無橫撐、少制蕩艙壁的VLCC 貨艙優(yōu)化設(shè)計(jì)

邱偉強(qiáng) 吳 俊 李留洋 高 處 王連成

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.北京中遠(yuǎn)海運(yùn)船舶貿(mào)易有限公司 北京100027）

引 言

傳統(tǒng)VLCC 的貨艙縱艙壁垂直桁之間一般設(shè)置水平橫撐［1］，水平橫撐雖然能夠有效減小縱艙壁垂直桁的跨距，但對于船廠的建造工藝造成很大麻煩。因此，韓國的結(jié)構(gòu)工程師就曾提出無水平橫撐的VLCC 設(shè)計(jì)方案［2］，他們所采用的技術(shù)方案要點(diǎn)是以加大的縱艙壁水平桁來代替水平橫撐支撐縱艙壁垂直桁，減小它的計(jì)算跨距。但這樣的設(shè)計(jì)造成了縱艙壁水平桁施工工程量和重量急劇增加，并不能顯著減輕貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)重量，也不能顯著減少貨艙區(qū)建造的工程量。

傳統(tǒng)VLCC 通常有4 對制蕩艙壁，制蕩艙壁的制作同樣增加了船廠較多工藝成本和材料成本。每對制蕩艙壁（不含雙底雙殼區(qū)域）重約150 t。以某傳統(tǒng)VLCC 為例，制蕩艙壁總長約116 m，總重約580 t。

另外，傳統(tǒng)VLCC 如果要滿足新的油船散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范［3］（以下簡稱CSR-H），則裝載手冊中所有工況的靜水彎矩包絡(luò)值將更大一些，對于船體結(jié)構(gòu)重量控制和船體安全性均不利。

如何取消VLCC 縱艙壁垂直桁間水平橫撐、減少貨艙制蕩艙壁的數(shù)量并盡量控制裝載手冊中所有工況的靜水彎矩包絡(luò)值，一直是VLCC 船型研發(fā)的需要注意的問題。本文旨在提出并設(shè)計(jì)一型無橫撐、少制蕩艙壁且船體更安全的VLCC。無橫撐設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要途徑是主要支撐構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化［4］和形狀參數(shù)優(yōu)化。而要想實(shí)現(xiàn)少制蕩艙壁、控制靜水彎矩包絡(luò)值的目的，則主要依靠貨艙優(yōu)化布置。本文將著重研究這兩方面的問題。

1 VLCC 的貨艙布置方案分析

1.1 VLCC的貨艙縱向分艙

1.1.1 VLCC 貨艙區(qū)總長選定

根據(jù)已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，VLCC 的貨艙長度一般為252～257 m，不同船型根據(jù)載重量、線型設(shè)計(jì)特征和機(jī)艙布置方案不同而略有不同。一般較大載重量（32 萬噸級）的VLCC 相對較小載重量（30 萬噸級）的VLCC 貨艙略長。首尾線型略瘦、方型系數(shù)略小的VLCC 貨艙長度相對較短，可能接近252 m。本文將針對貨艙總長254.6 m 這樣一個(gè)中間狀態(tài)進(jìn)行貨艙布置方案規(guī)劃。

1.1.2 橫艙壁位置的優(yōu)選

傳統(tǒng)VLCC 在橫向分為左、中、右3 個(gè)貨艙，在縱向一般劃分為5 組艙，且各組艙中貨艙的艙長基本相當(dāng)，通常在49～51 m。除第5 邊油艙之外，其他邊貨艙的長度超過了0.13 倍的結(jié)構(gòu)船長（用LS表示），根據(jù)CSR-H 要求，需要在每對邊貨艙的內(nèi)部設(shè)置制蕩艙壁，否則應(yīng)按照入級船級社的要求進(jìn)行特定的晃蕩載荷分析，對結(jié)構(gòu)重量控制不利（參見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)VLCC的貨艙布置方案

如果要想盡可能多的貨艙免于特定的晃蕩載荷分析，僅從滿足規(guī)范要求的角度，應(yīng)考慮盡可能將更多的邊油艙長度限制在0.13LS之內(nèi)，對于VLCC 而言，邊油艙長度應(yīng)小于42 m。這樣一來，如果還想保持5 組貨艙，則必然有些貨艙長于51 m。另外考慮到VLCC 的貨艙長度如果太長，則一方面可能超過Marpol 的硬性長度限制［5］（不超過0.2 倍兩柱間長），另外一方面也將使貨艙的橫向強(qiáng)度相對更難滿足。因此，單個(gè)貨艙的長度建議不超過58 m，在本文中考慮貨艙長度上限取為57.6 m。接下來，首先要確定首尾貨油艙的長度：

（1）考慮到首部第1 貨艙因?yàn)槭撞烤€型內(nèi)收的影響，單位長度的貨艙艙容更?。涣硗饪紤]到第1貨艙的底部區(qū)域因?yàn)樾枰獫M足砰擊載荷下的強(qiáng)度要求已經(jīng)取為較大的構(gòu)件尺寸，整體剛度較大，船體底部整體橫向強(qiáng)度不成問題，所以可以考慮將首部第1 貨油艙設(shè)置為較長的貨艙，并在邊貨艙設(shè)置制蕩艙壁。但第1 貨油艙的長度也不宜過長，否則將對破艙穩(wěn)性和隔艙裝載下的浮態(tài)控制不利，經(jīng)過多方案比較，本船的第1 貨油艙的長度確定為55.6 m，比傳統(tǒng)VLCC 首部第1 艙長1 個(gè)強(qiáng)框間距左右。

（2）按照VLCC 的傳統(tǒng)布置方式，將Slop 艙布置在貨艙尾部區(qū)域，占3 檔強(qiáng)框間距。第5 中油艙的長度取57.6 m 或者52.4 m，比傳統(tǒng)VLCC 第5艙長1 個(gè)強(qiáng)框間距左右或者基本相當(dāng)。而第5 邊油艙的長度小于42 m，按照CSR-H 規(guī)定可在不加制蕩艙壁的情況下免于特定的晃蕩載荷分析。

（3）當(dāng)?shù)? 中油艙的長度取為57.6 m 時(shí)，從貨艙配載的便利性、破艙穩(wěn)性以及貨艙整體剛度均衡性的角度，與首尾兩個(gè)長貨艙相鄰的2、4 貨艙不宜再設(shè)置為長貨艙。第2 和第4 貨油艙均設(shè)置為長度不超過42 m 的相對較短貨艙，長約41.9 m（如圖2 方案1 所示）。如此一來，這一組貨艙可以在不加制蕩艙壁的情況下免于特定的晃蕩載荷分析。這樣一個(gè)貨艙長度約比傳統(tǒng)VLCC 短1.5 個(gè)強(qiáng)框間距。還有另外一種考慮方案是當(dāng)?shù)? 中油艙的長度取為52.4 m 時(shí)，將第2 組、第4 組貨油艙同設(shè)為52.4 m，比傳統(tǒng)VLCC 略長3%。第4 邊油艙設(shè)置制蕩艙壁。而第2 邊油艙考慮兩種設(shè)計(jì)方案，一種是設(shè)置制蕩艙壁（如圖3 方案2 所示）；另一種方案是將第2 邊油艙之后的2 個(gè)強(qiáng)框間距空間歸到邊第3 壓載艙（如圖4 方案3 所示）。

圖2 無橫撐少制蕩艙壁VLCC的貨艙縱向分艙方案1

圖3 無橫撐少制蕩艙壁VLCC的貨艙縱向分艙方案2

圖4 無橫撐少制蕩艙壁VLCC的貨艙縱向分艙方案3

（4）當(dāng)?shù)? 中油艙長57.6 m，而第2、4 組貨油艙長41.9 m 時(shí)，中間第3 貨油艙應(yīng)為長艙，考慮與第5 貨油艙同為57.6 m，比傳統(tǒng)VLCC 長1 個(gè)強(qiáng)框間距左右。第3 邊油艙的布置也有兩種方案，一種是可與中油艙同為57.6 m，這樣一來則需要在艙中設(shè)置制蕩艙壁（如圖2 所示）。另外，也可以考慮采用另外一種艙壁布置方案4，即將第3 邊油艙之前、第2 邊油艙之后的3 個(gè)強(qiáng)框間距空間歸到邊第3 壓載艙，與此同時(shí)，第5 壓載艙可以一直延伸到機(jī)艙前端壁，從而整個(gè)貨艙壓載艙可減少一對（如圖5 方案4 所示）。當(dāng)?shù)?、4、5 組貨油艙長同為52.4 m 時(shí)，第3 組貨油艙應(yīng)為長度約41.9 m 的短貨艙，第3 邊油艙可以免設(shè)制蕩艙壁。

圖5 無橫撐少制蕩艙壁VLCC的貨艙縱向分艙方案4

第3 邊油艙之前、第2 邊油艙之后的2 個(gè)或者3 個(gè)強(qiáng)框間距空間歸到邊第3 壓載艙的設(shè)計(jì)方案有以下幾項(xiàng)突出特征：將壓載艙的整體形心向船中拉近，而將貨油艙的整體重心稍微后移。突出優(yōu)點(diǎn)有4 個(gè)，一是有利于控制正常壓載狀態(tài)下的中拱靜水彎矩和船體應(yīng)力水平；二是有利于避免貨艙滿載出港狀態(tài)下的首傾和中垂彎矩過大；三是邊油艙少了一對制蕩艙壁；四是壓載水量比傳統(tǒng)VLCC 大1 500 m3以上，如果船東認(rèn)可的話，可以避開在貨艙內(nèi)再設(shè)置專門的重壓載艙。其主要缺點(diǎn)是：多了一對邊壓載艙水密橫艙壁，貨油艙的艙容略有損失；同時(shí)為補(bǔ)償邊油艙內(nèi)損失的2 檔或者3 檔強(qiáng)框間距的艙容，整船的雙層底高度和邊殼寬度均應(yīng)適當(dāng)減小。具體減小的量級將在下一節(jié)論述。除此之外，還要適當(dāng)優(yōu)化梁拱、貨艙總長或者型深，以保證貨艙艙容滿足船東使用要求。

VLCC 貨油艙配載的具體配載方案可以參見文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］，因涉及面較廣，本文不再詳述。其中，方案1 和方案4 在中油艙的布置方式完全相同，邊油艙布置方式相似；方案2 和方案3 在中油艙的布置方式完全相同，邊油艙布置方式相似；方案1 和方案2 的壓載艙布置方式相似；方案3 和方案4 的壓載艙布置方式相似，在整個(gè)貨艙重心靠前的一點(diǎn)位置設(shè)置了艙容較大的第3 壓載艙，更加適用于由于主機(jī)較大、尾部線型較瘦、機(jī)艙長度較長導(dǎo)致貨艙重心靠前、滿載出港容易產(chǎn)生首傾的VLCC。

四種貨艙縱向分艙方案相對傳統(tǒng)VLCC 分艙方案均有一定的技術(shù)優(yōu)勢，雖然形式上有些差異，但整體布置思想是一致的，通過貨艙長度的長短變化，控制裝載手冊中常用工況設(shè)計(jì)彎矩包絡(luò)值，同時(shí)減少制蕩艙壁的數(shù)量。這四種設(shè)計(jì)方案的共同特點(diǎn)是略微增加第1 組和第5 組貨艙的艙長，同時(shí)，第2、3、4 組貨艙中至少有一組艙的艙長相對略短。這樣的布局對于VLCC 的靜水彎矩控制較為有利，與文獻(xiàn)［8］中表4 所得結(jié)論有相似之處。至于哪一種貨艙布置方案更好，在不同的線型設(shè)計(jì)、機(jī)艙長度以及船東需求和偏好條件下，最佳設(shè)計(jì)方案可能會(huì)有不同，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合具體問題進(jìn)行具體分析。

1.2 VLCC的貨艙橫向分艙

1.2.1 縱艙壁的橫向位置

傳統(tǒng)VLCC 的橫向分為左、中、右三艙，一般中間艙的寬度相對較寬，縱艙壁間距大致在22.6～23.8 m；邊油艙的寬度相對較小，約15 m?？v艙壁的橫向位置優(yōu)選要考慮以下幾方面因素。

縱艙壁間距如果繼續(xù)增加，將帶來以下益處：

（1）邊油艙的寬度減小，同時(shí)制蕩艙壁的寬度也減小，可以節(jié)省一些水密艙壁、制蕩艙壁重量及其焊接工藝。

（2）更窄的邊油艙也更有利于滿足晃蕩載荷和一般設(shè)計(jì)載荷下的各種強(qiáng)度要求。例如，VLCC 主要支撐構(gòu)件在直接強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的決定性工況往往是邊油艙為空艙，而中油艙裝滿，且達(dá)到0.9 倍結(jié)構(gòu)吃水的狀態(tài)，即CSR-H 第一部分第四章第八部分表2 中的A1 工況。如果邊油艙寬度適當(dāng)減小，則有利于降低該工況下的應(yīng)力峰值。

（3）邊油艙區(qū)域的雙層底跨距更小，在縱艙壁垂直桁背面的大肘板可以用小尺度的防疲勞肘板代替，大大有利于簡化建造工藝。

縱艙壁間距如果繼續(xù)增加帶來的缺點(diǎn)是：中部貨油艙的雙層底區(qū)域?qū)挾雀?，橫向強(qiáng)度更難滿足，可能導(dǎo)致中部貨油艙雙層底橫向應(yīng)力更大。但這個(gè)弊端可以通過中部貨艙區(qū)內(nèi)縱艙壁垂直桁的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化來較好解決。

綜上所述，相對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，向舷外稍微移動(dòng)縱艙壁的位置，增加中油艙的寬度且減小邊油艙寬度的設(shè)計(jì)方案利大于弊。不過，縱艙壁的位置也不宜過分靠近舷側(cè)，以避免中油艙的剛度太差、艙容過大。本文通過多方案試算可得出以下結(jié)論：邊油艙的寬度在14.0～14.5 m 時(shí)，更容易兼顧各方面的平衡，貨艙橫向分艙的經(jīng)濟(jì)性最好。新布置方案的縱艙壁間距較傳統(tǒng)VLCC 大了兩個(gè)縱骨間距左右。

1.2.2 舷側(cè)縱艙壁的折角線優(yōu)化設(shè)計(jì)

舷側(cè)縱艙壁內(nèi)殼折角線優(yōu)化需要與貨艙區(qū)域內(nèi)的船體線型輪廓特征相匹配，也需要與前文所述的貨艙縱向分艙方案相配合。前者主要指的是底邊艙斜板的角度及折角點(diǎn)位置；后者主要考慮貨艙艙容與壓載艙艙容之間的平衡，因此需要合理設(shè)計(jì)雙底高度和雙殼寬度。

底邊艙斜板的角度設(shè)計(jì)基本原則是盡量與首尾貨艙區(qū)的舭部區(qū)域外板線型主要切線方向相匹配，以盡可能增加首尾貨艙的艙容，減小靜水中垂彎矩；減小首尾壓載艙的艙容，對控制靜水中拱彎矩有利。在首尾貨艙的區(qū)域的舷側(cè)縱艙壁內(nèi)殼折角線形狀更接近滿足最小雙殼寬度條件下的最大內(nèi)接多邊形，如圖6 所示。根據(jù)最新版的VLCC 線型設(shè)計(jì)特征，底邊艙斜板的角度可以確定為45°。這樣一來，也有利于減小雙層底的跨距和緩解內(nèi)底折角處的應(yīng)力集中。

圖6 舷側(cè)縱艙壁折角線角度定位的原則

底邊艙斜板的折角點(diǎn)位置設(shè)計(jì)同樣要兼顧總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度的要求。45°的折角線意味著底邊艙斜板的高度和寬度跨距相同。一般說來，底邊艙斜板的高度和寬度應(yīng)盡可能大，以減小雙層底和舷側(cè)雙殼的跨距；同時(shí)也不能取值過大導(dǎo)致貨艙艙容損失太大，或者因?yàn)楦叨瘸^6 m 導(dǎo)致需額外增加PMA 通道。根據(jù)貨艙艙容的基本要求，對應(yīng)縱向分艙方案1 和方案2，底邊艙斜板的高度和寬度取為5.97 m，而對應(yīng)縱向分艙方案三和方案四，底邊艙斜板的高度和寬度取為5.75 m 和5.74 m，均小于6 m。

在貨艙總長確定之后，貨艙區(qū)域的總艙容僅與外板線型特征有關(guān)，貨艙艙容與壓載艙艙容將是一組矛盾。貨艙區(qū)雙底高度和雙殼寬度設(shè)計(jì)必須考慮這一組矛盾，同時(shí)兼顧雙底區(qū)域和雙殼區(qū)域的強(qiáng)度及剛度要求、Marpol 關(guān)于雙底雙殼的寬度要求、溢油指數(shù)的要求以及破艙穩(wěn)性的要求。在考慮了上述因素之后，對應(yīng)貨艙縱向分艙設(shè)計(jì)方案1 和方案2，雙底高度確定為2.88 m，雙殼寬度為3.28 m，均比傳統(tǒng)VLCC 略小。主要原因是底邊艙斜板的寬度方向達(dá)到5.97 m，占用更多的貨艙艙容，因此需要略微減小雙底雙殼的寬度來補(bǔ)償貨艙艙容的損失，如圖7 所示。

對應(yīng)貨艙縱向分艙設(shè)計(jì)方案3，雙底高度和雙殼寬度均取為2.78 m；對應(yīng)貨艙縱向分艙設(shè)計(jì)方案4，雙底高度和雙殼寬度均取為2.68 m，均比傳統(tǒng)VLCC 小較多。這是因?yàn)檫呌团搩?nèi)有2～3 檔強(qiáng)框間距的空間歸于第3 壓載艙，占用了較大的貨艙艙容，因此需要適度減小雙底高度和雙殼的寬度來補(bǔ)償部分貨艙艙容的損失（如圖8 所示）。

圖7 無橫撐少制蕩艙壁VLCC舷側(cè)縱艙壁的折角方案1（對應(yīng)縱向分艙方案1、2）

圖8 無橫撐少制蕩艙壁VLCC舷側(cè)縱艙壁的折角方案（對應(yīng)縱向分艙方案3、4）

1.3 VLCC的貨艙分艙參數(shù)比較

由下頁表1 可以看出，相對于傳統(tǒng)VLCC，四個(gè)新設(shè)計(jì)方案的貨艙分艙有以下共同特點(diǎn)：部分貨艙長度較短，可以在不加制蕩艙壁的情況下免于特定的晃蕩載荷分析；雙層底高度和雙殼寬度普遍略??；邊油艙雙層底寬度普遍更小，邊油艙的剛度更大；中油艙的寬度略寬，如果還采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，中油艙雙層底區(qū)域的整體剛度將略小，因此有必要對包括中油艙在內(nèi)的貨艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，以改善中油艙區(qū)域的整體剛度。

2 VLCC 貨艙拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化對象及強(qiáng)框間距的優(yōu)選

如前文所述，貨艙折角線、內(nèi)底高度、雙殼寬度、縱艙壁和橫艙壁位置的布置更多取決于總布置、艙容、溢油計(jì)算、破艙穩(wěn)性和設(shè)計(jì)彎矩優(yōu)化的要求，這些設(shè)計(jì)參數(shù)的決定都和拓?fù)鋬?yōu)化無關(guān)。強(qiáng)框間距和縱骨間距同樣不能作為拓?fù)鋬?yōu)化的對象。因?yàn)榧幢阃負(fù)鋬?yōu)化的結(jié)果是縱骨和強(qiáng)框不等間距布置，實(shí)船設(shè)計(jì)也不會(huì)采用這樣的方案，如此一來縱向構(gòu)件的尺寸將增加很多，不利于簡化工藝和船廠管理。

表1 不同設(shè)計(jì)方案下VLCC的貨艙分艙參數(shù)比較m

因此本文將以橫向強(qiáng)框?yàn)檠芯繉ο筇接懲負(fù)鋬?yōu)化的最佳構(gòu)型，根據(jù)前文所述的貨艙橫艙壁布置方案，中部貨艙（第2、3、4 艙）的強(qiáng)框間距取為5.24 m，比傳統(tǒng)的VLCC 小8%左右；最首貨艙的強(qiáng)框間距取為5.56 m；最尾貨艙的強(qiáng)框間距取為5.8 m 左右，比傳統(tǒng)的VLCC 大2%左右。之所以在中部貨艙區(qū)加密強(qiáng)框的布置，而在首尾貨艙區(qū)減少強(qiáng)框的數(shù)量，主要目的是因?yàn)橹胁控浥搮^(qū)建造工藝成熟，自動(dòng)化焊接設(shè)備利用率高，此處略微增加強(qiáng)框數(shù)量，增加的建造工作量有限，但節(jié)省的空船重量較為可觀；而在首尾貨艙區(qū)，由于線型劇變，自動(dòng)化焊接設(shè)備利用率低，因此考慮犧牲重量控制來減少施工工程量。總的說來，在建造便利的貨艙平行中體，強(qiáng)框數(shù)量比傳統(tǒng)VLCC 多2 個(gè)，而在建造工藝復(fù)雜的首尾區(qū)域強(qiáng)框數(shù)量比傳統(tǒng)VLCC 少1 個(gè)，考慮到首尾貨艙區(qū)域的施工難度更大，因此整體建造工作量基本持平，而在結(jié)構(gòu)重量控制方面略有優(yōu)勢，全船縱骨重量可以減輕200 t 左右。

對于橫艙壁水平桁和橫向制蕩艙壁的最佳拓?fù)錁?gòu)型也將得出類似于橫向強(qiáng)框拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)論，將另行論述。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)及應(yīng)用方法

貨艙橫向強(qiáng)框的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化是貨艙設(shè)計(jì)方案的重要部分。除實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的目的之外，貨艙橫向強(qiáng)框拓?fù)鋬?yōu)化還有兩個(gè)重要使命，一是取消中油艙的中間橫撐，二是增加中部貨油艙的整體剛度。

SIMP 法［9］以結(jié)構(gòu)的柔順度作為目標(biāo)函數(shù)，更為適合本文的目的。此外SIMP 法材料插值拓?fù)鋬?yōu)化模型簡單高效，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算中有獨(dú)特的優(yōu)勢。VLCC 艙段主要支撐構(gòu)件的拓?fù)鋬?yōu)化模型復(fù)雜，為提高優(yōu)化效率，降低優(yōu)化求解難度，因此本文采用SIMP 法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算。采用SIMP 法結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

考慮到商業(yè)化的軟件平臺(tái)HYPERWORKS/OPTISTRUCT 已有多年應(yīng)用SIMP 法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的工程案例應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)在本院設(shè)計(jì)的阿芙拉型油船、蘇伊士型油船、紐卡斯?fàn)栕畲笮蜕⒇洿膶?shí)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用，而且它可以同時(shí)集成形狀參數(shù)優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，因此本文建議采用該軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化。

2.3 優(yōu)化的約束條件、計(jì)算工況和邊界條件

拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化的約束條件、計(jì)算工況和邊界條件來源于CSR-H 的要求。約束條件包括CSR-H 描述性規(guī)范和屈服、屈曲強(qiáng)度約束條件。例如，橫向強(qiáng)框的腹板最小高度和最小厚度要求、剖面模數(shù)要求、艙段有限元計(jì)算的粗網(wǎng)格單元許用屈服應(yīng)力要求、細(xì)網(wǎng)格單元許用屈服應(yīng)力要求、板格的屈曲強(qiáng)度、水平撐桿或者斜撐桿的屈曲強(qiáng)度要求等。除此之外，也要對可能出現(xiàn)的斜撐桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元極限強(qiáng)度分析。

優(yōu)化的計(jì)算工況和邊界條件也完全取自CSR-H. 其中計(jì)算工況則依據(jù)規(guī)范第一部分第四章第八節(jié)；邊界條件取自第一部分第七章第二節(jié)，具體技術(shù)細(xì)節(jié)不再贅述。

2.4 對應(yīng)兩種貨艙分艙方案的貨艙橫向強(qiáng)框拓?fù)鋬?yōu)化及形狀參數(shù)設(shè)計(jì)

應(yīng)用上述優(yōu)化技術(shù)方法，對本船中部貨艙區(qū)橫向強(qiáng)框結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，還要經(jīng)過關(guān)鍵工況試算、病態(tài)工況剔除。拓?fù)鋬?yōu)化的構(gòu)型也不能直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，至少要經(jīng)過平直化工程處理和簡單的試算以剔除其中設(shè)計(jì)上不可行的拓?fù)錁?gòu)型，并以工程上可行的構(gòu)型代替。在設(shè)計(jì)域與非設(shè)計(jì)域連接的區(qū)域較容易出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域，需要對該區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀參數(shù)調(diào)整以及全工況條件下的強(qiáng)度校核。因?yàn)槭諗坑谳^小體積分?jǐn)?shù)的油船貨艙結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型總是有“桁架化、撐桿化”的趨勢［10］，因此還要進(jìn)行大撐桿屈曲強(qiáng)度篩選等，具體計(jì)算過程如圖9 所示，此處不再詳述。

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化的基本流程

經(jīng)過上述計(jì)算分析，可以得到對應(yīng)四種貨艙分艙方案的貨艙橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)，盡管分艙形式略有差異，但四種設(shè)計(jì)方案所得最佳形狀參數(shù)極為相似。收斂于較小體積分?jǐn)?shù)的油船貨艙結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型接近骨架形式，均有明顯的拓?fù)鋬?yōu)化特征：類桁架化。不管是甲板強(qiáng)橫梁還是縱艙壁垂直桁均呈現(xiàn)出類似字母“K”的形狀。其基本原理是利用較大的類斜撐桿作為“K”型梁的支腿，減小了甲板強(qiáng)橫梁、縱艙壁垂直桁、底部雙層底和舷側(cè)雙殼的計(jì)算跨距，減少了它們在局部載荷下的變形。而在邊壓載艙的實(shí)肋板結(jié)構(gòu)則出現(xiàn)盡可能多、面積盡可能大的開孔。圖10 為對應(yīng)四種貨艙分艙方案的貨艙橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)與傳統(tǒng)VLCC 橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)的對比。

圖10 四種貨艙分艙方案的橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)與傳統(tǒng)VLCC橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)的對比

如圖10 所示，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化之后，除了縱艙壁垂直桁之外，在貨油艙區(qū)的橫向強(qiáng)框剛度相對傳統(tǒng)VLCC 更大。如果傳統(tǒng)VLCC不設(shè)置中間橫撐，則彎曲計(jì)算跨距約為23.6 m，剪切計(jì)算跨距約為19.7 m。但經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化后的縱艙壁垂直桁由于在上下端設(shè)計(jì)了比傳統(tǒng)VLCC 大得多的類斜撐桿結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨距大大減小，彎曲計(jì)算跨距約為18.6 m，剪切計(jì)算跨距約為14.3 m，因此縱艙壁垂直桁有條件取消中間橫撐。如此一來，可以大大減少VLCC 貨艙的建造工藝。

無橫撐少制蕩艙壁VLCC 貨艙橫向強(qiáng)框上的每一根類斜撐桿均在力學(xué)有重要價(jià)值，起到了傳承載荷、減小貨艙變形的重要作用，下面將結(jié)合圖11進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖11 貨艙橫向強(qiáng)框類斜撐桿的力學(xué)價(jià)值示意圖

如圖11 所示，圖示構(gòu)件左右對稱，僅給出左舷所示構(gòu)件的力學(xué)價(jià)值說明，右舷構(gòu)件相似。類斜撐桿1 的力學(xué)價(jià)值在于減小雙層底（double bottom，簡稱DB）和縱艙壁垂直桁（vertical girder of longitudinal BHD，簡稱VG）的計(jì)算跨距；類斜撐桿2 的力學(xué)價(jià)值在于減小縱艙壁垂直桁（VG）和中間貨艙甲板強(qiáng)橫梁（deck transverse in central tank，簡稱CDT）的計(jì)算跨距；類斜撐桿3 的力學(xué)價(jià)值在于作為縱艙壁垂直桁（VG）的背肘板加固它的邊界剛度和減小邊油艙甲板強(qiáng)橫梁（deck transverse in side tank，簡稱SDT）的計(jì)算跨距；類斜撐桿4 的力學(xué)價(jià)值在于減小邊油艙甲板強(qiáng)橫梁（SDT）和舷側(cè)雙殼（double side，簡稱DS）結(jié)構(gòu)的計(jì)算跨距；類斜撐桿5 的力學(xué)價(jià)值在于減小舷側(cè)雙殼（DS）和雙層底（DB）的計(jì)算跨距；小肘板6 的力學(xué)價(jià)值在于避免縱艙壁垂直桁根部過大的應(yīng)力集中，將原本在縱艙壁根部的極高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到小肘板的自由邊，避免在維修難度很大的地方出現(xiàn)疲勞裂紋，也就是俚語所說的“防疲勞肘板”或者“犧牲肘板”。單從力學(xué)優(yōu)化的角度，該小肘板的尺寸加大對于結(jié)構(gòu)輕量化更為有利，但在此處有意將類撐桿結(jié)構(gòu)“退化”成小肘板形式，是因?yàn)槿绻私Y(jié)構(gòu)還是采用類斜撐桿形式，則不利于分段建造，因此相對于傳統(tǒng)VLCC 該區(qū)域的大型背肘板（如圖9 所示）該肘板的外形幾何尺寸一般較小，但厚度極厚，稍微犧牲一點(diǎn)結(jié)構(gòu)重量以換取更為簡便的建造工藝，屬于比較典型的以重量換工藝。

通過以上拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，整個(gè)貨艙區(qū)的橫向強(qiáng)框雖然數(shù)量增加了一個(gè)，但通過比較徹底的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，貨艙區(qū)的總重仍可減輕約3%～ 4%。其計(jì)算依據(jù)是：本所設(shè)計(jì)建造的某蘇伊士型油船的母型船滿足CSR-OT 的中貨艙結(jié)構(gòu)重量為79.1 t/m，在經(jīng)過較為徹底的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化優(yōu)化之后，滿足CSR-H 的中貨艙結(jié)構(gòu)重量減小為76.9 t/m。不僅沒有因滿足CSR-H導(dǎo)致貨艙變重，反而還相對減輕了2.8%；本所設(shè)計(jì)建造的某阿芙拉型油船，母型船滿足CSR-OT 的中貨艙結(jié)構(gòu)重量為67.2 t/m，在探索性采用符合拓?fù)鋬?yōu)化原理的構(gòu)型之后，滿足CSR-H 的中貨艙結(jié)構(gòu)重量減輕為63.0 t/m，相對減輕了6.3%；本所研發(fā)的單縱艙壁VLCC，每米中貨艙結(jié)構(gòu)重量相對傳統(tǒng)VLCC 可以減輕約11.5%，其中拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)在其中貢獻(xiàn)的比例約為3.5%。綜上所述，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在實(shí)船設(shè)計(jì)和課題研發(fā)中應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，且已得到船級社和船東的認(rèn)可。如果新型VLCC 僅通過較徹底的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，貨艙區(qū)橫向強(qiáng)度相關(guān)的重量預(yù)計(jì)可減輕3%～ 4%，保守預(yù)期為900 ～1 000 t。

3 四種貨艙布置方案與傳統(tǒng)VLCC技術(shù)指標(biāo)比較

綜上所述，無橫撐、少制蕩艙壁VLCC 有以下區(qū)別于傳統(tǒng)VLCC 的明顯特征。

（1）縱艙壁垂直桁沒有水平橫撐，節(jié)省焊接工作量的同時(shí)有利于分段建造。

（2）制蕩艙壁的數(shù)量和長度減少，節(jié)省了較多空船重量和焊接工藝。

（3）部分油艙比傳統(tǒng)VLCC 略長；部分油艙長度略短，為41.9 m 左右。

（4）兩縱艙壁間距比傳統(tǒng)VLCC 大2 檔縱骨間距左右。

（5）縱艙壁垂直桁的和甲板強(qiáng)橫梁的輪廓形狀經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，呈現(xiàn)“K”字形，或者是主要支撐構(gòu)件根部設(shè)置的大肘板內(nèi)部大開孔的特征。大部分區(qū)域的橫向強(qiáng)框的剛度增加，橫向強(qiáng)框重量減輕較為明顯。

（6）縱艙壁垂直桁下緣背面僅設(shè)置小肘板，取代了原來的大型背肘板，大大簡化了工藝。

（7）舷側(cè)縱艙壁在底邊艙斜板的角度為45°左右，有利于減小雙層底的跨距和緩解內(nèi)底折角處的應(yīng)力集中。

（8）首尾貨艙的強(qiáng)框間距相對傳統(tǒng)VLCC 略大，而中部貨艙強(qiáng)框間距略小，以便于在工藝總量基本相當(dāng)?shù)那闆r下稍稍減輕空船重量。

（9）所有裝載工況的靜水彎矩包絡(luò)值較常規(guī)VLCC 有明顯的減小，船體結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度的余量更大，有利于提高船體的安全性。

（10）為了更好地控制裝載手冊中常用工況設(shè)計(jì)彎矩包絡(luò)值以及滿載到港狀態(tài)下的浮態(tài)，在設(shè)計(jì)方案3 和方案4 中，在第2 邊油艙之后、第3 邊油艙之前的2～3 個(gè)強(qiáng)框空間可以歸于第3 壓載艙，形成壓載艙向船中凸起的形式。

四種貨艙布置方案與傳統(tǒng)VLCC 的技術(shù)指標(biāo)綜合比較參見下頁表2。由于高強(qiáng)度鋼比例不同情況下的空船結(jié)構(gòu)重量差異較大，此處給出的傳統(tǒng)VLCC 貨艙縱骨總重、貨艙橫向強(qiáng)度相關(guān)總重和貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)總重均為假定的約數(shù)，而方案1 至方案4的數(shù)據(jù)則是在相同比較條件下結(jié)構(gòu)重量的相對增減。四個(gè)設(shè)計(jì)方案的最大靜水中拱、中垂靜水彎矩均是在裝載手冊所有航行工況靜水彎矩的包絡(luò)值再加5%左右的裕度。

由表2 可以看出，四個(gè)設(shè)計(jì)方案的貨艙區(qū)空船結(jié)構(gòu)重量均較傳統(tǒng)VLCC 減輕1 500 t 左右，約5%。其中，通過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，可減輕結(jié)構(gòu)重量90～1 000 t，同時(shí)可以取消貨艙中間橫撐；通過減少制蕩艙壁和水密艙壁的總長度，并結(jié)合貨艙配載優(yōu)化，可減輕結(jié)構(gòu)重量50～350 t，同時(shí)可以簡化工藝；通過優(yōu)化強(qiáng)框間距，可減輕結(jié)構(gòu)重量約200 t；通過優(yōu)化配載，可減輕結(jié)構(gòu)重量130～180 t。設(shè)計(jì)時(shí)不能將港口許用靜水彎矩取值過小，以免影響配載的便利性，所以盡管通過優(yōu)化配載，裝載手冊中航行工況靜水彎矩的包絡(luò)值減小較多，但結(jié)構(gòu)重量不宜因此而減輕過多。

由于取消了縱艙壁垂直桁的水平橫撐，原來的縱艙壁垂直桁下緣的大型背肘板替換為建造方便的小肘板，加上制蕩艙壁的數(shù)量大大減少，預(yù)計(jì)整個(gè)貨艙區(qū)的建造工作量和建造成本可以減少5%以上。考慮到VLCC 船體結(jié)構(gòu)建造的成本約占整個(gè)建造成本的30%左右，而貨艙區(qū)的建造成本占整個(gè)船體建造成本的70%左右，因此采用上述優(yōu)化設(shè)計(jì)方案之后，預(yù)計(jì)整個(gè)VLCC 的建造成本可以減少1%以上，這對于利潤率低且透明的造船業(yè)已經(jīng)算是比較可觀的改善了。

表2 四種貨艙布置方案與傳統(tǒng)VLCC的技術(shù)指標(biāo)綜合比較

圖12 阿芙拉型油船貨艙結(jié)構(gòu)的實(shí)船設(shè)計(jì)模型與對應(yīng)的分段圖

如果不考慮減少制蕩艙壁，所有單個(gè)貨艙的長度與傳統(tǒng)VLCC 基本保持相同，但是考慮其他優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，如縱艙壁的位置和舷側(cè)縱艙壁折角線的優(yōu)選，應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化對貨艙區(qū)主要支撐構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，則改進(jìn)后的VLCC 相對傳統(tǒng)VLCC 在船體結(jié)構(gòu)重量和建造工藝方面仍可節(jié)省3.5%～ 4%。事實(shí)上，結(jié)構(gòu)工程師已經(jīng)在嘗試在某些尺寸較小的油船上應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，并且獲得了成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。圖12 所示為本院設(shè)計(jì)并建造于2016 年的某阿芙拉型油船貨艙結(jié)構(gòu)的實(shí)船設(shè)計(jì)模型與對應(yīng)的分段圖，其中在縱艙壁垂直桁底部的大開孔實(shí)際上為將此處結(jié)構(gòu)做成類斜撐桿的形式，只是由于大斜撐桿的屈曲強(qiáng)度分析是CRS-H 條文要求的盲區(qū)，其屈曲模式與傳統(tǒng)VLCC 的水平橫撐還有一定的差異性，其受力特性更加復(fù)雜，還不能簡單套用水平橫撐的屈曲計(jì)算方法來指導(dǎo)工程師完成類斜撐桿的完整設(shè)計(jì)。因此在實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)有意避免將船體結(jié)構(gòu)做成大斜撐桿的形狀，僅讓它看起來形似一個(gè)大的減輕孔。

4 結(jié) 語

相對于傳統(tǒng)VLCC，無橫撐、少制蕩艙壁型VLCC 在船體結(jié)構(gòu)輕量化和工藝簡化方面均有一定的技術(shù)優(yōu)勢。它通過在橫向強(qiáng)框架上應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了VLCC 縱艙壁垂直桁無橫撐設(shè)計(jì)的目的，建造工藝也有一定程度的簡化。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)在蘇伊士型油船、阿芙拉型油船、紐卡斯?fàn)栕畲笮蜕⒇洿膶?shí)船設(shè)計(jì)中有部分應(yīng)用，已經(jīng)證明可以較大程度地減輕空船結(jié)構(gòu)重量。通過合理布置貨艙的橫艙壁和縱艙壁，可以在實(shí)現(xiàn)制蕩艙壁數(shù)量和長度最小化的同時(shí)，明顯地減小裝載手冊所有工況的靜水彎矩包絡(luò)值，降低整體和局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，提高船體的安全性。在經(jīng)濟(jì)性方面，預(yù)計(jì)可以使得貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)重量最多可減輕1 500 t 左右，降低VLCC 貨艙區(qū)建造成本的5%以上，相當(dāng)于VLCC 整體造價(jià)的1%左右。

由于拓?fù)鋬?yōu)化的最佳構(gòu)型總是有“桁架化、撐桿化”的趨勢，而桁架中類斜撐桿的受力方式和邊界條件更加復(fù)雜，其屈曲模式與傳統(tǒng)VLCC 的水平橫撐還有一定的差異性，目前還是規(guī)范定義的盲區(qū)，希望未來船級社規(guī)范能有相應(yīng)的指導(dǎo)性文件或者指南來指導(dǎo)這樣的新型結(jié)構(gòu)的完整設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。

近些年來，國內(nèi)船廠在VLCC 的市場訂單方面幾乎顆粒無收，國內(nèi)外的市場訂單多被韓國船廠收入囊中，其中一個(gè)很重要的原因就是國內(nèi)在VLCC設(shè)備配套方面的國產(chǎn)化率還不高，在綜合建造成本控制、建造進(jìn)度、市場口碑方面不如韓國船廠。韓國船廠在整個(gè)VLCC 設(shè)計(jì)建造的產(chǎn)業(yè)鏈全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化，而且在整個(gè)設(shè)計(jì)鏈經(jīng)過了數(shù)輪次迭代優(yōu)化，在重量控制和成本控制方面精益求精，已經(jīng)形成了市場接單的良性循環(huán)和廣告效應(yīng)。國內(nèi)如果不能積極創(chuàng)新，盡可能控制整船建造成本，則很難與之競爭。

本文中所設(shè)計(jì)的無橫撐少制蕩艙壁型VLCC就是這樣一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)。但由于滿足CSR-H 的VLCC 艙段有限元分析工作量巨大，在暫無實(shí)船訂單可能性的情況下，設(shè)計(jì)院所很難冒險(xiǎn)主動(dòng)投入大量時(shí)間和人力去完成這樣一個(gè)創(chuàng)新船型的系統(tǒng)性研發(fā)。所以，雖然這些設(shè)計(jì)方案經(jīng)過了初步穩(wěn)性和完整穩(wěn)性計(jì)算、貨艙和壓載艙優(yōu)化配載等總體基本性能計(jì)算、貨艙拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化、中貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和規(guī)范計(jì)算，但尚未經(jīng)過完整的首中尾貨艙段有限元直接計(jì)算驗(yàn)證。在取得船東對設(shè)計(jì)初步方案的認(rèn)可之后，我們將會(huì)彌補(bǔ)這部分缺失的內(nèi)容。