基于結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的散貨船槽型艙壁優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙 欣，張 偉，盛利賢

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

重壓載艙作為散貨船的特殊貨艙，其槽型艙壁既要起到分割艙室的作用，又需承受重壓載工況下的側(cè)向水壓。重壓載艙的載荷工況與普通貨艙相比更為復(fù)雜。在已有的重壓載艙槽型艙壁研究中：甘水來(lái)等［1］通過(guò)對(duì)槽條各要素進(jìn)行研究，得出了槽型艙壁重量隨槽條要素的變化規(guī)律；李文濤［2］運(yùn)用參數(shù)優(yōu)化方法確定了小靈便散貨船槽型艙壁的最佳槽條剖面幾何要素。這些研究?jī)H以規(guī)范計(jì)算結(jié)果為主要依據(jù)，未考慮槽型艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算結(jié)果的影響。

《散貨船和油船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范》［3］（Common Structure Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“結(jié)構(gòu)共同規(guī)范”）對(duì)板格的抗屈曲能力有嚴(yán)格的要求，導(dǎo)致在重壓載工況下槽型艙壁面向重壓載艙的面板的屈曲結(jié)果非常嚴(yán)重，由此造成槽型艙壁的板厚大幅增加，最終影響整個(gè)貨艙的結(jié)構(gòu)重量，增加船舶建造成本。因此，對(duì)重壓載艙槽型艙壁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是散貨船輕量化設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1 槽型艙壁基本設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)于槽型艙壁來(lái)說(shuō)，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括面板寬度a、腹板水平寬度b、腹板寬度c、槽深d、槽形寬度Sw、槽型夾角φ、面板厚度tf和腹板厚度tw（見(jiàn)圖1）。按結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的要求：φ≤55°；Sw＝a ＋b；c ＝。因此，本文將a、b、d、tf和tw作為槽型艙壁結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化的基本尺度要素［2］。

圖1 槽型艙壁的基本設(shè)計(jì)參數(shù)

2 槽型艙壁的載荷和強(qiáng)度要求

對(duì)于重壓載艙而言：當(dāng)該艙不作為壓載艙時(shí)，其水密槽型艙壁應(yīng)按一般的貨艙艙壁設(shè)計(jì)；當(dāng)該艙作為壓載艙時(shí)，需考慮壓載水產(chǎn)生的側(cè)向載荷，此時(shí)應(yīng)按深艙水密艙壁的要求對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

根據(jù)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的要求，重壓載貨艙槽型艙壁的載荷主要由完整工況和進(jìn)水工況決定，其中：完整工況包括均勻裝載、隔艙裝載、正常裝載和重壓載等4 種；進(jìn)水工況包括有貨進(jìn)水和空艙進(jìn)水2 種。

1）完整工況下的局部強(qiáng)度要求［4-5］為

式（1）中：bp為槽條面板或腹板寬度；CCB為許用彎曲應(yīng)力系數(shù)；P為設(shè)計(jì)載荷。

2）進(jìn)水工況下的局部強(qiáng)度要求為

式（2）中：SCW為槽條面板或腹板寬度；PR為設(shè)計(jì)載荷。

在進(jìn)水工況下，除了要滿足局部強(qiáng)度的要求以外，還應(yīng)考慮槽條的抗彎曲能力、槽條腹板的抗剪切能力和槽條腹板的剪切屈曲強(qiáng)度的要求。

1）槽條的抗彎曲能力為

式（3）中：WLE為槽條下端凈剖面模數(shù)；WM為槽條中端凈剖面模數(shù)；M為槽條承受的彎矩。

2）槽條腹板的抗剪切能力為

3）槽條腹板的剪切屈曲強(qiáng)度滿足

式（5）中：τC為剪切屈曲應(yīng)力。

3 槽型艙壁強(qiáng)度計(jì)算

在對(duì)水密槽型艙壁進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，可將其看成由多個(gè)槽條構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，每個(gè)單一槽條可分成上、中、下等3 部分［2］。根據(jù)結(jié)構(gòu)共同規(guī)范的要求，槽條上端高度lU≤0.3lC，槽條下端高度lL≥0.15lC，槽條中端高度lM＝lC－lU－lL，其中l(wèi)C為槽條跨距。

考慮到加工工藝的傾向性，以某型210KBC 冷彎型槽型艙壁為研究對(duì)象，初始方案中單一槽條的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)：a ＝1 200 mm；b ＝420 mm；d ＝1 200 mm；c ＝1 271.38 mm。

將水密槽型艙壁看成由8 個(gè)槽條組成的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。按上述規(guī)范的要求，lU＝4 400 mm，lM＝7 245 mm，lL＝3 450 mm，見(jiàn)圖3。

圖2 水密槽型艙壁的組成

圖3 槽型艙壁基本布置

針對(duì)槽型艙壁強(qiáng)度的計(jì)算評(píng)估主要由規(guī)范計(jì)算和直接計(jì)算2 部分組成，選取圖3 中5 個(gè)不同位置處的板格進(jìn)行分析。表1 為完整工況和進(jìn)水工況下的最小板厚要求值。從表1 中可看出：無(wú)論是完整工況還是進(jìn)水工況，槽條下端最小板厚要求值都最大；從船中到舷側(cè)，完整工況下的最小板厚要求值逐漸增大。對(duì)于同一板格，規(guī)范計(jì)算中的最小板厚主要由完整工況決定。圖4 為初始方案中槽型艙壁的板厚直接計(jì)算結(jié)果。從圖4 中可看出：槽條C7 和C8 的規(guī)范計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果相近，故兩者的板厚可由規(guī)范計(jì)算結(jié)果決定；其他槽條的板厚在有限元分析中均有所增加，且上端和中端板厚的變化較大。由此可知，槽條C1 ～C6 的板厚基本上由有限元分析結(jié)果決定。

表1 完整工況和進(jìn)水工況下最小板厚要求值

圖4 初始方案中槽型艙壁的板厚計(jì)算結(jié)果

4 槽型艙壁優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化方向

通過(guò)比較規(guī)范計(jì)算中板格的各項(xiàng)能力值可知：板格抗彎曲能力值富余較大，因此在滿足強(qiáng)度衡準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，可考慮適當(dāng)減小槽深和槽型艙壁的圍長(zhǎng)，從而減輕結(jié)構(gòu)重量。表2 為板格能力規(guī)范值與實(shí)際值對(duì)比。在直接計(jì)算結(jié)果中，槽條C1 ～C6 上端和中端板厚增加的原因是槽型艙壁面板的抗屈曲能力較差，因此可考慮適當(dāng)減小面板尺寸，減小槽條板厚，提高結(jié)構(gòu)整體的經(jīng)濟(jì)性。

表2 板格能力規(guī)范值與實(shí)際值對(duì)比

4.2 槽深優(yōu)化

初始方案中d ＝1 200 mm，在a 和b 均保持不變的情況下，對(duì)槽深進(jìn)行優(yōu)化評(píng)估，初步?jīng)Q定d 為1 150 mm、1 100 mm、1 050 mm、1 000 mm等4 種方案。

首先對(duì)這4 種方案進(jìn)行規(guī)范計(jì)算，以panel 1 為例，當(dāng)a和b保持不變時(shí)，隨著d的減小，c和載荷不變情況下規(guī)范要求的最小板厚也減小。

當(dāng)d ＝1 050 mm或1 000 mm 時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得c ＜a，此時(shí)板格最小板厚由a 值決定；當(dāng)d ＝1 000 mm時(shí)，抗彎曲能力實(shí)際值接近規(guī)范要求值，此時(shí)槽深優(yōu)化已接近極限，見(jiàn)表3。

表3 4 種優(yōu)化方案的槽深優(yōu)化規(guī)范計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

對(duì)上述4 種優(yōu)化方案進(jìn)行直接計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)：槽條C7 下端與C8 中下端的優(yōu)化結(jié)果均由規(guī)范計(jì)算結(jié)果決定，因此板厚小于初始方案；其他槽條在槽深逐漸減小過(guò)程中，因屈服和屈曲不滿足衡準(zhǔn)的要求而逐漸增加板厚，當(dāng)d ＝1 100 mm、1 050 mm和1 000 mm時(shí)，槽條下端板厚變化較為明顯，見(jiàn)圖5。

圖5 不同槽深優(yōu)化方案的板厚計(jì)算結(jié)果

對(duì)幾種方案的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4。雖然優(yōu)化方案中各槽條的板厚均大于初始方案，但減小槽深可減小槽型艙壁的圍長(zhǎng)，因此結(jié)構(gòu)重量均有所下降。

表4 幾種方案的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)重置對(duì)比

從槽深取值為1 050 mm開(kāi)始，結(jié)構(gòu)重量的變化呈上升趨勢(shì)，此時(shí)板厚增加量已大于圍長(zhǎng)減小量，因此槽深在1 100 ～1 200 mm范圍內(nèi)取值最適宜。

4.3 面板寬度優(yōu)化

由上述直接計(jì)算結(jié)果可知，槽型艙壁主要承受屈曲的板格為面向重壓載艙的面板，見(jiàn)圖6。

圖6 主要承受屈曲的面板

為探尋面板寬度發(fā)生變化對(duì)槽型艙壁屈曲結(jié)果的影響，首先僅以面板寬度a 為變量，槽深和各槽條的板厚保持不變，表5 為槽深d ＝1 200 mm時(shí)不同面板寬度下槽條C1 ～C6 的屈曲結(jié)果。由于槽條C7 和C8 的板厚基本上是由規(guī)范計(jì)算結(jié)果決定的，因此在表5 中未將兩者作為評(píng)估對(duì)象。由表5 可知：在直接計(jì)算中可通過(guò)減小面板寬度a 提升槽型艙壁面板的抗屈曲能力。但是，由之前的優(yōu)化分析可知，槽型艙壁的圍長(zhǎng)對(duì)整體結(jié)構(gòu)重量有一定的影響，且只有面向重壓載貨艙的面板屈曲結(jié)果嚴(yán)重，由此設(shè)想在槽型艙壁前后采用非對(duì)稱(chēng)式面板寬度，用a1表示面向重壓載貨艙的面板寬度，用a2表示另一面。

表5 d ＝1 200 mm時(shí)不同面板寬度下槽條C1 ～C6 的屈曲結(jié)果

當(dāng)槽深保持不變時(shí)，面向重壓載貨艙的面板寬度盡量取小值，此時(shí)需尋求合理的腹板寬度b。本文從規(guī)范計(jì)算軟件中提取完整工況下各槽條承受的載荷，利用直接計(jì)算所得板厚，通過(guò)公式計(jì)算出各槽條能承受的最大腹板寬度b。綜合各槽條計(jì)算結(jié)果可確定：當(dāng)d ＝1 200 mm，a1＝900 mm 時(shí)，b ＝500 mm，c ＝1 300 mm。當(dāng)a2＝1 300 mm時(shí)，通過(guò)規(guī)范計(jì)算軟件進(jìn)行二次驗(yàn)算，可知結(jié)果滿足規(guī)范的要求。以上述槽深優(yōu)化分析結(jié)果為基礎(chǔ)，選取槽深為1 200 mm、1 150 mm和1 100 mm，根據(jù)上述思路可確定d為1 150 mm和1 100 mm時(shí)槽型艙壁的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，得到3 種槽深不同且面板非對(duì)稱(chēng)的槽型艙壁結(jié)構(gòu)形式。

圖7 為3 種優(yōu)化方案的板厚直接計(jì)算結(jié)果。從圖7 中可看出：方案D5 中上端板厚與初始方案相同，槽條中端為主要承受面板屈曲的區(qū)域，減小面板寬度可有效改善屈曲結(jié)果，因此優(yōu)化方案中槽條中端板厚相比初始方案均有所減小；在槽條上端與下端，優(yōu)化方案的板厚計(jì)算結(jié)果與初始方案相比有所增加，其中以槽深取值為1 100 mm時(shí)的變化最為明顯，此時(shí)表明減小槽深對(duì)面板屈曲結(jié)果的不利影響為主導(dǎo)因素。

圖7 3種優(yōu)化方案的板厚直接計(jì)算結(jié)果

將初始方案與優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表6。從表6 中可看出：優(yōu)化方案中的圍長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)重量均小于初始方案，其中方案D7 中的槽型艙壁圍長(zhǎng)最短，結(jié)構(gòu)重量最輕，與方案D6 接近。將方案D6 和方案D7 應(yīng)用于相鄰貨艙中，其艙段有限元結(jié)果滿足規(guī)范衡準(zhǔn)的要求。

表6 初始方案與優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以重壓載艙橫向槽型艙壁為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，從槽深和面板寬度2 方面進(jìn)行優(yōu)化的方向是可行的。通過(guò)對(duì)多種優(yōu)化方案進(jìn)行對(duì)比分析可知，目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的優(yōu)化方案是槽深和面板寬度均有所改變，運(yùn)用分析評(píng)估所得優(yōu)化方案可有效提升面板的抗屈曲能力，減小槽型艙壁的結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省建造成本。

對(duì)于不同載重量的散貨船而言，可根據(jù)實(shí)際的船型參數(shù)，在保證a1＜a2的前提下，適當(dāng)調(diào)整其他槽條參數(shù)，從而得到該船型下最優(yōu)的橫向槽型艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。