散貨船艙口圍板撐柱結構優化設計

楊仁記等

摘要：考慮到現代造船的PSPC要求，對母型船的艙口圍板撐柱結構進行優化，根據CSR共同規范對艙口圍板撐柱結構的要求，通過規范計算和有限元分析校核撐柱優化方案的合理性。通過對撐柱結構的優化設計，選取更優的撐柱型式，以實現減少焊接長度，減少焊接工作量，減少頂邊艙的涂層破損的目標，應對PSPC新標準的實施；優化撐柱的結構尺寸，減少鋼料用量，降低船舶的建造成本。

關鍵詞：艙口圍板撐柱 焊接 CSR規范 頂邊水艙 涂層破損 PSPC

1 背景

《所有類型船舶專用海水壓載艙和散貨船雙舷側處所保護涂層性能標準》，簡稱PSPC，該標準作為一項船舶涂層破損的考核標準，逐漸被船東作為評定造船質量、精度等方面的參考依據。根據PSPC的要求，壓載艙的涂層破損面積不得超過壓載艙總面積的2%。該標準的推出對船舶的設計和建造帶來了重大影響，針對PSPC的新要求，船企必須從提高管理水平、改進建造工藝以及優化船舶設計等多方面，降低建造過程中壓載艙的涂層破損。文中以76000DWT巴拿馬型散貨船的艙口圍撐柱設計為例，闡述在前期產品設計源頭中考慮降低船舶建造過程中壓載艙涂層破損的思路和方法。船臺搭載過程中的焊接會造成已有涂層的破損，如果焊接發生在壓載艙等處，就會造成壓載艙的涂層破損，這將不利于對PSPC要求的控制，這是船企需要盡力避免的。散貨船是我國目前建造數量最多的船型。在散貨船的建造過程中，艙口圍分段是在貨艙區主甲板搭載完畢后，再散吊上船臺進行搭載的，見圖1。這種船臺散吊搭載的建造方式，會造成艙口圍板和撐柱與甲板連接處的涂層在焊接時被破壞，由于建造場地和條件的限制卻又無法避免。這些搭載焊縫大量位于頂邊水壓載艙上方，會造成頂邊艙壓載艙涂層的破壞。并且在船臺搭載階段較多的焊接工作量，重復的油漆工作，較大的結構厚度都會帶來建造成本的增加。

因此本文基于76000DWT散貨船的艙口圍撐柱為設計母型，對其結構型式進行優化，并且使其能夠滿足CSR共同規范的要求。力圖從設計源頭改善建造過程中頂邊艙壓載艙圖層破壞的問題，提高造船設計和建造水平，以應對PSPC新標準的實施，并實現降本增效的目標。

3 撐柱設計優化方法

3.1 原設計方案介紹

原設計方案中，選取了CSR規范提供的第4種范例型式。典型艙口圍板撐柱高度為1330m，上緣長400mm，下緣與甲板面的對接長度為830mm，板厚為20mm，面板為FB150x12，內部開孔的加強面板為FB100x12。原方案典型艙口圍板的詳細數據見圖3。原設計方案撐柱與甲板面的對接是連續的，故理論焊接長度為830mm，焊接區域較長，板厚較厚。此設計會帶來較大的焊接工作量，造成甲板油漆的較大范圍破壞，增加建造成本以及壓載艙涂層的破壞。

3.2 優化設計方案

為減小撐柱與甲板的焊接長度，減少艙口圍板撐柱與主甲板的搭載焊接工作量，提高PSPC工藝控制水平。文中選取CSR規范提供的第3種范例型式。該型式由于撐柱與甲板面的對接不連續，可以在中間減少一部分焊接區域。通過規范計算，確定圍板撐柱的初步優化方案。優化后的撐柱主要由200x15+100x10的T型材和200x15+150x

10的工字鋼組成。與甲板的對接區域長度約為430mm。初步優化方案典型艙口圍板的詳細數據見圖4。其與甲板的連接處的凈剖面模數W=2548cm3，凈厚度tw=12.5mm，符合規范公式要求。該初步優化方案還需進行有限元驗證。

4 優化方案的有限元分析

4.1 有限元模型

以風暴艙艙口圍作為計算典型，使用有限元軟件MSC.Patran/Nastran建立其模型。模型包括艙口圍板、艙口面板、撐柱等結構。模型中艙口圍板、撐柱、艙口面板等構件采用板單元模擬，扶強材采用梁單元模擬。模型見圖5。

4.2 工況設定

由于艙口圍承受艙口蓋壓力和作用在艙口圍板上的波浪側向壓力，本文分為兩種工況評估優化方案可行性。

LC1：艙口圍面板承受艙口蓋垂向壓力，見圖6。

LC2：艙口圍板承受波浪側向壓力，見圖7。

4.3 屈服強度結果與分析

根據MSC.Nastran計算結果，將艙口圍結構最大應力進行匯總，見表1。艙口圍結構的屈服強度均滿足規范要求，高應力區主要集中在撐柱處且不超過許用應力，證明了優化方案的必要性與合理性。最大應力云圖見圖8。

5 效益分析

通過對艙口圍撐柱的優化設計，可以實現艙頂邊壓載艙的焊接區域減少和結構板厚的降低。對于每一個典型艙口圍撐柱結構，優化方案與原設計方案相比，理論上可以減少400mm的艙頂邊壓載艙焊接長度，并且減少了23.53kg的鋼材用量。風暴艙艙口圍有48根類似的撐柱，所以一個完整的艙口圍結構，通過本文的優化，理論上減少的焊接長度有19.2m，起重位于艙頂邊壓載艙的焊接長度為8m。減少的鋼材用量達到1.13T。全船有7個類似的艙口圍，所以可以預見，艙口圍撐柱的優化方案所帶來的效益是相當可觀的。

焊接長度的減少，不僅減少船臺搭載焊接工作量，減少焊材和人工的使用，而且可以有效的減少涂層破損面積，有助于船企應對PSPC新標準的實施。

6 小結

本文對艙口圍板撐柱的結構型式在規范允許的范圍內進行了優化。根據PSPC的要求，選取的撐柱型式可以有效的減少撐柱與甲板的對接焊縫長度，每個撐柱在理論上可以減少400mm的焊接長度，與母型船相比焊接長度縮短了一半，對船舶滿足的PSPC要求提供了相當大的幫助，同時減少了船臺搭載焊接工作量。通過優化結構，有效的減小了撐柱的板厚和扶強材的尺寸，節省鋼材用量，降低結構成本。本文對選定的優化方案進行了CSR規范校核和有限元分析，其結果均滿足規范要求。并且應力水平和剖面模數與許用值比較接近，說明結構型式選取的合理性和經濟性。

參考文獻：

[1]散貨船共同結構規范[S].

[2]陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學[M].上海：上海交通大學出版社，1991.

[3]趙陽.內河自卸砂船艙口圍板結構的圖紙審批和檢驗的建議[J].珠江水運，2010（04）.endprint

摘要：考慮到現代造船的PSPC要求，對母型船的艙口圍板撐柱結構進行優化，根據CSR共同規范對艙口圍板撐柱結構的要求，通過規范計算和有限元分析校核撐柱優化方案的合理性。通過對撐柱結構的優化設計，選取更優的撐柱型式，以實現減少焊接長度，減少焊接工作量，減少頂邊艙的涂層破損的目標，應對PSPC新標準的實施；優化撐柱的結構尺寸，減少鋼料用量，降低船舶的建造成本。

關鍵詞：艙口圍板撐柱 焊接 CSR規范 頂邊水艙 涂層破損 PSPC

1 背景

《所有類型船舶專用海水壓載艙和散貨船雙舷側處所保護涂層性能標準》，簡稱PSPC，該標準作為一項船舶涂層破損的考核標準，逐漸被船東作為評定造船質量、精度等方面的參考依據。根據PSPC的要求，壓載艙的涂層破損面積不得超過壓載艙總面積的2%。該標準的推出對船舶的設計和建造帶來了重大影響，針對PSPC的新要求，船企必須從提高管理水平、改進建造工藝以及優化船舶設計等多方面，降低建造過程中壓載艙的涂層破損。文中以76000DWT巴拿馬型散貨船的艙口圍撐柱設計為例，闡述在前期產品設計源頭中考慮降低船舶建造過程中壓載艙涂層破損的思路和方法。船臺搭載過程中的焊接會造成已有涂層的破損，如果焊接發生在壓載艙等處，就會造成壓載艙的涂層破損，這將不利于對PSPC要求的控制，這是船企需要盡力避免的。散貨船是我國目前建造數量最多的船型。在散貨船的建造過程中，艙口圍分段是在貨艙區主甲板搭載完畢后，再散吊上船臺進行搭載的，見圖1。這種船臺散吊搭載的建造方式，會造成艙口圍板和撐柱與甲板連接處的涂層在焊接時被破壞，由于建造場地和條件的限制卻又無法避免。這些搭載焊縫大量位于頂邊水壓載艙上方，會造成頂邊艙壓載艙涂層的破壞。并且在船臺搭載階段較多的焊接工作量，重復的油漆工作，較大的結構厚度都會帶來建造成本的增加。

因此本文基于76000DWT散貨船的艙口圍撐柱為設計母型，對其結構型式進行優化，并且使其能夠滿足CSR共同規范的要求。力圖從設計源頭改善建造過程中頂邊艙壓載艙圖層破壞的問題，提高造船設計和建造水平，以應對PSPC新標準的實施，并實現降本增效的目標。

3 撐柱設計優化方法

3.1 原設計方案介紹

原設計方案中，選取了CSR規范提供的第4種范例型式。典型艙口圍板撐柱高度為1330m，上緣長400mm，下緣與甲板面的對接長度為830mm，板厚為20mm，面板為FB150x12，內部開孔的加強面板為FB100x12。原方案典型艙口圍板的詳細數據見圖3。原設計方案撐柱與甲板面的對接是連續的，故理論焊接長度為830mm，焊接區域較長，板厚較厚。此設計會帶來較大的焊接工作量，造成甲板油漆的較大范圍破壞，增加建造成本以及壓載艙涂層的破壞。

3.2 優化設計方案

為減小撐柱與甲板的焊接長度，減少艙口圍板撐柱與主甲板的搭載焊接工作量，提高PSPC工藝控制水平。文中選取CSR規范提供的第3種范例型式。該型式由于撐柱與甲板面的對接不連續，可以在中間減少一部分焊接區域。通過規范計算，確定圍板撐柱的初步優化方案。優化后的撐柱主要由200x15+100x10的T型材和200x15+150x

10的工字鋼組成。與甲板的對接區域長度約為430mm。初步優化方案典型艙口圍板的詳細數據見圖4。其與甲板的連接處的凈剖面模數W=2548cm3，凈厚度tw=12.5mm，符合規范公式要求。該初步優化方案還需進行有限元驗證。

4 優化方案的有限元分析

4.1 有限元模型

以風暴艙艙口圍作為計算典型，使用有限元軟件MSC.Patran/Nastran建立其模型。模型包括艙口圍板、艙口面板、撐柱等結構。模型中艙口圍板、撐柱、艙口面板等構件采用板單元模擬，扶強材采用梁單元模擬。模型見圖5。

4.2 工況設定

由于艙口圍承受艙口蓋壓力和作用在艙口圍板上的波浪側向壓力，本文分為兩種工況評估優化方案可行性。

LC1：艙口圍面板承受艙口蓋垂向壓力，見圖6。

LC2：艙口圍板承受波浪側向壓力，見圖7。

4.3 屈服強度結果與分析

根據MSC.Nastran計算結果，將艙口圍結構最大應力進行匯總，見表1。艙口圍結構的屈服強度均滿足規范要求，高應力區主要集中在撐柱處且不超過許用應力，證明了優化方案的必要性與合理性。最大應力云圖見圖8。

5 效益分析

通過對艙口圍撐柱的優化設計，可以實現艙頂邊壓載艙的焊接區域減少和結構板厚的降低。對于每一個典型艙口圍撐柱結構，優化方案與原設計方案相比，理論上可以減少400mm的艙頂邊壓載艙焊接長度，并且減少了23.53kg的鋼材用量。風暴艙艙口圍有48根類似的撐柱，所以一個完整的艙口圍結構，通過本文的優化，理論上減少的焊接長度有19.2m，起重位于艙頂邊壓載艙的焊接長度為8m。減少的鋼材用量達到1.13T。全船有7個類似的艙口圍，所以可以預見，艙口圍撐柱的優化方案所帶來的效益是相當可觀的。

焊接長度的減少，不僅減少船臺搭載焊接工作量，減少焊材和人工的使用，而且可以有效的減少涂層破損面積，有助于船企應對PSPC新標準的實施。

6 小結

本文對艙口圍板撐柱的結構型式在規范允許的范圍內進行了優化。根據PSPC的要求，選取的撐柱型式可以有效的減少撐柱與甲板的對接焊縫長度，每個撐柱在理論上可以減少400mm的焊接長度，與母型船相比焊接長度縮短了一半，對船舶滿足的PSPC要求提供了相當大的幫助，同時減少了船臺搭載焊接工作量。通過優化結構，有效的減小了撐柱的板厚和扶強材的尺寸，節省鋼材用量，降低結構成本。本文對選定的優化方案進行了CSR規范校核和有限元分析，其結果均滿足規范要求。并且應力水平和剖面模數與許用值比較接近，說明結構型式選取的合理性和經濟性。

參考文獻：

[1]散貨船共同結構規范[S].

[2]陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學[M].上海：上海交通大學出版社，1991.

[3]趙陽.內河自卸砂船艙口圍板結構的圖紙審批和檢驗的建議[J].珠江水運，2010（04）.endprint

摘要：考慮到現代造船的PSPC要求，對母型船的艙口圍板撐柱結構進行優化，根據CSR共同規范對艙口圍板撐柱結構的要求，通過規范計算和有限元分析校核撐柱優化方案的合理性。通過對撐柱結構的優化設計，選取更優的撐柱型式，以實現減少焊接長度，減少焊接工作量，減少頂邊艙的涂層破損的目標，應對PSPC新標準的實施；優化撐柱的結構尺寸，減少鋼料用量，降低船舶的建造成本。

關鍵詞：艙口圍板撐柱 焊接 CSR規范 頂邊水艙 涂層破損 PSPC

1 背景

《所有類型船舶專用海水壓載艙和散貨船雙舷側處所保護涂層性能標準》，簡稱PSPC，該標準作為一項船舶涂層破損的考核標準，逐漸被船東作為評定造船質量、精度等方面的參考依據。根據PSPC的要求，壓載艙的涂層破損面積不得超過壓載艙總面積的2%。該標準的推出對船舶的設計和建造帶來了重大影響，針對PSPC的新要求，船企必須從提高管理水平、改進建造工藝以及優化船舶設計等多方面，降低建造過程中壓載艙的涂層破損。文中以76000DWT巴拿馬型散貨船的艙口圍撐柱設計為例，闡述在前期產品設計源頭中考慮降低船舶建造過程中壓載艙涂層破損的思路和方法。船臺搭載過程中的焊接會造成已有涂層的破損，如果焊接發生在壓載艙等處，就會造成壓載艙的涂層破損，這將不利于對PSPC要求的控制，這是船企需要盡力避免的。散貨船是我國目前建造數量最多的船型。在散貨船的建造過程中，艙口圍分段是在貨艙區主甲板搭載完畢后，再散吊上船臺進行搭載的，見圖1。這種船臺散吊搭載的建造方式，會造成艙口圍板和撐柱與甲板連接處的涂層在焊接時被破壞，由于建造場地和條件的限制卻又無法避免。這些搭載焊縫大量位于頂邊水壓載艙上方，會造成頂邊艙壓載艙涂層的破壞。并且在船臺搭載階段較多的焊接工作量，重復的油漆工作，較大的結構厚度都會帶來建造成本的增加。

因此本文基于76000DWT散貨船的艙口圍撐柱為設計母型，對其結構型式進行優化，并且使其能夠滿足CSR共同規范的要求。力圖從設計源頭改善建造過程中頂邊艙壓載艙圖層破壞的問題，提高造船設計和建造水平，以應對PSPC新標準的實施，并實現降本增效的目標。

3 撐柱設計優化方法

3.1 原設計方案介紹

原設計方案中，選取了CSR規范提供的第4種范例型式。典型艙口圍板撐柱高度為1330m，上緣長400mm，下緣與甲板面的對接長度為830mm，板厚為20mm，面板為FB150x12，內部開孔的加強面板為FB100x12。原方案典型艙口圍板的詳細數據見圖3。原設計方案撐柱與甲板面的對接是連續的，故理論焊接長度為830mm，焊接區域較長，板厚較厚。此設計會帶來較大的焊接工作量，造成甲板油漆的較大范圍破壞，增加建造成本以及壓載艙涂層的破壞。

3.2 優化設計方案

為減小撐柱與甲板的焊接長度，減少艙口圍板撐柱與主甲板的搭載焊接工作量，提高PSPC工藝控制水平。文中選取CSR規范提供的第3種范例型式。該型式由于撐柱與甲板面的對接不連續，可以在中間減少一部分焊接區域。通過規范計算，確定圍板撐柱的初步優化方案。優化后的撐柱主要由200x15+100x10的T型材和200x15+150x

10的工字鋼組成。與甲板的對接區域長度約為430mm。初步優化方案典型艙口圍板的詳細數據見圖4。其與甲板的連接處的凈剖面模數W=2548cm3，凈厚度tw=12.5mm，符合規范公式要求。該初步優化方案還需進行有限元驗證。

4 優化方案的有限元分析

4.1 有限元模型

以風暴艙艙口圍作為計算典型，使用有限元軟件MSC.Patran/Nastran建立其模型。模型包括艙口圍板、艙口面板、撐柱等結構。模型中艙口圍板、撐柱、艙口面板等構件采用板單元模擬，扶強材采用梁單元模擬。模型見圖5。

4.2 工況設定

由于艙口圍承受艙口蓋壓力和作用在艙口圍板上的波浪側向壓力，本文分為兩種工況評估優化方案可行性。

LC1：艙口圍面板承受艙口蓋垂向壓力，見圖6。

LC2：艙口圍板承受波浪側向壓力，見圖7。

4.3 屈服強度結果與分析

根據MSC.Nastran計算結果，將艙口圍結構最大應力進行匯總，見表1。艙口圍結構的屈服強度均滿足規范要求，高應力區主要集中在撐柱處且不超過許用應力，證明了優化方案的必要性與合理性。最大應力云圖見圖8。

5 效益分析

通過對艙口圍撐柱的優化設計，可以實現艙頂邊壓載艙的焊接區域減少和結構板厚的降低。對于每一個典型艙口圍撐柱結構，優化方案與原設計方案相比，理論上可以減少400mm的艙頂邊壓載艙焊接長度，并且減少了23.53kg的鋼材用量。風暴艙艙口圍有48根類似的撐柱，所以一個完整的艙口圍結構，通過本文的優化，理論上減少的焊接長度有19.2m，起重位于艙頂邊壓載艙的焊接長度為8m。減少的鋼材用量達到1.13T。全船有7個類似的艙口圍，所以可以預見，艙口圍撐柱的優化方案所帶來的效益是相當可觀的。

焊接長度的減少，不僅減少船臺搭載焊接工作量，減少焊材和人工的使用，而且可以有效的減少涂層破損面積，有助于船企應對PSPC新標準的實施。

6 小結

本文對艙口圍板撐柱的結構型式在規范允許的范圍內進行了優化。根據PSPC的要求，選取的撐柱型式可以有效的減少撐柱與甲板的對接焊縫長度，每個撐柱在理論上可以減少400mm的焊接長度，與母型船相比焊接長度縮短了一半，對船舶滿足的PSPC要求提供了相當大的幫助，同時減少了船臺搭載焊接工作量。通過優化結構，有效的減小了撐柱的板厚和扶強材的尺寸，節省鋼材用量，降低結構成本。本文對選定的優化方案進行了CSR規范校核和有限元分析，其結果均滿足規范要求。并且應力水平和剖面模數與許用值比較接近，說明結構型式選取的合理性和經濟性。

參考文獻：

[1]散貨船共同結構規范[S].

[2]陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學[M].上海：上海交通大學出版社，1991.

[3]趙陽.內河自卸砂船艙口圍板結構的圖紙審批和檢驗的建議[J].珠江水運，2010（04）.endprint