基于TRIZ理論的雙燃料超大型油輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王禮東

一? 項目背景

超大型油船（VLCC）以載重量大、遠洋航行能力強、安全性高等特點，一直是原油海上運輸?shù)闹髁Υ?，也是世界各個國家保證本土能源安全的重大裝備。先進造船國家，都在積極開發(fā)滿足國際節(jié)能減排規(guī)范規(guī)則要求的VLCC。大連船舶重工集團作為國內(nèi)首家設(shè)計建造VLCC的企業(yè)，一直將VLCC作為重要產(chǎn)品，進行了持續(xù)的開發(fā)和創(chuàng)新，隨時航運市場對于應(yīng)用LNG作為推進燃料的呼聲越來越高，集團提出開展“LNG動力超大型油船（VLCC）關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用”。

1 項目存在的問題

C型LNG燃料儲備罐通過鞍座固定在甲板上，并在甲板下進行加強，因此雙燃料VLCC的結(jié)構(gòu)重量會較常規(guī)VLCC增加較多，導(dǎo)致建造成本增加。

2 常規(guī)解決途徑及問題

通過有限元計算對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，降低結(jié)構(gòu)重量。

二? 應(yīng)用創(chuàng)新方法過程

1 系統(tǒng)功能分析

（1） 定義技術(shù)系統(tǒng)名稱、主要功能、存在的問題

技術(shù)系統(tǒng)名稱：LNG燃料罐結(jié)構(gòu)。

主要功能：固定LNG燃料位置。

存在的問題：燃料罐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)重量大。

（2） 列出系統(tǒng)組件

（3）以矩陣形式列出組件關(guān)系

（4）建立組件功能類型列表

（5）繪出系統(tǒng)組件功能模型

確定要解決的技術(shù)問題：

a 甲板罐、鞍座、甲板、甲板下加強均會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加，因此需要考慮減輕這4部分的重量;

b 甲板罐的位置不同會改變甲板和甲板下加強的結(jié)構(gòu)厚度，改變重量，尋找合適的位置使甲板和甲板下加強改變最小;

c 甲板罐會損壞鞍座，優(yōu)化鞍座支撐甲板罐結(jié)構(gòu);

d 鞍座會傳遞力給甲板和甲板下加強，優(yōu)化甲板及甲板下加強結(jié)構(gòu);

2 因果鏈分析，見圖1

提出技術(shù)方案

3 最終理想解

提出技術(shù)方案

將LNG燃料艙布置在對船體局部和整體強度影響較小的位置，或?qū)NG燃料艙對船體的應(yīng)力分散至較大的范圍內(nèi)。如：

將LNG燃料艙布置在船體內(nèi)部;

（1）將LNG燃料及其圍護系統(tǒng)與船體自身結(jié)構(gòu)結(jié)合，參與船體梁總縱強度;

（2）將LNG燃料艙拆分為多個小燃料艙;

（3）增加LNG燃料罐基座面積，分散應(yīng)力。

4 資源分析

提出技術(shù)方案：

（1）利用能量資源中的浮力場，引入可漂浮的組件放入水中或空氣中，并將浮力作用于甲板罐上，減小甲板罐對鞍座的有害作用。

5 系統(tǒng)功能剪裁

確定裁剪組件

鞍座、甲板下加強結(jié)構(gòu)、甲板罐

裁剪后的系統(tǒng)組件功能模型

對系統(tǒng)實施裁剪策略三

（1）剪掉甲板下加強結(jié)構(gòu)，技術(shù)系統(tǒng)中其他組件完成支撐甲板的作用，或超系統(tǒng)組件完成支撐甲板的作用。

（2）剪掉鞍座，技術(shù)系統(tǒng)中其他組件完成固定甲板罐和改變甲板形狀的作用，或超系統(tǒng)組件完成固定甲板罐的作用。

（3）剪掉甲板罐，技術(shù)系統(tǒng)中其他組件完成固定LNG燃料的作用，或超系統(tǒng)組件完成固定LNG燃料的作用。

提出技術(shù)方案：

a 剪掉甲板下加強結(jié)構(gòu)，技術(shù)系統(tǒng)中組件完成支撐甲板的作用，或超系統(tǒng)組件完成支撐甲板的作用。

技術(shù)方案：

使用技術(shù)系統(tǒng)中的甲板自身完成支撐甲板的作用，如通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在不增加船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的前提下，增加甲板局部構(gòu)件強度，或在局部使用高強度鋼或復(fù)合材料。

b 剪掉鞍座，技術(shù)系統(tǒng)中其他組件完成固定甲板罐和改變甲板形狀的作用，或超系統(tǒng)組件完成固定甲板罐的作用。

技術(shù)方案：

通過將甲板局部設(shè)計為圓弧凹陷形式，替代鞍座完成改變甲板形狀的功能以及支撐甲板罐的功能。

c 剪掉甲板罐，技術(shù)系統(tǒng)中其他組件完成固定LNG燃料的作用，或超系統(tǒng)組件完成固定LNG燃料的

技術(shù)方案：

使用超系統(tǒng)中的船體替代甲板罐完成固定LNG的功能

6 技術(shù)矛盾

（1）原問題技術(shù)矛盾的表述：

確定要解決的技術(shù)矛盾為 EC-1，它發(fā)生在（降低了甲板罐的重量）與（增加了甲板罐的制造成本）之間，發(fā)生在（改進甲板罐的材料（比強度））的時候。

確定要解決的技術(shù)矛盾為 EC-2，它發(fā)生在（增大了甲板罐與甲板間接觸面積）與（降低了甲板罐的結(jié)構(gòu)強度）之間，發(fā)生在（改進甲板罐的形狀）的時候。

確定要解決的技術(shù)矛盾為 EC-3，它發(fā)生在（增大了甲板罐與甲板間接觸面積）與（增加了甲板結(jié)構(gòu)的重量）之間，發(fā)生在（改進甲板的形狀）的時候。

確定要解決的技術(shù)矛盾為 EC-4，它發(fā)生在（增強了船體對罐體的支撐）與（減小了船舶的艙容）之間，發(fā)生在（將罐體轉(zhuǎn)化為船體的一部分）的時候。

確定要解決的技術(shù)矛盾為 EC-5，它發(fā)生在（減小了甲板下加強的重量）與（增加了制造成本及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性）之間，發(fā)生在（改進甲板型材的材料（比強度）的時候。

（2）問題模型--對應(yīng)的39個通用工程參數(shù)

改善的參數(shù)：26、11、11、27、26

惡化的參數(shù)：32、14、26、8、32

（3）解決方案模型

35物理或化學參數(shù)改變原理出現(xiàn)3次

1分割原理、27廉價替代品原理、29其他和液壓結(jié)構(gòu)原理各出現(xiàn)2次

提出技術(shù)方案：

利用35發(fā)明原理，改變罐體與船體支撐結(jié)構(gòu)的柔性，使用柔性材料如彈簧或液壓結(jié)構(gòu)，分散船舶或罐體內(nèi)部液艙晃蕩時罐體對船體的動載荷，可降低結(jié)構(gòu)設(shè)計安全余量，達到減輕支撐結(jié)構(gòu)加強重量的目的。（同時應(yīng)用了29發(fā)明原理）

利用1發(fā)明原理，將罐體分割為多個小型儲罐，可有效利用船體內(nèi)部艙容，實現(xiàn)將罐體布置在船體內(nèi)部的技術(shù)方案。

7 物理矛盾

（1）確定物理矛盾：

（甲板下加強結(jié)構(gòu)）應(yīng)該（數(shù)量多），以滿足（對甲板強度支撐）要求;

但是，（甲板下加強結(jié)構(gòu)）應(yīng)該（數(shù)量多），以滿足（降低空船重量）要求;

（2）擬采用分離原理

時間分離：

提出技術(shù)方案：

a 尋找一種結(jié)構(gòu)設(shè)計，當甲板罐內(nèi)LNG較多時，甲板下加強結(jié)構(gòu)數(shù)量多;甲板罐內(nèi)LNG較少時，甲板下加強結(jié)構(gòu)數(shù)量少。

條件分離：

提出技術(shù)方案：

b 利用復(fù)合材料原理，將甲板下加強使用復(fù)合材料替代，如在甲板下方襯上玻璃鋼材料，加強甲板強度。

8 物場分析

現(xiàn)系統(tǒng)物-場模型：

物場模型改進方案1：

利用一般解法，將物質(zhì)S1替換，向超系統(tǒng)中尋找資源，利用船體內(nèi)部強結(jié)構(gòu)消除甲板罐對甲板產(chǎn)生的有害作用。

物場模型改進方案2：

利用一般解法，修改物質(zhì)S1，改進甲板形狀，通過增大接觸面積減輕甲板罐對甲板產(chǎn)生局部應(yīng)力過大的有害作用。

物場模型改進方案3：

利用一般解法，替換場F1，引入另一物質(zhì)S4，通過電磁場減輕甲板罐對甲板產(chǎn)生局部應(yīng)力過大的有害作用。

物場模型改進方案4：

利用一般解法，替換場F1，引入另一物質(zhì)S5，通過液壓機械場減輕甲板罐對甲板產(chǎn)生局部應(yīng)力過大的有害作用。

通過研究得到了適合VLCC的LNG燃料罐固定形式和位置，極大地降低了船體結(jié)構(gòu)重量。

三? 項目改進實施情況效果

國家工信部于2018年批復(fù)了集團申報的《滿足EEDI第三階段大型船舶（超大型油輪VLCC）開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究》，大船集團將在2021年完成以LNG和燃油作為燃料的雙燃料VLCC船型的示范應(yīng)用。LNG燃料罐的結(jié)構(gòu)安全是本項目的核心技術(shù)之一，將對該方案不斷優(yōu)化，得到最佳的LNG燃料艙在船舶上的安裝位置和結(jié)構(gòu)加強，降低結(jié)構(gòu)重量，減少成本。該方案已通過專家評審，目前正基于本方案與中遠海運船東洽談在T300K-91號VLCC應(yīng)用此方案完成雙燃料VLCC的示范應(yīng)用。

責編/李曼