散貨船結構優化設計

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(滬東中華造船(集團)有限公司,上海 200129)

減少鋼料使用可以有效地降低船舶建造成本，也同樣有利于船舶的節能減排。《散貨船CSR共同規范》(簡稱規范)的生效對散貨船的結構設計帶來了重大影響。自規范推出以來，國內各大船廠、設計院所對散貨船空船的結構優化設計不斷開展研究工作，并收到一定的成效[1-4]。

76 000 DWT單殼散貨船是滬東中華造船集團目前的主力散貨船型之一。基于該規范，滬東中華造船集團與中國船級社進行技術合作，以76 000 DWT散貨船實船為優化設計目標母型，對其貨艙區結構開展結構優化設計。在其他總體設計條件不變的情況下，主要采用板厚調整、型材骨材規格優化選擇等方法，去除結構冗余。

1 優化流程簡介

該76 000 DWT散貨船共有7個貨艙，其中1、3、5、7號貨艙為重貨艙，2、6號貨艙為輕貨艙，4號貨艙為重壓載艙。本次優化工作對7個貨艙都進行規范校核優化，對船舯的2～6號貨艙進行艙段有限元屈服和屈曲分析，1號與7號艏艉貨艙由于規范沒有明確規定，其構件尺寸在規范校核的基礎上與船級社共同協商確定。由于有限元屈服細化和有限元疲勞校核為局部細節要求，對船鋼料重量影響極小，為節省工作量，這里不予計算。滬東中華造船集團76 000 DWT散貨船總體布置見圖1。

圖1 滬東中華造船集團76 000 DWT散貨船總體布置示意

整個優化設計工作主要分為以下幾個部分。

1)船體梁載荷優化。根據實船使用情況，對完整、破艙和在港工況的許用彎矩剪力值的余量進行重新調整，提交船級社審核。

2)規范校核優化。采用CCS-SDP軟件對貨艙區橫剖面和橫艙壁結構進行規范校核優化設計，調整板厚、骨材規格以降低鋼料消耗，圖紙提交船級社審核。

3)艙段有限元分析。采用通用有限元軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進行建模和計算，利用中國船級社DSA軟件進行邊界加載和后期結果處理，對于規范計算后不滿足有限元粗網格要求的進行局部加強，使之能滿足規范有限元要求，完成優化方案，圖紙提交船級社審核。

中國船級社對三部分內容分階段進行技術支持和圖紙資料審核。

2 船體梁載荷優化

全船靜水彎矩剪力包絡線是船體各剖面規范校核和尺寸設計的基礎，是基于全船裝載狀態的結構設計的重要依據。規范第4章第7節對設計裝載狀態有非常詳細的規定和要求。規范第4章第3節對靜水載荷的選取有非常詳細的規定和要求，靜水彎矩和剪力必須分為完整工況、破艙工況和在港工況，并且迭加其對應的波浪彎矩。

值得注意的是，在現有CSR規范體系下，通常在港工況的使用值較易滿足，因此常用的設計方法是選擇完整工況和破艙工況進行計算校核，最后依據波浪彎矩的差值反推后即可得到在港工況的靜水彎矩和剪力許用值。

基于初步裝載手冊中所有典型裝載狀態下的完整工況和破艙工況的靜水彎矩和剪力，其中非均勻裝載工況(例如隔艙裝載工況和重壓載工況)可以進行剪力修正，加放余量則可產生對應的彎矩剪力許用值。

在船舶的初始設計條件下，由于全船質量分布是依據設計母型預估，不夠準確，彎矩、剪力的許用值的選擇有更多的不確定性。因此為保證設計方案的可行性，在首制船設計過程中，完整工況和破艙工況的靜水彎矩和剪力許用值需要加放更多的余量。由于本次優化設計是基于實船設計和建造經驗，減少了更多重量預估的不確定性。因此在完整工況和破艙工況的靜水彎矩和剪力許用值的加放余量可以比首制船設計更小。在優化船體梁載荷過程中，主要有兩點優化措施：①改變通常在船中0.4L范圍內靜水彎矩一致的做法，在不影響包絡的情況下兩端提前減少靜水彎矩包絡線；②將剪力包絡線做成鋸齒形，以減少艙中剪力要求。

3 規范校核優化設計

3.1 規范優化概述

規范十分復雜，除了通常規范基本的總強度和局部強度要求外，對于板材有最小板厚要求，各種不同位置處的強度屈服屈曲校核要求，以及各類布置要求，等；對于骨材，也對應有各類屈服和屈曲要求。規范校核是全船結構控制重量的基礎，這必須基于對全船整個設計流程的熟悉和規范及其分析軟件的深入理解，內容復雜工作量巨大。

基于優化后的船體梁包絡線，選擇出沿船長方向各個關鍵位置(主要為板縫和結構變換處)，進行計算校核和優化設計。經過與中國船級社審圖中心進行討論，共對30個橫剖面進行計算校核和優化。針對每個橫剖面位置，完全按照其實際位置的線型和結構，進行規范校核建模和計算分析，并且進行優化設計。

以4號貨艙FR146為例，橫剖面各個縱向連續構件板厚尺寸確定的規范主導因素見圖2。

圖2 橫剖面各個縱向連續構件板厚尺寸確定的主導因素

3.2 總強度校核與優化

3.2.1 彎矩強度

根據對巴拿馬型76 000 DWT散貨船各個橫剖面進行計算校核分析，確定其總縱強度的主導因素是進水條件下的中垂彎矩，這是由于散貨船開口的結構布置形式所決定的。根據中船重工船舶設計研究中心郝金風等人的研究[5]，CAPESIZE型散貨船的進水條件下的中垂彎矩也存在同樣的影響。這是由于散貨船較大的甲板開口結構形式和較大的靜水中垂使用彎矩所決定的。

在充分考慮總強度的基礎上，合理布置甲板區域構件，調整甲板、船底的剖面模數，達到理想平衡狀態，避免某一模數過大。對于甲板縱骨、舷頂縱骨以及頂邊艙底板上部縱骨適當增加骨材尺寸，增強中垂極限強度。依次優先減少頂邊艙底板厚度、舷頂列板和主甲板厚度，以降低總的橫剖面面積。

經過大量的總強度計算，發現對于散貨船而言，進水條件下中拱剖面模數要求以及進水條件下中垂極限強度要求，尤其是后者，控制船體梁總縱彎矩強度的主導關鍵因素。

3.2.2 剪切強度

《CSR-BC規范》第五章第1節2.2給出了船體梁剪切應力計算方法，3.2給出了船體梁剪應力衡準方法。

由于采用更為準確的鋸齒形剪力包絡線，在針對貨艙總強度中部剪力校核時，艙中區域的單殼舷側板的板厚要求可以有所降低。按照以上方法，完成了所有橫剖面剪切總強度的優化設計工作。按照計算經驗，進水條件下的剪切強度是控制舷側板厚的主導因素。

3.3 局部強度校核

《CSR-BC規范》第6章第1節3.2對橫剖面縱向板材的局部強度規范直接計算要求做出了明確規定，第6章第2節3.2對橫剖面縱向骨材的局部強度規范直接計算要求做出了明確規定。板材和骨材分別針對完整工況、進水工況和試驗工況分別進行局部屈服強度校核，通常而言完整工況是縱向板材和骨材局部強度校核的主導因素。

3.4 橫剖面的其它要求

除了要滿足總強度和局部強度要求外，規范還有一些最小凈板厚、抓斗和布置要求等，對設計帶來一些限制。這里對本次76 000 DWT結構優化設計影響較大的一些規定進行匯總。

1)腐蝕增量規定(第3章第3節)。規范對板材腐蝕增量的計算有著十分明確的規定，所有板材和構件都按兩側的腐蝕增量(tC1和tC2)進行計算。按照腐蝕增量的規定，在優化設計過程中，綜合板材采購規格，可以適當移動板縫。

2)最小凈板厚要求(第6章，第1節，2.2)。規范給出了各個位置的最小凈厚度要求，這也是必須滿足的。

3)布置要求。對本次結構優化設計影響較大的布置要求主要有如下幾點。

(1)龍骨板的凈厚度應不小于相鄰2 m寬船底的實際凈厚度(第6章，第1節，2.4.1)。

(2)焊接舷頂列板的凈厚度不小于相鄰的2 m寬舷側板的實際凈厚度，如需要計入高強度鋼修正量(第6章，第1節，2.5.1)。

(3)舭列板的凈厚度應不小于相鄰的2 m寬船底或船側板的實際凈厚度，取大者(第6章，第1節，2.3.3)。

(4)甲板邊板的凈厚度應不小于相鄰甲板板材的實際凈厚度(第6章，第1節，2.6.1)。

(5)如設有底邊艙斜艙壁的下列板，其實際凈厚度和屈服應力應不小于與其連接的內底板的實際凈厚度和屈服應力(第3章，第6節，6.1.6)。

4)抓斗要求(第12章，第1節，2.1)。內底板、底邊艙斜板、橫艙壁底凳、橫艙壁板和內殼，距離內底最低點向上3 m范圍內的凈厚度，除滿足其他規范要求外，需滿足抓斗要求如下。

5)進水工況雙層底剪切能力校核(第6章，第4節，3.1)。雙層底剪切能力應按以下各構件端部剪切強度之和計算，許用載貨量按照規范3.1.4節進行計算校核。

3.5 橫艙壁校核和優化

這里選取6個艙壁的前后位置，共12個艙壁校核剖面分別進行規范建模、校核和優化設計。按結構型式，優化母型船艙壁可分為兩類：4貨艙重壓載艙前后艙壁(FR127和FR156)和其它普通艙壁(FR66、FR96、FR187和FR217)。橫艙壁尺寸優化設計的確定主要是基于規范校核，后期艙段有限元分析可能會由于部分屈曲問題進行少部分槽條板厚的增加。

橫艙壁的優化設計十分復雜，以下將本項目橫艙壁結構優化設計中起到主要限制因素的規范條文和對應設計要點進行總結歸納。

散貨船共同規范對橫艙壁的設計有著諸多的規范要求，基于本次76 000 DWT艙壁結構優化設計經驗，限制設計的主導因素涉及的規范條文主要有以下幾點：①完整工況下橫向承載板格的凈厚度要求(第6章，第1節，3.2.1)；②槽條凈厚度布置范圍要求(第6章，第1節，3.2.3)；③底凳和頂凳的凈厚度要求(第6章，第1節，3.2.3 bis1)；④抓斗要求(第12章，第1節，2.1.3)；⑤槽條進水強度要求(第6章，第2節，3.6.1)；⑥艙壁上部槽條的實際凈剖面模數要求(第6章，第2節，3.6.1)。

綜合以上對橫艙壁的要求，對橫艙壁結構進行優化設計。

3.6 規范校核優化措施

3.6.1 橫剖面優化措施

1)仔細計算校核，去除所有設計冗余，緊扣規范要求。

2)在大面積增加很多屈曲筋的情況下，盡可能采用加筋措施來解決屈曲問題，盡可能不增加板縫。

3)增加主甲板骨材尺寸，控制進水條件下的總縱中垂極限強度。

4)合理調整板縫，盡可能避開腐蝕余量的要求。

5)舷側單殼外板處，根據總強度剪力控制的要求和現場加工需要，合理布置板縫。

6)其它各類措施。

3.6.2 橫艙壁優化措施

1)針對重壓載艙艙壁(FR127和FR157)在艙壁槽條下端處增加一道板縫，以減少艙壁中部板厚，這樣又有利于降低槽條上部板厚，繼而減少頂凳底部側板和頂凳底部的板厚，增加此道板縫對于減少重壓載艙前后艙壁厚板至關重要。

2)針對非艏部的其他普通艙壁(FR66、FR96和FR187)，對底凳斜板縫略向上移動使其上部避開抓斗要求，另外對槽條中部和上部板厚進行仔細計算，再減薄頂凳底板和底凳頂板，去除設計冗余，最大限度做輕艙壁。

3)針對艏部普通艙壁(FR217)，由于第4章第6節3.3.3的最前端槽型橫艙壁進水液面高度的特別規定，要對其槽條進水強度特別關注，仔細核算。

4 艙段有限元校核與優化

4.1 有限元計算概況

按照規范要求對2、3、4、5、6號貨艙進行艙段有限元分析。1、7號貨艙由于其邊界條件和載荷工況等在現有共同規范中沒有明確規定，暫時不進行分析，由CCS船級社進行酌情審圖。5個貨艙中，4艙為重壓載艙，3、5艙為重貨艙，2、6艙為輕貨艙，分別按照規范第4章附錄2中的直接強度分析的標準載荷工況，基于共同規范第七章直接強度分析對其艙段有限元屈服和屈曲進行計算分析評估。

散貨船共同規范第7章第2節對有限元分析的建模要求、邊界條件船體梁彎矩剪力調整等進行詳細的規定。這些規定較為復雜，具體內容可以參見規范。第4章附錄2對裝載工況(包括裝載模式和載荷工況)也進行了詳細的規定。規范第7章第3節對艙段有限元的分析衡準提出了具體要求。

艙段有限元直接強度評估，采用MSC.PATRAN 進行建模、NASTRAN進行計算，利用中國船級社CSR DSA 軟件進行邊界加載和后期結果處理，以此完成基于CSR 的整體艙段有限元結構分析。

4.2 艙段有限元計算結果

由于進行艙段有限元計算前，貨艙橫剖面結構已經經過CSR規范校核，絕大部分構件都能滿足屈服強度要求。圖3給出了所有計算工況下的重壓載艙(4號貨艙)艙段分析的最大Vonminses應力分布。外板由于雙層底受壓拱起，導致板格雙向受壓，因此僅滿足規范計算的外板板厚會產生大面積的屈曲問題，需要相應增加大面積板厚。外板是艙段有限元計算增加板厚的主要區域，需要在有限元分析中重點關注。外板屈曲計算結果見圖4。另外，底邊艙斜板、頂邊艙斜板、艙口間甲板、橫艙壁槽條等也有一些局部屈曲的問題，需要增加板厚和尺寸的問題。其余各艙的有限元計算結果也較為類似，基本也是在這些區域需要增加相應結構尺寸。

圖3 重壓載艙艙段分析的最大Vonminses應力分布

圖4 外板屈曲結果示意

5 優化效果說明

根據以上的橫剖面結構優化設計的方法，對所有7個貨艙的縱向結構尺寸進行了優化設計。通過本項課題研究，在公司原76 000 DWT散貨船的結構設計基礎上去除設計冗余，減少了大量設計板厚，能夠減少該型船的結構鋼料重量。基于SPD軟件進行對比，統計單船節約鋼材340 t左右，具體統計數據見表1。

表1 貨艙區結構優化重量統計

6 結論

通過結構優化設計，降低了76 000 DWT散貨船的結構鋼料重量t。中國船級社對該76 000 DWT散貨船相關貨艙區結構圖紙進行了預認可。通過本項優化研究工作，僅從結構優化計算角度來看，全船船體梁載荷余量控制、破艙狀態下的極限強度控制、規范各類要求、艙段有限元屈曲分析等都是控制鋼料使用的關鍵。

1)余量適合、合理的全船彎矩、剪力包絡曲線對保證船舶設計方案和結構重量控制尤為重要。

2)全船大部分構件尺寸的確定都基于規范校核，優化設計工作必須基于對全船整個設計流程的熟悉和規范及其分析軟件的深入理解，內容復雜工作量巨大。

3)經過規范校核后的大部分構件都能滿足艙段有限元屈服的要求，但仍有部分區域諸如縱桁與艙壁交匯處等結構局部應力集中處，會由于艙段有限元屈服問題增加板厚。

4)在艙段有限元分析中，屈曲問題是導致板厚增加的關鍵，雙層底外板、縱桁、肋板，底邊艙斜板、頂邊艙斜板、艙口間甲板、艙壁槽條、底凳和頂凳垂向板在有限元分析中都是較易發生屈曲的位置，需要重點考慮，盡可能考慮加筋解決屈曲問題。

[1] 吳 安.82 000 DWT散貨船的結構優化設計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2012.

[2] 李小靈，徐淑琴.11.5萬DWT散貨船結構優化設計研究[J].上海造船,2010,83(2):17-21.

[3] 許 磊.基于參數化建模的散貨船有限元分析及優化[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2011.

[4] 陸洪度.減輕船舶空船重量的全面優化設計[J].上海造船,2012,92(4):12-18.

[5] 郝金風，石俊令，封 毅.極限強度對船舶結構設計的影響[J].船舶工程,2010,32:22-24，32.