設(shè)置垂直撐材對(duì)3 000 DWT散貨船雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析

蘇羅青，黃勇

(廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250)

3 000 DWT LNG單一燃料動(dòng)力散貨船及多用途船，是廣東省“綠色珠江”工程首批50艘LNG單一燃料動(dòng)力散貨船的主力船型，該系列船共計(jì)25艘。對(duì)系列船的設(shè)計(jì)，秉承綠色船舶理念，以LNG作為燃料，采用LNG單一燃料動(dòng)力系統(tǒng)，并結(jié)合珠江水系的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，最大限度地減少二氧化碳和氮化物等氣體的排放。

國內(nèi)學(xué)者關(guān)于船體結(jié)構(gòu)輕量化的研究對(duì)象大致可分為以下3類：舯剖面、強(qiáng)框架、應(yīng)力集中的典型結(jié)構(gòu)。不同優(yōu)化對(duì)象所采用的優(yōu)化方法或手段也不一樣，例如：①超大型油船或集裝箱船的舯剖面，主要采用改進(jìn)的遺傳優(yōu)化算法或蟻群算法對(duì)進(jìn)行優(yōu)化，可得到滿足規(guī)范最小截面積的中剖面；②船體梁橫向框架，一般采用罰函數(shù)、模矢法對(duì)其計(jì)算優(yōu)化，可有效降低橫向構(gòu)件的重量；③應(yīng)力集中的典型結(jié)構(gòu)，采用子模型法對(duì)其多個(gè)優(yōu)化方案進(jìn)行計(jì)算分析，可高效地得到滿足規(guī)范要求的設(shè)計(jì)方案。

對(duì)內(nèi)河大艙口散貨船而言，貨艙段重量占船體結(jié)構(gòu)重量將近65%，而雙層底結(jié)構(gòu)重量占整個(gè)貨艙段重量的50%左右，可見雙層底結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)是貨艙段輕量化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，與該船的總體性能、營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)的內(nèi)河大艙口散貨船雙層底骨架一般在船底與內(nèi)底縱骨跨中不設(shè)置垂直撐材，這種常規(guī)的雙底設(shè)計(jì)方案無疑降低了船底縱骨與內(nèi)底縱骨對(duì)船底水壓力及貨物壓力的傳遞效率，同時(shí)削弱了船底縱骨和內(nèi)底縱骨的剛度，使得構(gòu)件承載能力得不到最大限度的發(fā)揮。特別對(duì)裝載鐵礦石(積載因數(shù)約為0.313)等重貨的內(nèi)河散貨船，由于貨物產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)大于普通貨物，這就大大提高了對(duì)雙層底骨架的局部強(qiáng)度要求。常規(guī)的雙底設(shè)計(jì)方案不能較好滿足3 000 DWT系列LNG單一燃料動(dòng)力散貨船在總體性能、營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性對(duì)空船重量的要求，有必要對(duì)常規(guī)的雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是影響骨架強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)能在滿足規(guī)范要求的前提下，使用最少的鋼料最大限度地提高該區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

為了分析有無垂直撐材對(duì)雙層底骨架的影響，對(duì)該型散貨船貨艙的兩種雙層底骨架方案進(jìn)行規(guī)范計(jì)算及有限元仿真計(jì)算，從結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度、鋼料消耗兩個(gè)方面對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定優(yōu)選的雙層底骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。總長：64.99 m；垂線間長：63.50 m；型寬：15.80 m；型深：5.30 m；設(shè)計(jì)吃水：4.20 m。

1 雙層底骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 無垂直撐材的雙層底骨架方案

根據(jù)規(guī)范可知，貨艙區(qū)域內(nèi)底縱骨的剖面模數(shù)應(yīng)不小于下式計(jì)算所得之值。

=58

(1)

式中：為縱骨間距，取0.5,m；為計(jì)算水柱高，m，取7.08；為縱骨跨距，取1.8。計(jì)算得到=66.523 cm。

船底縱骨的剖面模數(shù)、慣性矩應(yīng)不小于按式(2)、式(3)計(jì)算所得之值，且不小于內(nèi)底縱骨剖面模數(shù)的 0.85倍。

=08(+)

(2)

=11(23+)

(3)

式中：為系數(shù)，取655；為縱骨間距，取0.5,m；為結(jié)構(gòu)吃水，取4.5,m；為半波高，取1.25,m；為縱骨跨距，取1.8,m；為系數(shù)，取0.73；為縱骨帶板剖面積，40 cm。考慮0.85倍后，得到=56.5 cm；=177.3 cm。

實(shí)取船底縱骨及內(nèi)底縱骨規(guī)格為L100×63×8，=70 cm，=637 cm。相應(yīng)的橫剖面見圖1。

圖1 無垂直撐材的雙層底骨架橫剖面

1.2 設(shè)置垂直撐材的雙層底骨架方案

根據(jù)規(guī)范可知，若在外底及內(nèi)底縱骨跨距中點(diǎn)設(shè)置撐材時(shí)， 船底縱骨的剖面模數(shù)可按式(1)計(jì)算值減少40%；內(nèi)底縱骨的剖面模數(shù)可按式(3)計(jì)算值減少40%。

由此可得船底縱骨剖面模數(shù)=33.9 cm；=144.3 cm；內(nèi)底縱骨剖面模數(shù)=39.9 cm。

實(shí)取船底縱骨、內(nèi)底縱骨及垂直撐材規(guī)格為L100×63×6，=55 cm；=514 cm。其相應(yīng)的橫剖面見圖2。

圖2 有垂直撐材的雙層底骨架橫剖面

1.3 方案差異表

上述兩個(gè)雙層底骨架方案中，除船底縱骨、內(nèi)底縱骨及垂直撐材外的船體構(gòu)件均相同，其主要構(gòu)件差異比較見表1。

由表1可知，設(shè)置垂直撐材的貨艙段雙層底骨架鋼料消耗比無垂直撐材的減少約1 005 kg，而且其內(nèi)底縱骨剖面模數(shù)比是無垂直撐材的約1.31倍。考慮到本船型共建造25艘，與無垂直撐材方案相比，貨艙段雙層底骨架設(shè)置垂直撐材的方案不但在制造方面更為經(jīng)濟(jì)，而且骨架強(qiáng)度比前者提高了31%，因此使用設(shè)置垂直撐材的方案在經(jīng)濟(jì)性、安全性方面具有明顯的優(yōu)勢。

表1 雙層底骨架方案的差異表

2 有限元模型

為了進(jìn)一步評(píng)估以上兩種方案的材料利用率及貨物載荷對(duì)艙段局部強(qiáng)度的影響，分別建立兩種雙層底骨架方案的貨艙段有限元模型，并采用ABQUS對(duì)本船貨艙局部強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算及對(duì)比分析。

2.1 有限元模型

本模型采用右手坐標(biāo)系：方向?yàn)榇w縱向，向艏為正；方向?yàn)榇w橫向，向左舷為正；方向?yàn)榇w垂向，向上為正。模型范圍如下：①向取整個(gè)貨艙區(qū)；②向取中縱剖面至左舷；③向取主甲板以下(含艙口圍板及主甲板)。

貨艙段模型采用板梁組合模型建模，坐標(biāo)原點(diǎn)為(#0,0,0)，單元的典型尺寸為200 mm，采用梁單元(beam)模擬橫梁、艙壁扶強(qiáng)材及強(qiáng)橫梁面板；采用板單元(shell)模擬甲板、外板、內(nèi)舷壁板、內(nèi)底板、橫艙壁、平臺(tái)板、艙口圍板、實(shí)肋板以及旁桁材。模型信息見表2，有限元模型見圖3。

表2 模型信息表

圖3 有限元模型

2.2 材料屬性

有限元模型所使用的材料屬性見表3。

表3 材料參數(shù)

3 邊界條件及設(shè)計(jì)載荷

3.1 模型的邊界條件

1)在模型后端面所有節(jié)點(diǎn)上施加約束===0，在前端面所有節(jié)點(diǎn)上施加約束==0。

2)在左舷所有實(shí)肋板的端部節(jié)點(diǎn)上施加的約束=0，在中縱剖面內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)上施加的約束===0。

3.2 設(shè)計(jì)載荷

局部強(qiáng)度計(jì)算載荷包括舷外水壓力、貨物載荷(含壓載)和甲板壓頭。

1)舷外水壓力。舷外水壓應(yīng)考慮受到靜水壓力和波浪壓力，施加在外板上的舷外水水壓力(N/m)計(jì)算如下。

=981(-)1 000

(4)

式中：為計(jì)算水柱高，m，=±，但0≤≤，取53；為計(jì)算工況的船舶吃水，m，取4.4；為半波高，m，取1.25；為型深，m，取5.3；為單元壓力中心距基線的距離，m。

2)貨物載荷。以典型重貨鐵礦砂為例，堆裝后貨物參數(shù)所取數(shù)值見表4，表4中的參數(shù)示意于圖4。

表4 貨物載荷(鐵礦砂)參數(shù)取值

圖4 堆裝貨物參數(shù)示意

貨物載荷()(N/m)計(jì)算如下。

()=3139·[0221+

2188·(1-4125)]·1 000

(5)

3)甲板載荷。本船取甲板壓頭為0.5 m，其甲板壓強(qiáng)為5 000 N/m。

設(shè)計(jì)載荷見圖5。

圖5 載荷示意

4 方案對(duì)比

兩種雙層底骨架方案的Mises應(yīng)力及位移云圖見圖6、7，船底縱骨、內(nèi)底縱骨的Mises應(yīng)力及位移最大值見表5。

圖6 Mises應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖7 位移云圖(單位：m)

由圖6、7及表5可知，設(shè)置垂直撐材的船底縱骨、內(nèi)底縱骨Mises應(yīng)力比無垂直撐材的減少約31%，即在船底縱骨、內(nèi)底縱骨骨架強(qiáng)度方面，前者約為后者的1.3倍。

表5 船底及內(nèi)底縱骨的Mises應(yīng)力及位移最大值

5 結(jié)論

1)在鋼料消耗方面，設(shè)置垂直撐材雙層底骨架方案(以下簡稱為B方案)的鋼料重量比無垂直撐材雙層底骨架方案(以下簡稱稱為A方案)減少約1 005 kg。因此對(duì)于3 000 DWT LNG單一燃料動(dòng)力散貨及多用途兩型船(共25艘)，采用設(shè)置垂直撐材的雙層底骨架形式可節(jié)省的鋼料數(shù)量相當(dāng)可觀。

2)在骨架強(qiáng)度方面，由表1可知，A、B方案船底縱骨剖面模數(shù)與規(guī)范值的比值分別為1.237、1.622，A、B方案內(nèi)底縱骨剖面模數(shù)與規(guī)范值的比值分別為1.051、1.378，因此B方案的骨架強(qiáng)度約為A方案的1.31倍。

3)通過對(duì)本船裝載的典型重物時(shí)的貨艙段局部強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真分析，由計(jì)算結(jié)果可知，B方案的船底縱骨、內(nèi)底縱骨Mises應(yīng)力比A方案的減少約31%，驗(yàn)證了前一項(xiàng)結(jié)論；B方案的貨艙雙層底骨架跨中位移最大值比A方案的減少約0.42 mm，B方案的雙層底骨架剛度比A方案略大。

綜上所述，設(shè)置垂直撐材雙層底骨架方案無論是從經(jīng)濟(jì)型、安全性方面考慮，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無垂直撐材雙層底骨架方案。