64 000 DWT散貨船結構輕量化設計和建造

劉在良，夏小浩，邵漢東

(1. 浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021；2. 揚帆集團股份有限公司，浙江 舟山 316100)

0 引 言

散貨船是世界航運界運輸中的主力船型之一，由于其尺度港口適應性強，裝卸方便靈活，對港口條件要求低，能適裝多種大眾必須生活和生產物資，如煤、谷物、大米、水泥等。散貨船以其他交通工具無法比擬的優越性、良好經濟性在航運界廣受青睞。

結構輕量化是散貨船的重要技術指標，許多學者圍繞散貨船結構輕量化，展開了一些有益的探索與研究，劉晗[1]通過建立全船有限元，對一條散貨船進行全船有限元靜力分析，達到優化結構目的；賈濤寧[2]通過研究指出1艘45 000 DWT散貨船空船重量降低44.5 t，EEDI指數減小4.11%；欽倫洋[3]在研究國內外拓撲優化方法基礎上，利用Ansys軟件對船舶艙壁結構進行輕量化研究。

本文結構輕量設計和建造是基于64 000 DWT散貨船實例，在滿足CSR規范前提下，通過總布置合理規劃，結構合理布局，有限元直接計算替代規范法，制造中控制重量等方法方式，來達到控制和減輕船體重量。

1 船舶概況

本船為SDARI設計，揚帆集團批量建造的HANDYMAX超靈便最大型單殼，滿足BC-A共同規范的散貨船。主尺度如表1所示。

本船為單機、單槳、單甲板、球首、帶首尾樓、尾機型船舶。全船設置5個貨艙、5對液壓折疊式的鋼質風雨密艙蓋；設置4臺全回轉35×30 m克令吊，燃油艙位于No.4、No.5貨艙的頂邊艙內，與邊殼和壓載水艙隔離；底凳與雙底相連作為壓載艙使用；適裝大眾貨物，并可裝載2層25 t鋼卷、Grab（20 t）、裝載部分B類危險品等貨物；No.3貨艙兼做風暴壓載水艙，預留壓載水處理裝置位置；在環保方面設置燃油艙保護、SOx、NOx、壓載水、生活污水等排放物符合IMO最新規范。本船線型經過CFD優化，具有較低的油耗。船型如圖1所示。

表 1 主尺度Tab. 1 Principal particulars

圖 1 64 000 DWT散貨船概況Fig. 1 General of 64 000 DWT buck carrier

2 結構輕量化設計

本船橫剖面布置結構為精典的單殼散貨船，貨艙設置底邊艙、頂邊艙及雙層底作為壓載水艙；開口邊線外設底邊艙、頂邊艙；強力甲板、船底采用縱骨架式結構，舷側采用橫骨架式結構，典型橫剖面見圖2。

圖 2 典型橫剖面圖Fig. 2 Typical mid section plan

2.1 優化總體布置，降低最大總縱彎矩和剪力，減小構件尺寸

總體布置時，為提高載貨容積，盡可能壓縮首部和機艙長度，增大貨艙長度。雖然提高載貨容積，但是要避免重力與浮力不平衡的顯著變化。為此分艙時，要對各裝載工況的彎矩和剪力進行分析和比對；通過反復調整分艙長度、壓載系統的布置，并充分考慮IACS UR S11，S17對貨艙進水的強度要求，來降低船體梁總縱彎矩[4]；另外No.3壓載艙作為風暴艙，盡可能減小艙容，其容積占比其他貨艙的90%為宜，有利于UR S17要求的單個貨艙進水工況，船體梁總縱彎矩的降低。圖3為本船在完整工況、進水工況和港口工況時船體梁總縱許用彎矩包絡線圖，根據各裝載工況計算結果及經驗余量考慮，本船在進水狀態下所受總縱彎曲應力最大，中拱3 162 000 kN·m，中垂–2 982 000 kN·m。

圖 3 總縱許用彎矩包絡線Fig. 3 Permissible values of SWBM

通過改變吃水也可以來降低總縱彎矩，本船規范要求的干舷為5 222 mm，本船實際為5 228 mm，只有6 mm的富裕干舷余量，本船已做到極至，其他船舶可以用來參考。

總縱彎曲應力和剪切應力校核時，常用的設計方法，取船體梁0.4~0.5 L處最大彎矩和最大剪力值用來校核各橫剖面的剖面模數，這樣的校核結果，往往導致非最大彎矩和剪力剖面構件出現過大的冗余量，結構構件尺寸變大。本船設計中，根據每一剖面處相應的彎矩和剪力值作為設計載荷值進行模數校核，得出的各剖面構件尺寸抵抗“真實”載荷，結構尺寸冗余量減少。設計理念更加科學，更加尊重事實。

2.2 合理布局結構，簡化結構，減輕結構重量

本船的頂邊艙布置每6檔肋位設計一個強框架，底邊艙每3個肋位布置一個強框，為減少強框數量，通過合理配置，貨艙槽形壁布置在上下邊艙都是強框架處，按每個強框1.5 t計算，減輕9 t結構重量。

No.3貨艙作為風暴壓載艙，位置處于船中附近，在相同工況下，其所受載荷遠遠大于其他貨艙，為減小底部和甲板縱向構件計算跨距，底凳朝向布置都朝向No.3貨艙，可以縮短計算跨距2.46 m，減小了構件尺寸[5]。

通常機艙區域采用橫骨架式結構，本船方形系數較大0.89，考慮到機艙舷側線型變化較緩，也不會加大施工構件成形加工量，在機艙舷側由橫骨架式改為縱骨架式結構形式，以簡化結構，減輕重量。

本船的克令吊采用筒體獨體安裝設計，區別于通用的桅屋與筒體一體設計方式，筒體根部插入雙層艙壁800 mm，有限元屈服強度校核分析滿足規范要求；根據目前在航船舶應用結果，運行正常。這種獨體設計，避免了桅屋受到筒體擠壓作用力，使桅屋構件局部加厚，構件加大。本船克令吊筒體插入船體800 mm強度足夠，而常規設計看到，筒體需要插入到平臺處至少2 m，結構強化很多，所以這種克令吊筒體獨體與桅屋一體設計，有待思考空間。

2.3 有限元直接計算替代規范計算，減少結構尺寸冗余

根據CSR規范，本船屬于常規船型，有限元強度計算并不需要做常規意義上的全船有限元強度分析，即加載水動力載荷計算全船強度，所以強度計算仍然采用常規的三艙段分析，取一個完整的貨艙及其前后2個半艙的長度即(1/2+1+1/2)作為分析對象，著重分析評估其整個貨艙在CSR各工況作用下，根據規范要求衡準值，校核縱向和橫向構件屈服及屈曲強度，考察各工況作用下構件的變形情況，其他貨艙段不需要再建模評估分析，其構件的尺寸大小根據上述三艙段分析結果進行相應覆蓋。

雖然規范要求的評估方法節約了時間、減少了工作量，由于船舶在不同的位置所受到外界載荷不一致，不同位置處的結構構件本身也存在個別差異。因此從結構優化、船體輕量化角度和對本船強度的把控能力來講，還是欠缺，因此，對每一個貨艙都需要單獨做三艙段強度評估與分析，中部平行中體3個貨艙，采用3個完整貨艙的長度來建模型，在Patran中可以大量復制和拷貝，建模工作量較小，計算模型見圖4。

對No.1，No.5貨艙，仍采用1/2+1+1/2的貨艙長度來建模型，尾至機艙長度1/2處，首至首尖艙1/2長度。由于首尾線型變化較大，構件變化較多，建模相對工作量較大，但是這樣可以有效地減小邊界效應對被評估最首No.1貨艙和最尾No.5貨艙的不利影響[6]。如圖5為No.1，No.5貨艙計算模型。其邊界定義，載荷定義與工況選擇與上述艙室一致，符合CSR規范。

根據有限元計算結果，不斷優化結構，重復計算，得出圖6~圖8示例的有限元分析結果云圖。顯然，優化以后的結構，船體梁很多主要構件所受到彎曲應力、剪切應力及屈曲因子接近于規范要求許用應力值；

圖6為No.4貨艙外板和底邊桁材的有限元板厚顯示云圖，受局部強度影響，板厚種類很多，板厚布置呈“豆腐塊”分布。

圖 4 No.2，No.3，No.4貨艙計算模型Fig. 4 FEM model for No.2/No.3/No.4 cargo hold

圖 5 No.1，No.5貨艙計算模型Fig. 5 FEM model for No.1/No.5 cargo hold

圖 6 No.4貨艙外板和底部桁材有限元板厚云圖Fig. 6 Von-mises stress of the shell of C/H and side girder of double bottom

圖7為No.3貨艙外板和橫向構件的材料屬性云圖，為減薄板厚，減輕重量，提高了貨艙區材料的屈服點，大面積采用高強度鋼，貨艙區域高強度鋼占比達到90%，船體梁剛性達到極限。

圖8為No.2貨艙外板有限元屈曲因子云圖和船底外板展圖，外板屈曲因子達到規范臨界值1，從外板展開圖看到，船級社不得不額外增加屈曲筋。為降低板厚，減少重量，在主甲板也增加很多屈曲筋。

圖 7 No. 3貨艙外板和橫向構件有限元材料屬性云圖Fig. 7 Von-mises stress of the shell and transverse construction for No.3 C/H

圖 8 外板有限元屈曲因子云圖和船底外板展開圖Fig. 8 Buckling result of the shell and shell expansion in No.2 C/H

由此可見，有限元強度直接計算對降低板材厚度，減小構件尺寸，降低船體重量可以精確準確。而傳統的規范法采用大量的力學簡化和經驗進行計算，很難直觀、準確地校核結構強度[7]，一般選用的構件尺寸通常比較保守。

本船的設計是基于原SDARI 57 000 DWT散貨船基礎上完成，表2是兩船鋼料及載重量比較。

表 2 Dolphin 64與Dolphin57 K對比表Tab. 2 Comparison table for Dolphin 64 and Dolphin57 K

從表2看到，載重量提高了6 800 t，空船重量只增加312 t，輕量化設計對船舶載重量提高顯著。

3 通過合理制造工藝，減少多余的輔助結構重量

通常焊材占船體重量1%~2%，雖然占比較小。由于焊接工作量、參于人數雜、技術水平參差不齊、焊腳高度得不到控制，導致焊接焊材重量難以控制。為控制焊材重量，減少人為不確定因素，建造中采取機器代人，各制造工位盡可能提高自動焊半自動焊范圍，大合攏階段大合攏平直段也采用垂直替換手工焊。

針對本船優化后的板厚比較零星，通過優化分段劃分和裝配作業順序，優化套料手段，以避免厚板替代薄板現象。

優化全船操作小平臺，小設備基座，避免小基座小平臺大構件。

對輔助制造作業用的吊碼，輔助作業通道用鋼，一律清根割除。

通過船舶建造中控制，揚帆所建造的64 000 DWT比其他船廠建造空船重量輕300 t。

4 結 語

本文所提輕量化船體結構設計方法與建造控制手段，具有現實的可操作性，雖然其設計、計算、制造中比平常所花時間更多、更嚴謹，但是實實在在能減輕空船重量，提高載貨量，提升了船舶設計水平。對載貨型船舶，空船重量指標控制較嚴格的船舶具有較高的參考價值。

將來隨著信息技術的不斷發展，基于有限元數字化計算技術的不斷深入，開展結構輕量化數值仿真將是趨勢，計算結果和仿真手段方法將更加準確，簡單方便，將為智能船舶船體結構專家系統提供堅實基礎。