81 600 DWT散貨船結構設計特點

李　博韓　斌

（1.上海交通大學，上海200030；2.上海船舶研究設計院，上海201203）

船舶結構

81 600 DWT散貨船結構設計特點

李博1韓斌2

（1.上海交通大學，上海200030；2.上海船舶研究設計院，上海201203）

81 600 DWT散貨船是在82 000 DWT散貨船基礎上開發的新一代卡姆薩船型。通過梁系計算、有限元等手段并結合造船實踐經驗，對原結構形式進行了分析計算，優化設計，使得結構更安全，更經濟，更優化，重量更輕。確保在激烈的市場競爭中，保持領先地位。

散貨船；梁系計算；有限元分析

0　前言

隨著全球經濟的復蘇和船東對運力需求的增長，世界航運市場呈現了上升的趨勢，其中散貨船市場在逐步回暖。新規范、綠色造船理念和激烈的市場競爭對船舶設計提出了更高的要求。在這種情形下，船院推出了節能環保型81 600 DWT散貨船。該船在前兩代的基礎上，主要針對線型、主機、螺旋槳、總體布置和節能裝置等各方面進行大量的研究優化，僅油耗就由原來的32.1 t/d降低到26.8 t/d。相應地，該船總體性能的提高也對結構的設計提出了更高的要求。船體結構通過梁系計算和有限元分析等方法，對貨艙關鍵部位進行優化，對部分設備加強和典型結構節點進行改進，精確的控制空船重量，為總體設計目標的實現提供保障。

1　結構設計

1.1主尺度

該船的設計依托船型是船院設計的82 000 DWT散貨船，新船型滿足國際造船新規范、新標準，如散貨船結構共同規范（CSR）、壓載水管理公約（BMW）、涂層新標準 （PSPC）、新船能效設計指數（EEDI）等。貨艙可裝谷物、煤、鐵礦石等散貨，航行于國際無限航區。

該船的主尺度和參數如下：

1.2結構布置優化

1）分艙優化。分艙對于結構設計很重要，優化必須先從貨艙布置入手。貨艙的艙容分布，對于全船的靜水彎矩和剪力有直接的影響。根據對各裝載工況下彎矩和剪力的分布的分析，通過調整艙長和壓載水總量，降低最大彎矩值，從而達到減少舯橫剖面剖面模數的目的。該船共有7個貨艙，其中第4貨艙兼做壓載水艙。由于船長較長，該船的彎矩和剪力值都較大。經過對比各個裝載工況的彎矩和剪力，發現第4貨艙的長度對于最大彎矩的影響最敏感。減小第4貨艙長度，使其艙容約為其他貨艙的90%，彎矩和剪力均得到了降低。理想的彎矩值和剪力使得原貨艙結構設計有所富裕，因此將貨艙區上甲板厚度減少1 mm，部分外板厚度也略有減少，累計減輕重量33 t。

2）尾部結構優化。原母型船的尾部線型比較肥大，導致船舶在航行中阻力過大、尾流不均勻、風浪中失速過大等問題。為了使該船更綠色環保、經濟性最優，總體優化了尾部的線型。水線面以下的線型比較瘦，水線面以上甲板外飄類似于集裝箱船。線型的優化減小了阻力，提高了航速，但線型的劇烈變化給機艙結構布置帶來了困難。首先該船采用的是六缸機，設備尺寸大于母型船的五缸機；其次在相對狹小的空間內既要滿足輪機專業功能性的設備布置，又要符合規范對逃生通道及設備檢修的要求；最后機艙區域線型變化復雜，結構“死角”區域增多，加大了船廠的施工難度。經綜合考慮，機艙結構最后采用縱、橫骨架相結合的形式，因為縱骨架式的施工難度很大，底部區域采用橫骨架式結構，既增加了結構牢固性，也方便了船廠的分段制造。雖然橫骨架式會偏重一些，但通過外板縱桁的設置來減小肋骨的跨距從而降低腹板高度，也能減小重量方面的不利影響。另外經過局部強度計算，部分肋位的橫向骨材用球扁鋼代替了原來的T型材，減輕重量約10 t。

3）首部設計優化。首部采用垂直首，也就是短球鼻的型式，減少了球鼻區域的重量。但是由于球鼻的減小，首部錨的布置難度提高，為了保證拋錨的安全性，錨臺尺寸增大，外板上相應的結構加強區域也要增大。由于整個首部比母型船肥大，首部采用了縱骨架式來降低結構重量，縱骨架式還可以使舯部的外板縱骨在首部得充分的延伸，形式更安全、更合理，減少了外板縱向結構的突變，在一定程度上有利于船的總強度。

2　屈服與屈曲應力分析

根據CSR規范要求，散貨船貨艙段要求采用有限元整體分析，用于評估結構主要支撐構件的強度。

根據各個裝載工況的結果比較，船底外板（重貨艙為多港工況決定，輕貨艙為隔艙裝載決定）由于中拱狀態的影響，受到很大的壓力，屈服強度問題不大，但貨艙中部大部分板格失穩，采用換鋼材等級、增加板厚或者增設橫向屈曲筋來提高船底外板板格的穩性，見圖1。由于屈曲強度的影響，船底外板的厚度由貨艙中部向前后兩端呈現遞減的趨勢。

圖1　船底外板

雙層底縱桁在靠近艙壁的位置由于剪切應力過大，屈服和屈曲都無法滿足要求。屈服強度位于艙壁附近問題較為惡劣，主導工況重壓載艙為重壓載工況，輕貨艙和重貨艙為隔艙裝載工況，通常屈服強度能通過增加板厚或提高鋼級來解決，但由于艙壁附近剪切應力非常大，僅提高局部板厚無法有效的解決此問題。我們在橫艙壁底墩下方增加短縱桁，通過增大垂向的剪切面積，來減少此處板厚的增量。屈曲強度重貨艙和輕貨艙都在最靠近舷側的縱桁上有問題，主導工況重貨艙為多港裝載，輕貨艙為隔艙裝。由于此處的縱桁除了貨物載荷以外還要承受底邊艙斜板傳遞的載荷，故導致縱桁在貨艙中部位置的部分板格失穩，需要增加板厚來滿足屈曲要求，見圖2。

圖2　雙層底縱桁

雙層底肋板在滿載裝重貨的情況下，由于貨物載荷與海水載荷的共同作用，雙層底肋板靠近兩側端部的剪力水平最高。貨艙中部的雙層底實肋板受到較大的剪力，屈服強度不滿足要求，板厚變化趨勢為由舷側向船中逐步減少，見圖3。另外雙層底實肋板在類似的工況下，靠近舷側的板格也是由于剪力原因造成屈曲強度不夠，需要適當增加板厚。

圖3　雙層底實肋板

3　艙口圍加強

原船運營期間，發現艙口圍區域部分肘板扭曲變形，主甲板與骨材之間脫焊，支撐板端部開裂等問題。散貨船的艙口較小，且艙口圍模數不參于總強度計算，故總彎矩對艙口圍結構的影響應該不是主導因素。局部結構的破壞更有可能是應力集中和焊接質量差造成的。

針對此問題，建立了有限元模型對艙口圍結構進行評估。艙口蓋載荷通過X、Y方向的止動塊和Z向的墊塊傳遞給艙口圍結構。該船FZ為995 kN，FX和FY都在1 200 kN左右。有限元模型和結構變形量參見圖4。

圖4　艙口圍模型

經過計算發現，載荷FX和FZ造成的彎矩是導致主甲板局部變形的主要因素，FZ還造成艙口圍頂板應力過高。經過分析研究，設備廠家止動塊和墊塊設計載荷過高，是問題的主要原因。顯然廠家的載荷無法減少，但止動塊的設計位置并沒有放在結構強構件上，使得作用力無法得到有效的支撐。通過與廠家協調，要廠家把Y方向止動塊挪到橫向艙口圍強結構上，這讓Y向力得到了更好的傳遞，又省去了額外的加強，僅加強結構節省了20 t。

4　船首底部砰擊

船舶在航行過程中受到波浪的影響，船首會經歷從出水到再入水的反復過程。當船首出水時，空氣會介入船體同水面的接觸中，在相互的作用下船體受到較大的瞬時載荷，這就是砰擊現象。船首底部容易受到砰擊的影響，嚴重的砰擊會引起船體的高頻振動，一方面局部區域受到巨大的沖擊力，會造成構件的損壞，另一方面劇烈的振動可能會給船體帶來額外的動力彎矩，當此彎矩同波浪彎矩迭加時，容易對船的總縱強度造成損失。

該船采用梁系對船首底部區域的砰擊問題進行評估。根據CSR規范，船底砰擊壓力PSL由下式得出：

式中：c1，cSL——分布系數；

L——結構計算船長

模型僅建立了底部的肋板和縱桁，外板和艙壁處為約束點，載荷通過橫向構件傳遞到縱向構件，參見圖5。底部肋板和縱桁存在各種開孔，開孔區域構件的腹板厚度需要進行相應的折減。底部的縱骨也可以采用類似的方式進行評估，在強框和縱桁處進行約束。

圖5　船底強構件梁系模型

經過梁系計算發現，部分肋板和縱桁的剪切應力過大，需要增加腹板厚度，主要原因就是800 mm ×600 mm的結構檢驗通道開孔減少了原構件的有效板厚。最后該計算結果同BV船級社的有限元結果對比，有相似的結論，所以證明針對船首底部砰擊問題，梁系計算法在項目初期是一種有效的、快捷的評估方式。

5　節點設計

疲勞破壞是船舶結構主要破壞形式之一，對于目前大量使用高強度鋼的散貨船，外底縱骨的疲勞問題尤為明顯。該系列船的船外底縱骨同底部肋板連接方式主要有兩種：一種為帶背部肘板，另一種為帶鑰匙孔切口，見圖6。圖中（a）為常規的結構節點，其疲勞壽命好，可以滿足CSR的疲勞壽命要求，但是缺點就是船廠需要安裝幾千塊小肘板，費時費力；（b）背部為“鑰匙孔”形式的軟踵。

由于鑰匙孔形狀的切口規范中沒有規定其適用的應力集中系數，對此節點采用直接計算法進行驗證。選取FR147和FR88的外底縱骨SL.6為評估目標，熱點附近位置采用精細化網格，計算結果如表1所示，具體模型見圖7。

圖6　典型船底縱骨連接節點

表1

圖7　外底縱骨疲勞節點

本模型得到的熱點應力為FR88_SL.6：154.41 MPa；FR147_SL.6：223.32 MPa。相較于普通的扇形孔，鑰匙孔所形成的軟踵確實有效的優化疲勞壽命。通過直接計算驗證，散貨船底部縱骨完全可以取消背肘板，這對于船廠的成本控制十分的有利。

6　結語

結構設計包含很多內容，本文僅簡要的敘述了81 600 DWT巴拿馬型散貨船的結構設計特點，針對散貨船運營中易出現的問題提出了見解和解決方案。母型船的結構非常優秀，但隨著時代的進步，我們的設計也要不斷的優化、更新，以適應新的要求。結構設計既要學習船級社的新技術，還要密切關注船舶實際運營中出現的問題，不斷計算和研究，比較各種設計方案。這是一個不斷的積累、反復的修改和迭代的過程。希望本文對具體問題的解決方法能夠給更多設計人員帶來幫助。

Introduction on Structure Design Characteristics of A 81 600 DWT Bulk Carrier

Li Bo1Han Bin2

（1.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200032，China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

81 600 DWT bulk carrier was a new generation of kamsarmax bulk carrier，which was based on the old designof82000DWTbulkcarrier.Basedonbeamtheory，finiteelementanalysisandexistingpracticeofshipbuilding，the original structure was recalculated and optimized.The new vessel structure became more reliable and more economical with reduced lightweight which ensured a leading design in the fierce competition of the shipbuilding market.

bulk carrier；beam calculation；finite element analysis

U674.13+4

A

1001-4624（2015）01-0045-04

2014-08-25；

2014-12-25

李博（1980—），男，工程師，從事船舶結構設計工作。韓斌（1980—），男，工程師，從事船舶結構設計工作。