64000DWT散貨船結構設計分析

王艷春，周 妍

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

64000DWT散貨船結構設計分析

王艷春，周 妍

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

隨著一方面船東對裝貨量要求的不斷提高，另一方面由于散貨船共同結構規范(CSR)的實行，規范對強度要求越來越高，因此，結構布置和設計需更加合理，才能在保證船舶強度的情況下，空船重量更輕，載貨量越多。以64 000 DWT散貨船為研究對象，對其結構設計要點進行分析，包括合理的結構布置、強度分析、振動分析和重量控制。

散貨船；結構設計；結構強度

1 船舶主要量度

64 000 DWT散貨船是新一代靈便型海豚系列散貨船，入級LR、DNV、NK、BV、GL等船級社。目前，首批64 000 DWT散貨船已順利交船并投入使用。根據該船安裝的主機的不同推出2款設計：“S”型機64 000 DWT和“G”型機64 000 DWT。兩型主要量度一致，都具備更加節能、環保和經濟效益高等特點，但“G”型機主機較大，因而相比“S”型機機艙加大，5號貨艙有所減小。該船的主尺度為：

計算船長

192.035 m

垂線間長

194.50 m

型寬

32.26 m

型深

18.50 m

方型系數

0.89

服務航速

14.4 kn

2 結構布置

64 000 DWT散貨船總布置圖如圖1所示。該船有5個貨艙，1號、3號、5號艙為重貨艙，2號、4號艙為輕貨艙，3號艙為重壓載艙。設計初期，為便于艙蓋統一制造，首先考慮能使艙口開口大小一致，因而除1號艙外，其余艙口開口的尺寸一致為22 960 mm×18 260 mm。另外，由于船東要求將抓斗放置于甲板條間圍屋頂上，甲板條的寬度在保證能安放抓斗圍屋的情況下必須注意艙蓋開關的可操作性，特別是端鉸鏈處要留有一定的空隙。設計時還應保證各艙裝貨量的情況下各貨艙分布應使彎距剪力最小化。64 000 DWT散貨船頂邊艙6檔為一強框，底邊艙3檔為一強框，艙壁設置盡量位于頂邊艙和底邊艙強框處，以免增加強框數量。由于主機較大，為了盡量不減少5號艙容積，機艙前端壁采用了傾斜設計，下端為傾斜艙壁以加大機艙容積，二甲板以上為垂直艙壁以加大貨艙容積。對于作為壓載艙的底邊艙和頂邊艙，為了減少系統設備上下通過管弄進行了連接。橫艙壁下的底墩在散貨船中一般都作為空艙，為了滿足總體壓載要求底墩作了壓載艙。另外，所有底墩都朝艏部，但3號艙前端艙壁的底墩朝艉部，這是因為3號艙載荷大，為了減小其跨距，底墩必須朝向3號艙布置。在機艙和艏部設計中，常規都采用橫骨架。對于縱橫骨架形式作了反復比較后發現縱骨架結構重量更輕，更容易滿足總縱強度。基于機艙首部線型不是很突兀，采用縱骨架對船廠施工不會產生不便，綜合考慮后采用了非常規的縱骨架形式。

3 強度設計

3.1設計彎距和剪力的確定

首先在設計初期，總體參考現有母型船并跟據64 000 DWT散貨船的實際預估重量，重量分布，以及載貨工況要求得到一個大致的彎距和剪力進行結構設計。由于空船重量等的不確定性，因而前期空船重量重心的預估準確性尤為重要，這將決定彎距和剪力值的準確性。由于64 000 DWT散貨船與母型船差別比較大，空船重量預估不是很有把握，給出的彎距和剪力不是很精準，在實際設計中對彎距和剪力設計值需留有一定的余量值。余量的大小可根據對該船實際把控力進行調節，若覺得對重量重心等比較有把握就可少留一點余量，但余量留太少，一旦完工后實際彎距和剪力值超過設計值會很麻煩，相關強度可能都需重新校核。設計時所留余量越多，結構重量就會越重，實際彎距和剪力值就會變大，設計值就會越難滿足實際值，就可能會形成一個惡性循環，因而準確預估空船重量重心和計算彎距剪力是設計好該船的前提。需提供的彎距和剪力值包括完整工況、進水工況、港口工況這3種工況下的最大中拱、中垂彎距和剪力。以往結構設計時，彎距和剪力在0.4L(船長)區域內統一取該區域最大值。為了減輕重量，64 000 DWT散貨船實行精細化設計，彎矩、剪力則根據實際每一處彎矩剪力曲線值作為設計值。64 000 DWT散貨船彎距包絡線見圖2。

圖1 64 000 DWT散貨船總布置圖

圖2 64 000 DWT散貨船彎距包絡線

3.2許用MH和MHD的確定

由于實船的重量可能比預估的重量要輕，意味著就可多裝貨，因而在結構設計時對總體提供的最大吃水下均質最大載貨量MH和間隔最大載貨量MHD應預留一定余量。各艙可按其百分比預留，預留后總量與本船可能做輕總重量相當。

3.3各壓載艙壓頭確定

64 000 DWT散貨船壓載艙壓力的確定應根據壓載水的交換方式。由于排空法和溢流法這2種方式的壓力計算方法不同，因而需根據總體的破艙要求和輪機空氣管設置位置確定空氣管高度，同時也要考慮空氣管的可安放性。在考慮這些因素時盡量降低空氣管高度，以減少壓載艙的壓力。該散貨船原始設計為排空法，后續船因船東要求改為溢流法。

3.4局部強度的精細化設計

(1)墊墩數量的選取。因為該船擬載鋼卷筒，船底設計時，需要考慮墊墩的數量對雙層底板和縱骨的影響。經過比較發現，設置3個墊墩比5個墊墩的內底板的板厚會增加1 mm，但縱骨取值相同；而采用6個墊墩內底板的板厚不會減少,因而建議船東采用5個墊墩。

(2)貨艙肋骨設計。由于在校核肋骨時，除了3號艙，其余艙肋骨大小基本由完整工況下剪力引起的側向曲屈決定，因此，在設計肋骨前最好根據進水工況下的剪力先確定外板厚度。由于靠近艙壁剪力越大，外板板厚越厚，因而增加了肋骨的帶板厚度。

(3)底墩作為壓載艙的處理。對于底墩，一般設計時作為空艙處理，本船將它設計為壓載艙。對于底墩改為壓載艙的結構強度校核、板厚腐蝕的選取以及其他細節的處理，規范并沒有明確的規定。經過與底邊艙等常規結構的比較以及查詢國際船級社協會(IACS)網站的相關解釋，認為由于壓載艙海水溫度相較空氣低，因而作為壓載艙的腐蝕可比作為空艙減少1.5 mm。起初也有船東提出異議，但通過合理的解釋最終得到了船東和船檢的確認。

4 有限元強度計算

對于五艙段散貨船，一般只對中間三艙段進行分析，其余兩艙的結構尺寸參考中間艙段，這樣易使有些位置會有較大余量。為了更加精確的設計64 000 DWT散貨船，對1號、5號艙結構進行有限元計算，這就要求把機艙和首部結構也建入模型中。1號艙和5號艙模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 1號貨艙模型

圖4 5號貨艙模型

另外，大多數散貨船克令吊桶體與圍屋相連，會使圍屋板厚大幅度加厚，同時桶體插入甲板直至頂墩底板。為了精簡結構，64 000 DWT散貨船嘗試克令吊桶體完全獨立于圍屋，并將克令吊桶體只嵌入>800mm高度，經有限元校核完全滿足強度要求。克令吊桶體有限元模型如圖5所示。

圖5 克令吊桶體有限元模型

5 振動

為減少振動，在設計時應盡量使船體結構強度均衡，機艙尾部甲板下的圍壁和支柱對齊布置。在該船設計時,進行了全船有限元振動計算。計算結果顯示，G型主機的機艙和雷達桅都有較大振動。對此，修改了雷達桅的形式，同時將機艙單邊橫撐改為雙邊橫撐，左邊增加兩主機橫撐，并對其結構作了相應加強。改進后，計算結果顯示在螺旋槳最大工況(MCR)下，機艙、上層建筑和艉部在滿載和壓載工況下的振動響應滿足ISO相關振動標準要求。已投入使用的64 000 DWT散貨船，經測定振動也完全符合ISO振動標準。

6 結語

散貨船是航運中需求量較大的船型，一款好的船型往往被批量制造。結構設計時在滿足強度要求情況下減少一噸船體重量就能增加一噸載貨量，幾百條船就能增加幾百噸載貨量，可為船東獲取到較大的經濟利益。散貨船是比較成熟的船型，很難有大的突破，但在細節設計上應該精益求精。通過對64 000 DWT散貨船結構的簡單介紹，希望能對以后相似船型的設計提供一定的參考作用。

[1]鄒春平，陳端石，華宏星.船舶結構振動特性研究[J].船舶力學， 2003(2)：102-115.

2014-09-22

王艷春(1975-)，女，高級工程師，主要從事船舶結構研究設計；周妍(1982-)，女，工程師，主要從事船舶總體研究設計。

U661.42

A