Lu-lu

(Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao Liaoning 125000， China)

AbstractThe 51 000 tons deadweight II class of chemicals for/product oil tanker typical transverse bulkhead structure design. Through two stages of optimization, corrugated bulkhead optimization design of general conclusions was obtained, and for ship economic optimal parameter combination scheme was selected.

KeywordsChemical tankerCorrugated bulkheadOptimization design