64 000 DWT散貨船結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和建造

劉在良，夏小浩，邵漢東

(1. 浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021；2. 揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司，浙江 舟山 316100)

0 引 言

散貨船是世界航運(yùn)界運(yùn)輸中的主力船型之一，由于其尺度港口適應(yīng)性強(qiáng)，裝卸方便靈活，對(duì)港口條件要求低，能適裝多種大眾必須生活和生產(chǎn)物資，如煤、谷物、大米、水泥等。散貨船以其他交通工具無(wú)法比擬的優(yōu)越性、良好經(jīng)濟(jì)性在航運(yùn)界廣受青睞。

結(jié)構(gòu)輕量化是散貨船的重要技術(shù)指標(biāo)，許多學(xué)者圍繞散貨船結(jié)構(gòu)輕量化，展開(kāi)了一些有益的探索與研究，劉晗[1]通過(guò)建立全船有限元，對(duì)一條散貨船進(jìn)行全船有限元靜力分析，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)目的；賈濤寧[2]通過(guò)研究指出1艘45 000 DWT散貨船空船重量降低44.5 t，EEDI指數(shù)減小4.11%；欽倫洋[3]在研究國(guó)內(nèi)外拓?fù)鋬?yōu)化方法基礎(chǔ)上，利用Ansys軟件對(duì)船舶艙壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化研究。

本文結(jié)構(gòu)輕量設(shè)計(jì)和建造是基于64 000 DWT散貨船實(shí)例，在滿足CSR規(guī)范前提下，通過(guò)總布置合理規(guī)劃，結(jié)構(gòu)合理布局，有限元直接計(jì)算替代規(guī)范法，制造中控制重量等方法方式，來(lái)達(dá)到控制和減輕船體重量。

1 船舶概況

本船為SDARI設(shè)計(jì)，揚(yáng)帆集團(tuán)批量建造的HANDYMAX超靈便最大型單殼，滿足BC-A共同規(guī)范的散貨船。主尺度如表1所示。

本船為單機(jī)、單槳、單甲板、球首、帶首尾樓、尾機(jī)型船舶。全船設(shè)置5個(gè)貨艙、5對(duì)液壓折疊式的鋼質(zhì)風(fēng)雨密艙蓋；設(shè)置4臺(tái)全回轉(zhuǎn)35×30 m克令吊，燃油艙位于No.4、No.5貨艙的頂邊艙內(nèi)，與邊殼和壓載水艙隔離；底凳與雙底相連作為壓載艙使用；適裝大眾貨物，并可裝載2層25 t鋼卷、Grab（20 t）、裝載部分B類危險(xiǎn)品等貨物；No.3貨艙兼做風(fēng)暴壓載水艙，預(yù)留壓載水處理裝置位置；在環(huán)保方面設(shè)置燃油艙保護(hù)、SOx、NOx、壓載水、生活污水等排放物符合IMO最新規(guī)范。本船線型經(jīng)過(guò)CFD優(yōu)化，具有較低的油耗。船型如圖1所示。

表 1 主尺度Tab. 1 Principal particulars

圖 1 64 000 DWT散貨船概況Fig. 1 General of 64 000 DWT buck carrier

2 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

本船橫剖面布置結(jié)構(gòu)為精典的單殼散貨船，貨艙設(shè)置底邊艙、頂邊艙及雙層底作為壓載水艙；開(kāi)口邊線外設(shè)底邊艙、頂邊艙；強(qiáng)力甲板、船底采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，舷側(cè)采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，典型橫剖面見(jiàn)圖2。

圖 2 典型橫剖面圖Fig. 2 Typical mid section plan

2.1 優(yōu)化總體布置，降低最大總縱彎矩和剪力，減小構(gòu)件尺寸

總體布置時(shí)，為提高載貨容積，盡可能壓縮首部和機(jī)艙長(zhǎng)度，增大貨艙長(zhǎng)度。雖然提高載貨容積，但是要避免重力與浮力不平衡的顯著變化。為此分艙時(shí)，要對(duì)各裝載工況的彎矩和剪力進(jìn)行分析和比對(duì)；通過(guò)反復(fù)調(diào)整分艙長(zhǎng)度、壓載系統(tǒng)的布置，并充分考慮IACS UR S11，S17對(duì)貨艙進(jìn)水的強(qiáng)度要求，來(lái)降低船體梁總縱彎矩[4]；另外No.3壓載艙作為風(fēng)暴艙，盡可能減小艙容，其容積占比其他貨艙的90%為宜，有利于UR S17要求的單個(gè)貨艙進(jìn)水工況，船體梁總縱彎矩的降低。圖3為本船在完整工況、進(jìn)水工況和港口工況時(shí)船體梁總縱許用彎矩包絡(luò)線圖，根據(jù)各裝載工況計(jì)算結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)余量考慮，本船在進(jìn)水狀態(tài)下所受總縱彎曲應(yīng)力最大，中拱3 162 000 kN·m，中垂–2 982 000 kN·m。

圖 3 總縱許用彎矩包絡(luò)線Fig. 3 Permissible values of SWBM

通過(guò)改變吃水也可以來(lái)降低總縱彎矩，本船規(guī)范要求的干舷為5 222 mm，本船實(shí)際為5 228 mm，只有6 mm的富裕干舷余量，本船已做到極至，其他船舶可以用來(lái)參考。

總縱彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力校核時(shí)，常用的設(shè)計(jì)方法，取船體梁0.4~0.5 L處最大彎矩和最大剪力值用來(lái)校核各橫剖面的剖面模數(shù)，這樣的校核結(jié)果，往往導(dǎo)致非最大彎矩和剪力剖面構(gòu)件出現(xiàn)過(guò)大的冗余量，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸變大。本船設(shè)計(jì)中，根據(jù)每一剖面處相應(yīng)的彎矩和剪力值作為設(shè)計(jì)載荷值進(jìn)行模數(shù)校核，得出的各剖面構(gòu)件尺寸抵抗“真實(shí)”載荷，結(jié)構(gòu)尺寸冗余量減少。設(shè)計(jì)理念更加科學(xué)，更加尊重事實(shí)。

2.2 合理布局結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕結(jié)構(gòu)重量

本船的頂邊艙布置每6檔肋位設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)框架，底邊艙每3個(gè)肋位布置一個(gè)強(qiáng)框，為減少?gòu)?qiáng)框數(shù)量，通過(guò)合理配置，貨艙槽形壁布置在上下邊艙都是強(qiáng)框架處，按每個(gè)強(qiáng)框1.5 t計(jì)算，減輕9 t結(jié)構(gòu)重量。

No.3貨艙作為風(fēng)暴壓載艙，位置處于船中附近，在相同工況下，其所受載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他貨艙，為減小底部和甲板縱向構(gòu)件計(jì)算跨距，底凳朝向布置都朝向No.3貨艙，可以縮短計(jì)算跨距2.46 m，減小了構(gòu)件尺寸[5]。

通常機(jī)艙區(qū)域采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，本船方形系數(shù)較大0.89，考慮到機(jī)艙舷側(cè)線型變化較緩，也不會(huì)加大施工構(gòu)件成形加工量，在機(jī)艙舷側(cè)由橫骨架式改為縱骨架式結(jié)構(gòu)形式，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重量。

本船的克令吊采用筒體獨(dú)體安裝設(shè)計(jì)，區(qū)別于通用的桅屋與筒體一體設(shè)計(jì)方式，筒體根部插入雙層艙壁800 mm，有限元屈服強(qiáng)度校核分析滿足規(guī)范要求；根據(jù)目前在航船舶應(yīng)用結(jié)果，運(yùn)行正常。這種獨(dú)體設(shè)計(jì)，避免了桅屋受到筒體擠壓作用力，使桅屋構(gòu)件局部加厚，構(gòu)件加大。本船克令吊筒體插入船體800 mm強(qiáng)度足夠，而常規(guī)設(shè)計(jì)看到，筒體需要插入到平臺(tái)處至少2 m，結(jié)構(gòu)強(qiáng)化很多，所以這種克令吊筒體獨(dú)體與桅屋一體設(shè)計(jì)，有待思考空間。

2.3 有限元直接計(jì)算替代規(guī)范計(jì)算，減少結(jié)構(gòu)尺寸冗余

根據(jù)CSR規(guī)范，本船屬于常規(guī)船型，有限元強(qiáng)度計(jì)算并不需要做常規(guī)意義上的全船有限元強(qiáng)度分析，即加載水動(dòng)力載荷計(jì)算全船強(qiáng)度，所以強(qiáng)度計(jì)算仍然采用常規(guī)的三艙段分析，取一個(gè)完整的貨艙及其前后2個(gè)半艙的長(zhǎng)度即(1/2+1+1/2)作為分析對(duì)象，著重分析評(píng)估其整個(gè)貨艙在CSR各工況作用下，根據(jù)規(guī)范要求衡準(zhǔn)值，校核縱向和橫向構(gòu)件屈服及屈曲強(qiáng)度，考察各工況作用下構(gòu)件的變形情況，其他貨艙段不需要再建模評(píng)估分析，其構(gòu)件的尺寸大小根據(jù)上述三艙段分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)覆蓋。

雖然規(guī)范要求的評(píng)估方法節(jié)約了時(shí)間、減少了工作量，由于船舶在不同的位置所受到外界載荷不一致，不同位置處的結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身也存在個(gè)別差異。因此從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、船體輕量化角度和對(duì)本船強(qiáng)度的把控能力來(lái)講，還是欠缺，因此，對(duì)每一個(gè)貨艙都需要單獨(dú)做三艙段強(qiáng)度評(píng)估與分析，中部平行中體3個(gè)貨艙，采用3個(gè)完整貨艙的長(zhǎng)度來(lái)建模型，在Patran中可以大量復(fù)制和拷貝，建模工作量較小，計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

對(duì)No.1，No.5貨艙，仍采用1/2+1+1/2的貨艙長(zhǎng)度來(lái)建模型，尾至機(jī)艙長(zhǎng)度1/2處，首至首尖艙1/2長(zhǎng)度。由于首尾線型變化較大，構(gòu)件變化較多，建模相對(duì)工作量較大，但是這樣可以有效地減小邊界效應(yīng)對(duì)被評(píng)估最首No.1貨艙和最尾No.5貨艙的不利影響[6]。如圖5為No.1，No.5貨艙計(jì)算模型。其邊界定義，載荷定義與工況選擇與上述艙室一致，符合CSR規(guī)范。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，重復(fù)計(jì)算，得出圖6~圖8示例的有限元分析結(jié)果云圖。顯然，優(yōu)化以后的結(jié)構(gòu)，船體梁很多主要構(gòu)件所受到彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力及屈曲因子接近于規(guī)范要求許用應(yīng)力值；

圖6為No.4貨艙外板和底邊桁材的有限元板厚顯示云圖，受局部強(qiáng)度影響，板厚種類很多，板厚布置呈“豆腐塊”分布。

圖 4 No.2，No.3，No.4貨艙計(jì)算模型Fig. 4 FEM model for No.2/No.3/No.4 cargo hold

圖 5 No.1，No.5貨艙計(jì)算模型Fig. 5 FEM model for No.1/No.5 cargo hold

圖 6 No.4貨艙外板和底部桁材有限元板厚云圖Fig. 6 Von-mises stress of the shell of C/H and side girder of double bottom

圖7為No.3貨艙外板和橫向構(gòu)件的材料屬性云圖，為減薄板厚，減輕重量，提高了貨艙區(qū)材料的屈服點(diǎn)，大面積采用高強(qiáng)度鋼，貨艙區(qū)域高強(qiáng)度鋼占比達(dá)到90%，船體梁剛性達(dá)到極限。

圖8為No.2貨艙外板有限元屈曲因子云圖和船底外板展圖，外板屈曲因子達(dá)到規(guī)范臨界值1，從外板展開(kāi)圖看到，船級(jí)社不得不額外增加屈曲筋。為降低板厚，減少重量，在主甲板也增加很多屈曲筋。

圖 7 No. 3貨艙外板和橫向構(gòu)件有限元材料屬性云圖Fig. 7 Von-mises stress of the shell and transverse construction for No.3 C/H

圖 8 外板有限元屈曲因子云圖和船底外板展開(kāi)圖Fig. 8 Buckling result of the shell and shell expansion in No.2 C/H

由此可見(jiàn)，有限元強(qiáng)度直接計(jì)算對(duì)降低板材厚度，減小構(gòu)件尺寸，降低船體重量可以精確準(zhǔn)確。而傳統(tǒng)的規(guī)范法采用大量的力學(xué)簡(jiǎn)化和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，很難直觀、準(zhǔn)確地校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[7]，一般選用的構(gòu)件尺寸通常比較保守。

本船的設(shè)計(jì)是基于原SDARI 57 000 DWT散貨船基礎(chǔ)上完成，表2是兩船鋼料及載重量比較。

表 2 Dolphin 64與Dolphin57 K對(duì)比表Tab. 2 Comparison table for Dolphin 64 and Dolphin57 K

從表2看到，載重量提高了6 800 t，空船重量只增加312 t，輕量化設(shè)計(jì)對(duì)船舶載重量提高顯著。

3 通過(guò)合理制造工藝，減少多余的輔助結(jié)構(gòu)重量

通常焊材占船體重量1%~2%，雖然占比較小。由于焊接工作量、參于人數(shù)雜、技術(shù)水平參差不齊、焊腳高度得不到控制，導(dǎo)致焊接焊材重量難以控制。為控制焊材重量，減少人為不確定因素，建造中采取機(jī)器代人，各制造工位盡可能提高自動(dòng)焊半自動(dòng)焊范圍，大合攏階段大合攏平直段也采用垂直替換手工焊。

針對(duì)本船優(yōu)化后的板厚比較零星，通過(guò)優(yōu)化分段劃分和裝配作業(yè)順序，優(yōu)化套料手段，以避免厚板替代薄板現(xiàn)象。

優(yōu)化全船操作小平臺(tái)，小設(shè)備基座，避免小基座小平臺(tái)大構(gòu)件。

對(duì)輔助制造作業(yè)用的吊碼，輔助作業(yè)通道用鋼，一律清根割除。

通過(guò)船舶建造中控制，揚(yáng)帆所建造的64 000 DWT比其他船廠建造空船重量輕300 t。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所提輕量化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與建造控制手段，具有現(xiàn)實(shí)的可操作性，雖然其設(shè)計(jì)、計(jì)算、制造中比平常所花時(shí)間更多、更嚴(yán)謹(jǐn)，但是實(shí)實(shí)在在能減輕空船重量，提高載貨量，提升了船舶設(shè)計(jì)水平。對(duì)載貨型船舶，空船重量指標(biāo)控制較嚴(yán)格的船舶具有較高的參考價(jià)值。

將來(lái)隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，基于有限元數(shù)字化計(jì)算技術(shù)的不斷深入，開(kāi)展結(jié)構(gòu)輕量化數(shù)值仿真將是趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果和仿真手段方法將更加準(zhǔn)確，簡(jiǎn)單方便，將為智能船舶船體結(jié)構(gòu)專家系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。