88000 DWT散货船结构设计优化.pdf

第37卷第2期技术交流中 国 修 船88 000 DWT散货船结构设计优化李涛，蒋明华，郑晨阳，杨伟（中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴214433）摘要：随着船东对载货量要求的提高以及船厂建造成本的不断增加，散货船的设计需不断进行优化升级。文章以88 000 DWT散货船为例，通过合理的结构布置和优化，使船舶在满足规范的前提下重量更轻，同时平衡了结构减重和构件数减少的矛盾，实现船舶建造综合成本的下降。文章所提出的优化思路和方法可给后续散货船设计提供参考。关键词：散货船；结构减重；结构优化；构件数中图分类号：U672文献标志码：Adoi：10.13352/j.issn.1001-8328.2024.02.001Abstract：Due to the increasing demands of owners for cargo capacity and the growing construction cost of shipyards，the design of bulk carrier needs upgrading continuously.Taking the 88 000 DWT bulk carriers as an example，this paper decreases the carrier weight by rational structural arrangement and optimization based on satisfying thespecifications.Meanwhile，it balances the weight reduction and structural number decrease to lower the comprehensive ship building cost.The proposed optimization suggestions can serve as references for subsequent bulk carrier design.Key words：bulk carrier；weight reduction；structural optimization；structural number作者简介：李涛（1984-），男，江苏丰县人，高级工程师，大学本科，主要从事船舶与海洋工程结构设计工作。在航运市场上，干散货运输量约占整个海运运输量的一半，是航运市场不可或缺的组成部分。巴拿马型散货船主要承担煤炭、铁矿石、粮食等大宗散货运输，并不断扩大对铝矿、镍矿、锰矿等小宗散货的运输量，具有最高的货物覆盖面和较高的港口/航线适应能力。凭借着巨大的市场规模、较高的适用性以及较强的变现能力，巴拿马型散货船成为散货船资产中流动性最强的船型之一，因此成为船东包括基金、信托等金融机构青睐的投资船型。随着巴拿马新船闸的开通，能通过巴拿马运河的船宽不再被限制在32.2 m以内。在此基础上，我公司开发了宽体88 000 DWT超巴拿马型散货船。相对于市场上的其它80 000 DWT散货船，该船型具有更大的舱容和载货量、更强的适港性、更低的油耗；在不增加节能装置的前提下可以满足新船能效设计指数三阶段的要求。唐明非等1从静水弯矩、顶墩整体设计、砰击区域结构布置以及舱口角隅等方面对85 000 DWT散货船进行了设计优化。阚甜甜等2从船体梁载荷、型材选用、槽型舱壁以及纵骨疲劳等优化方面对80 000 DWT散货船进行了介绍。冯伟等3从槽型舱壁、内底板、机舱、上建以及双层底区域结构等方面对82 000 DWT散货船进行了设计优化，结构重量相较于母型船有了较大幅度的下降。本文从底边舱折角、槽型舱壁、舱间甲板、构件数优化、艏部舱室优化等方面进行简要介绍。1主要结构优化内容1.1底边舱折角优化关于散货船底边舱斜板和内底板的连接方式，目前的设计大多采用焊接型式，即底边舱斜板和船底纵桁分别与内底板焊接，焊接型式如图 1 所01中 国 修 船2024年4月技术交流示。此方式需考虑结构中线对中，建造过程中会增加一定的工作量。本船底边舱斜板和内底板采用折弯型式，即底边舱斜板和内底板做成一个整体，通过机械方式将其压成圆弧状，船底纵桁焊接在圆弧处，折弯型式如图2所示。折弯型式能够大幅降低应力集中系数，提高折弯处的疲劳寿命4，且不用增加背肘板，节省一定的焊接工作量和结构重量。协调共同规范5（以下简称 HCSR）中明确指出：纵向板不需要考虑结构对中的问题，仅仅对与其相连的横向构件有对中的要求，因此折弯型式建造更为简单。1.2横向槽型舱壁优化散货船由于其装载货物的特性，货舱内横舱壁一般采用垂向槽型型式，这种型式不容易积货，且生产比较方便。槽型舱壁优化过程中需考虑描述性计算6以及有限元计算的要求，如何使槽型舱壁既能满足强度要求又能重量最轻，是散货船设计优化的重要内容。屈曲强度是散货船槽型舱壁优化过程需要解决的问题，面板屈曲是由于受弯受压导致的，而腹板屈曲则是由于剪切弯曲导致的。对于朝向重压载舱的槽型面板，可以适当减小宽度以具有更好的抗屈曲性能3，增加槽型舱壁腹板的长度则可以减少舱壁重量。因此在设计过程中，可在面板屈曲、腹板屈曲和重量上找到一个平衡点，以达到最优的优化效果。重压载舱槽型舱壁型式如图3所示。本船在设计时将除重压载舱的檐板全部取消，槽型舱壁顶部的檐板虽然能给强度带来一定的好处，但同时会造成货物的堆积，带来很大的焊接工作量。因此在设计时，通过大量的细网格计算取消了普通货舱的檐板。对于顶墩和底墩侧板上的加强筋，常规设计一般采用垂向扶强材，上下端加肘板，使结构更强、计算结果更好，但是施工工作量也大幅增加。本船采用横向加强筋布置，虽然增加了设计难度，但是结构更为简单，减少了现场施工的工作量。1.3舱间甲板优化目前市场散货船舱间甲板的主流设计为横骨架式，横梁全部延伸到顶边舱，并在顶边舱内增加相应的加强结构，这种设计的好处是横梁都与顶边舱相连，横向强度更好，但是结构也更加复杂，施工工作量也随着增加。本船舱间甲板采用混合骨架式，使横梁不直接连接到顶边舱上，节省了大量的肘板以及焊接工作量，根据统计数据，每条船减少约10 t的钢材质量。混合骨架式如图4所示。HCSR 对于舱间甲板的描述如下：在开口线内，如果横向舱间甲板采用横骨架式结构，舱口端横梁和甲板横梁应用桁材适当支撑，并从舱口边纵桁向甲板方向外延伸至第二根纵骨5。如不能实现前述的延伸，则应在舱口边纵桁和第二根纵骨间设置间断骨材。可以看出HCSR没有明确限制舱间甲板必须使用横骨架式，目前各大船级社也都接受混合骨架式设计，但是需要满足梁系计算要求，同时在有限元计算时需重点关注这个区域的屈服和屈曲强度。1.4构件数优化传统意义上认为结构优化等同于减轻结构重量，实际上结构优化还包括结构的简化和标准化，图1焊接型式图2折弯型式底边舱斜板肘板内底板纵桁底边舱斜板内底板纵桁图3重压载舱槽型舱壁型式5508701 10095002第37卷第2期技术交流如果只专注于减重，则很容易使优化设计走向极端，比如大幅增加结构件数或不合理、不必要地使用高强钢，这都会带来成本的增加。构件数优化就是在结构设计中减少结构件数量，可以简化结构设计、提升结构的可靠性、方便生产和缩短建造周期。减重和减少构件数又有一定的矛盾，根据目前的HCSR体系，对于各种货船的设计，纵骨间距越小则结构重量越轻；即重量的减轻往往会带来结构件数的增加。而在一个很轻的结构重量基础上，如果想继续优化结构重量，则可能需要大幅缩小纵骨间距，增加大量的结构件数。缩小纵骨间距会带来建造难度的大幅增加和不确定性浪费的增加，不确定性浪费在计算结果上体现为很多零部件的强度能力无法完全发挥，但局部还要继续加强，导致减重的效果越来越差。构件数增加同时会造成成本的增加，影响建造周期，生产周期增加所引起的衍生性浪费，是船厂所有浪费中最大的一部分，所以结构优化一定要关注重量和构件数的平衡。本船在设计中采用了标准化的上层建筑和典型节点，有效节省了设计时间。关于上述“1.3”中提到的舱间甲板的优化，单船减少了约300块肘板。在货舱区强框架布置方面，采用双层底和舭部区域每4个肋位安装1个强框架、顶边舱每5个或6个肋位安装1个强框架的设计，相较普通散货船每3个肋位安装1个强框架的设计，本船在构件数方面大大减少。纵骨布置方面，在总体布置和强框布置合理的前提下，本船采用800840 mm的纵骨间距，可以使纵骨的个数大幅减少，相关的纵骨和强框架相接部分的顶筋相应地减少，补板也成比例地减少，因此纵骨个数减少的好处体现在生产工时的大幅减少。对于纵骨贯穿孔处的补板，每个贯穿孔强度都进行详细计算，通过增加与纵骨相连的加强筋的尺寸来满足贯穿孔的强度，全船减少了大量的补板，从而节省大量的焊接工作量。补板典型布置图如图5所示。1.5艏部舱室优化散货船艏部舱室常规布置从上到下依次是水手长储藏室、空舱、艏尖舱，艏尖舱的大小根据压载水的需求来确定，艏部舱室典型布置图如图6所示。本船在破舱稳性计算满足规范要求的前提下，将艏部空舱和水手长储藏室合并为一个舱，在主甲板上开大孔，使空舱和水手长储藏室连为一个整体，本船艏部舱室布置图如图7所示。根据 HCSR 规定，水手长储藏室可以作为干舱，其单面腐蚀余量为 0.5 mm；而对于不经常进入、只能通过人孔进入的空舱，其单面腐蚀余量为0.7 mm。因此将艏部空舱合并到水手长储藏室后，图4混合骨架式图5补板典型布置图图6艏部舱室典型布置图水手长储藏室空舱艏尖舱KL600800李涛，等：88 000 DWT散货船结构设计优化03中 国 修 船2024年4月技术交流原艏部空舱内的结构件的腐蚀余量可减少0.5 mm，包括主甲板、外板、防撞舱壁、平台板以及纵骨等艏部空间的内部构件，加上主甲板开孔减轻的重量，结构重量下降明显；同时还减少了其他相关专业的透气管等。2结束语本文简要介绍了88 000 DWT散货船的结构优化内容和方法，结论如下。1）本船通过精细化设计优化，相较于市场上同类型散货船，载重量增加约4 000 DWT，而结构重量大幅下降。2）结构设计应该尽量简单化，减小施工难度；结构重量优化和结构件数优化存在一定的矛盾，设计过程中需平衡两者的关系。3）文中提出的优化思路和方法可作为一种优化方法给后续散货船设计参考。参考文献1 唐明非，匡岩，许汀.85 000吨级散货船结构设计及优化J.船舶工程，2020,42(12)：43-47.2 阚甜甜，侯家怡，郦羽，等.基于共同协调规范的散货船结构质量优化设计J.船舶工程，2022，44(增刊1)：231-237.3 冯伟，严卫祥，吴定凡，等.82 000吨级散货船结构设计及优化J.江苏船舶，2022，39(4)：12-14.4 沈亚明，周广喜.散货船压弯型底边舱下折角结构设计J.船海工程，2019，48(3)：20-24.5 IACS.Harmonized Common Structural Rules for BulkCarriersandOil TankersEB/OL.（2022-01-01）2023-03-10.https:/iacs.org.uk/resolutions/common-structural-rules/csr for bulk carriers andoil tankers.6 李平书，吴嘉蒙.散货船槽型舱壁描述性强度优化计算方法J.舰船科学技术，2022，44(4)：20-24.收稿日期：2023-04-12水手长储藏室艏尖舱图7本船艏部舱室布置图激光表面工程技术服务天津修船技术研究所专注于金属材料表面工程的研究，具备完整的激光加工技术体系，可对铁基镍基等金属材料进行激光熔覆、激光合金化、激光淬火等工作。针对大量机械设备长期使用过程中零部件出现磨损、腐蚀等失效情况，可实现低等级材料具备高等级材料的性能，使表面硬度可达到HV600HV720，提升工件耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化性能等，大幅度延长部件的使用寿命（延长至原来的23倍），降低了使用成本。我们可完成如下相关服务:1）修复各种机械部件（轴、齿轮、蜗杆等），同时延长使用寿命；2）强化刀具、刃具等刃口部位，锋利度、耐用度可对标国际水平；3）研发、新制耐磨零部件，实现国产化替代。我们提供产品性能（硬度、耐腐蚀性等）的定制服务，以满足客户个性化需求，欢迎来电来函咨询！地址：天津市滨海新区塘沽新港三号路4号联系方式：白主任：022-25792827/18622062829，邮箱：张主任：022-25792827/13820632720，邮箱：简 讯04