1400TEU雙燃料集裝箱船船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

孫文利 王昆明 徐進(jìn)初

Abstract： This paper introduces the hull structure layout characteristics of 1400TEU dual-fuel container vessel and the structural optimization scheme made in the design.

Key words： 1400TEU dual-fuel container vessel; Structure optimization design; LNG

1? ? 船舶概況

本船為以燃油和液化天然氣（LNG）為燃料的1400TEU雙燃料遠(yuǎn)洋集裝箱船，配備一臺低轉(zhuǎn)速主機(jī)、單槳（可調(diào)槳），滿足芬蘭、瑞典1A冰區(qū)等級要求，入級ABS。

本船設(shè)有4個貨艙，每個貨艙均可裝載5層96”高箱，并均可裝載2 550 mm寬箱和45長箱，中間還可裝載2 600 mm寬箱，滿足裝載多樣化要求，甲板面和艙蓋上可裝載2 600 mm寬箱。

本船主尺度如下：

本船貨艙區(qū)域設(shè)抗扭箱、雙殼舷側(cè)、雙層底，底部設(shè)置管弄;各層甲板無梁拱;尾部螺旋槳后帶有一個扭曲舵并帶舵球。

本船配有首、尾側(cè)推;設(shè)封閉首尾;上層建筑和機(jī)艙設(shè)在尾部;三個C型LNG罐體布置在近船中的橫艙壁里。

本船船體結(jié)構(gòu)按ABS規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計：貨艙區(qū)域為雙層底結(jié)構(gòu)、舷側(cè)為雙殼;首尾及機(jī)艙區(qū)域為單殼結(jié)構(gòu);底部設(shè)管弄;底部、舷側(cè)、首尖艙共設(shè)30個專用壓載水艙;貨艙區(qū)域為橫骨架式結(jié)構(gòu)，首尾及機(jī)艙區(qū)域為縱骨架式結(jié)構(gòu)。

本船的初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計是由國外設(shè)計公司負(fù)責(zé)，我公司負(fù)責(zé)詳細(xì)設(shè)計的細(xì)化和優(yōu)化。由于原設(shè)計公司的詳細(xì)設(shè)計圖紙比較粗略，且部分設(shè)計節(jié)點不利于施工。針對以上問題，我們對原詳細(xì)設(shè)計圖紙進(jìn)行了完善和優(yōu)化。

2? ? 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

2.1? 貨艙區(qū)域主體結(jié)構(gòu)板材和型材規(guī)格的選取優(yōu)化

設(shè)計公司提供的初版貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)圖，貨艙集裝箱階梯平臺的縱壁板和平臺板上的球扁鋼規(guī)格取值基本上都是HP260x11。而根據(jù)經(jīng)驗，這個主尺度范圍的集裝箱船在貨艙內(nèi)的球扁鋼規(guī)格取值一般是HP200x10～HP240x10之間，設(shè)計公司提供的取值明顯偏大。因沒有使用過ABS船級社的結(jié)構(gòu)規(guī)范計算軟件，于是我們用GL船級社的規(guī)范計算軟件POSEIDON對中橫剖面圖進(jìn)行了規(guī)范計算。根據(jù)計算結(jié)果，我們對部分板材和球扁鋼的規(guī)格進(jìn)行了優(yōu)化，并送審船級社，得到船級社認(rèn)可。

通過這些板材和型材的規(guī)格優(yōu)化，結(jié)構(gòu)重量減輕約20 t，降低材料和施工成本約20萬元。

2.2? 貨艙內(nèi)30呎集裝箱橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計優(yōu)化

設(shè)計公司提供的30呎集裝箱橫向加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，存在以下問題：（1）堆箱的方式與實際不符，導(dǎo)致設(shè)計的橫向加強(qiáng)的位置與實際情況不符;（2）抗扭箱內(nèi)設(shè)計的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)擋住了管子的布置;（3）遺漏了艙口圍處的橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計;（4）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與集裝箱橫向拉壓元件是邊線對齊，而船級社要求中線對齊。

針對以上問題，我們首先按照實際堆箱的情況，明確了集裝箱橫向拉壓元件的位置;再根據(jù)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與拉壓元件中線對齊的原則確定了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的位置;然后對擋住管子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，將加強(qiáng)結(jié)構(gòu)做大后開孔讓管子穿過。

通過這些設(shè)計優(yōu)化，既減少了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的數(shù)量，又方便了管子的布置。優(yōu)化方案得到了船級社的認(rèn)可。

2.3? 貨艙LNG氣體處理間上方集裝箱箱座加強(qiáng)的設(shè)計優(yōu)化

由于布置LNG氣體處理間通風(fēng)風(fēng)機(jī)的要求，需將LNG氣體處理間上方的兩列箱向上抬高800 mm，以便留出空間做風(fēng)機(jī)室。設(shè)計公司提供的LNG罐艙結(jié)構(gòu)圖中存在以下問題：（1）漏畫最靠舷側(cè)一列箱的箱座及其加強(qiáng)結(jié)構(gòu);（2）箱座下方支撐結(jié)構(gòu)高度僅130 mm，無法施工;（3）船舯和舷側(cè)處的箱座結(jié)構(gòu)擋住了風(fēng)機(jī)進(jìn)入貨艙風(fēng)機(jī)室。此外，船級社還要求船廠提供集裝箱箱座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的有限元計算。

針對這些問題，首先我們參考艙蓋上的箱座及其加強(qiáng)形式，補(bǔ)充了舷側(cè)缺少的箱座及其加強(qiáng)，然后將中間一列箱的箱座抬高800 mm，在箱座下面增加一個底座結(jié)構(gòu)，底座設(shè)置為外側(cè)坡口單面焊的密閉盒子;另外，將高度130 mm的箱座加強(qiáng)由封閉形式改為敞開形式，并且將上面的蓋板面積做到最小，這樣就能夠焊到內(nèi)部與箱座對應(yīng)的肘板。將箱座加強(qiáng)面積做小后，也留出了位置給風(fēng)機(jī)，讓風(fēng)機(jī)能順利進(jìn)入風(fēng)機(jī)室。

最后，我們將修改后的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，根據(jù)船級社規(guī)范的要求對箱座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計算（見圖1），計算結(jié)果（表1）得到了船級社的認(rèn)可。

2.4? 首、尾部側(cè)推器筒體的設(shè)計優(yōu)化

在進(jìn)行側(cè)推器結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)時，發(fā)現(xiàn)本船首尾的線型很瘦削，導(dǎo)致首部側(cè)推器筒體伸出了外板，尾部側(cè)推器筒體離外板也非常近。如果外板處再算上喇叭口的距離和側(cè)推器格柵安裝的空間，則側(cè)推器廠家提供的筒體部分會伸出外板，與船廠自制的筒體無法形成一個封閉的圓筒（見圖2），必須對側(cè)推器的布置或筒體的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)過與設(shè)計公司及側(cè)推器廠家多次溝通：設(shè)計公司表示尾側(cè)推器上方馬達(dá)布置的空間非常有限，如果朝右舷移動馬達(dá)將會與尾軸相碰;側(cè)推器廠家則表示為保證側(cè)推器的效率，首側(cè)推器的槳葉必須在船舯區(qū)域附近，無法再向右移動。這樣就使得首、尾側(cè)推器都無法向右移動，只能對側(cè)推器筒體的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。為此，我們首先用CATIA輔助建立3D模型，確定外板處喇叭口的線型（見圖3和圖4），然后沿著喇叭口的線型向內(nèi)偏移出側(cè)推器格柵的安裝位置，檢查格柵與側(cè)推器槳轂之間的間隙，最后將整個左舷的側(cè)推器筒體進(jìn)行放樣，由側(cè)推器廠家按照放樣制作左舷的筒體，右舷筒體則由船廠制作（見圖5）。經(jīng)過放樣和檢查，問題得到圓滿解決。

2.5? LNG罐艙結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

原設(shè)計LNG罐艙結(jié)構(gòu)圖退審圖意見：（1）LNG罐艙結(jié)構(gòu)的材質(zhì)應(yīng)按照ABS規(guī)范選取;（2）LNG罐艙支撐LNG罐的結(jié)構(gòu)需做受力分析計算;（3）LNG罐止浮塊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)缺失;（4）LNG罐艙內(nèi)的通道開孔應(yīng)不小于600x600 mm。

針對以上問題，我們采取了以下措施：（1）按ABS規(guī)范確定LNG罐艙的材質(zhì);（2）對LNG罐止浮塊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和通道開孔進(jìn)行設(shè)計;（3）對LNG罐支撐結(jié)構(gòu)和LNG罐止浮塊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元受力分析計算。

通過研究ABS規(guī)范發(fā)現(xiàn)LNG罐艙在服務(wù)時會一直處于低溫環(huán)境，于是我們根據(jù)LNG罐外委設(shè)計公司TGE提供的LNG罐艙溫度場分析計算結(jié)果確定了LNG罐艙內(nèi)各處結(jié)構(gòu)的材質(zhì)。

但船東提出該溫度場計算是基于環(huán)境溫度為+5℃來計算的，而本項目船運(yùn)營的區(qū)域是北部波羅的海，該區(qū)域在冬季的日常溫度將達(dá)到-30 ℃，屆時LNG罐艙內(nèi)的實際溫度將會更低。關(guān)于船東的這個要求，經(jīng)與船東、租約方、船級社、設(shè)計公司等多方會談，征得掛旗國同意，最終確定本船運(yùn)營時最低的環(huán)境溫度取為-20 ℃，LNG罐艙的溫度場需按此溫度重新計算，于是我們按照更新后的LNG罐艙溫度場相應(yīng)的更新了各處結(jié)構(gòu)選用的材質(zhì)。

在重新設(shè)計LNG罐艙通道開孔時遇到了較大的困難，LNG罐艙結(jié)構(gòu)太緊湊，罐體四周又有支撐結(jié)構(gòu)，沒有足夠的空間來布置600x600 mm的通道孔和直梯。

經(jīng)過與舾裝設(shè)計人員的溝通，并在3D模型和CAD圖中反復(fù)放樣和論證，最終確定了可行的設(shè)計方案：通道孔盡量靠近縱壁設(shè)置，通道孔四個角設(shè)置較大的倒圓，取消直梯，在縱壁上開踏步孔來代替直梯。該方案獲得了船級社的認(rèn)可。

我們對LNG罐支撐結(jié)構(gòu)和止浮塊結(jié)構(gòu)也建立了有限元模型，根據(jù)LNG罐設(shè)計廠家提供的受力情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力分析計算，并按計算結(jié)果調(diào)整了結(jié)構(gòu)板厚和材質(zhì)。

3? ?結(jié)束語

本船是我公司首次建造的雙燃料和入芬蘭、瑞典1A冰級的集裝箱船，在設(shè)計和建造過程中遇到了非常大的困難。我們充分運(yùn)用了有限元分析軟件，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析計算，對板厚和型材規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化，減輕了全船的結(jié)構(gòu)重量。我們還運(yùn)用了CATIA三維建模軟件對側(cè)推器筒體附近的外板和喇叭口進(jìn)行建模和放樣，得到準(zhǔn)確的外板線型數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化了側(cè)推器筒體的設(shè)計。

通過本船的設(shè)計，設(shè)計人員對LNG燃料船的結(jié)構(gòu)材質(zhì)要求有了深刻的認(rèn)識，提升了設(shè)計能力和經(jīng)驗。