19100 DWT多用途船结构设计概述

刘红平

（上海交通大学，上海 200030）

0 前言

19100 DWT多用途船是由德国船东BELUGA委托上海船舶研究设计院研究开发的大开口、超长货舱、具有重型起吊能力的新一代多用途货船，由武汉青山船厂负责建造。本文从结构设计的角度介绍该型多用途船的研究开发设计的过程，希望能对今后多用途船型的结构设计有所帮助。

1 船型情况

主尺度及基本参数：

该船的总布置图，见图1。

19100 DWT多用途船载货种类丰富，可以载运矿砂、煤、谷物、矾土、盐和水泥等散装货物，也可装集装箱、钢卷、木材以及特殊规格大件如平台设备等重型货物。该船配置3台克令吊，其中位于第二舱左舷的2台克令吊起重能力达400 t，联合使用，具备起重800 t货物的能力。

图1 总布置图

该船为两货舱配置。第二货舱超长，达86.1 m，占到船长的55.4%，开口达18 m，占了型宽的78.6%，属于典型的大开口船舶。舱内二甲板布置高度位置较多，第一货舱设置两个高度位置，第二货舱设置四个高度位置。

第二货舱的两侧边舱采用的是左大右小的不对称设计。而在第一货舱后端两侧则各布置了一个重吊索具舱，用于存放钢丝绳等。

2 可行性研究

基于以上船型情况，结构设计是该船设计的重点，也是难点。为此，在该船的研究开发阶段，我们就着手对该船的方案可行性进行了论证。研究点就是纵向舱口围在横向的变形问题，须分港内工况与航行工况分别加以研究。港内工况须保证舱口围板的横向变形在舱盖容许的范围之内，以确保舱盖能无障碍打开；航行工况，研究的是舱口围的变形问题，需考虑因船体变形传递给舱盖的载荷是否能够为舱盖所接受，是否能保证舱盖的风雨密性，以及当变形值过大时，PONTOON型舱盖与限位器的合理设计，以承担船体载荷，进而控制船体的变形。这也是此类型多用途船的共同特点。

可行性研究以初步中横剖面为基础，建立第二货舱的有限元模型，见图2。克令吊基座的加强及舱盖制动块的肘板加强也在模型中进行了模拟，以较准确地反映船体的横向刚度。

图2 可行性分析有限元模型

可行性研究分析了15种工况：港内3种工况，重吊操作4种工况，横倾情况舱盖最大横向加速度8种工况。

计算表明，该船初始设计的横向强度较弱，舱口围变形过大，需要改善结构型式。方法可以是提高双层底的高度或者是增加边舱的宽度。该船由于集装箱的布置需求，边舱没有加宽的可能性，我们将双层底高度由最初的1600 mm提高到了2000 mm来减小变形。

3 结构布置

结构布置是综合船型特点、载货条件、船级符号等条件来确定的。多用途船一般均有“重货加强”船级、内底设计负荷较大并且装载重型钢卷筒的特点，故其强框架布置一般为：船底肋板2档一设，舷侧横隔板4档一设。典型中横剖面图，见图3和图4。

图3 中横剖面图（1）

图4 中横剖面图（2）

该船的货舱区是按照集装箱的排列规则定制的箱型结构，但第一货舱是正常的左右舷对称布置，而第二货舱是左右不对称的，这给布置结构带来了一定的困扰。由不对称到对称的结构型式过渡区域出现在两个位置：第一货舱与第二货舱之间的双层板舱壁区域；第二货舱的后端邻接机舱的位置区域。这也使得横舱壁结构骨架只能斜向布置，增加了设计与施工的难度。

双层底纵桁的布置由集装箱位置确定，按照标准20 ft集装箱的宽度确定纵桁的位置，纵桁之间再划分为四个板格，安放三根纵骨。管弄处肋板设置根据进坞计算的结果，需每档设置。舭部根据线型特点设计为横骨架结构型式，以便于施工，但总纵强度要求的屈曲条件在舭部较难满足，需设置较多的纵向防屈曲筋。

该船的冰级为E3级，就是相当于瑞典芬兰冰级的IA级，冰级相当高。船体外板结构采用横骨架型式较为经济。舷侧肋骨由设置在边舱内的平台支撑，平台的高度根据二甲板支撑盒的位置来设置。一般的做法是平台或甲板与支撑盒顶面对齐，这也是德国船级社（GL）推荐的做法，但这对船厂的施工工艺要求很高，这是因为现场安装时，由于平台不可避免存在变形问题，与支撑盒顶面保持水平连接比较困难。故我们更愿意平台设置在支撑盒水平受力位置，不但传递载荷直接，也能使船厂安装简便，见图5。

图5 平台与二甲板支撑盒的连接节点

纵舱壁采用横骨架型式，纵舱壁上除了安装二甲板支撑以外，还将安装绑扎眼环、集装箱绑扎所用的拉压元件、货舱灯箱。结构专业必须协助舾装、电气等专业找到合适的地方布置这些必备的元件和装置，并且能够提供合理的加强。这些均需在设计的早期进行，方能从总体上把握。根据GL船级社的要求，作用于舷侧的钢卷筒载荷为横向钢卷筒总重量的0.5倍。该载荷相当大，故在舱壁下方、对应钢卷筒中心位置，常常设置加强纵桁材以抵抗钢卷筒引起的水平载荷。

舱口围板的设计要综合考虑以下的因素：

（1）舱口围板参与总纵强度，是贡献船体梁模数的主力军，其厚度将超过主甲板厚度，以承受较大的总纵应力；

（2）舱口围顶部面板的宽度需根据舱盖公司的设计需要确定，左右舷分别考虑；

（3）支撑舱口围板的肘板应两档间隔设置，这是GL规范对带船级符号G的船舶的要求；

（4）由于船舶的运动，舱盖载荷将在舱口围顶板的支撑块上产生很大的横向载荷，在支撑肘板上引起较大的横向弯矩，必须通过局部计算加以验证；

（5）舱盖的横向制动器现在一般采用的是咬住舱口围板的设计。由于在左舷布置有STOPPERS，故左舷的舱口围最上一列板的厚度以及伸出舱口围顶板的高度应满足STOPPER加强的需求，见图6。

图6 Fy STOPPER与舱口围连接节点

（6）限位器是本型船必须具有的，其位置及受力情况需根据全船有限元的计算结果加以确定。考虑到限位器受力很大，局部采用箱型结构，以支撑限位器，见图7。

图7 右舷限位器位置处舱口围设计节点

（7）舱口围与克令吊基座之间的间距较小，将舱口围顶板与克令吊基座连接形成一个整体是GL推荐的做法，也是常用的方法，能提高舱口围板的局部抗弯能力，见图8。

图8 克令吊基座与舱口围顶板整体设计

由于该船属于长货舱、大开口类型，船体刚度天生较弱，故须保证足够数量的纵向构件并有足够的纵向延伸，以承担船体梁的扭矩和弯矩。纵观该船的总体舱室布置，纵向延续性不够，为此不得不在机舱的舱室中间设置纵舱壁，这是今后布置需要注意的问题。

4 强度计算

4.1 总纵强度

以GL的规范计算软件Poseidon程序进行总纵强度的校核，是比较方便的。设计弯矩与设计剪力的包络线根据初步装载手册获得，见图9。

图9 静水弯矩与静水剪力包络线

设计静水弯矩还是有较多富裕量的，使装货的灵活性不受限制。

4.2 局部强度

局部强度计算涉及钢卷筒加强，进坞，外板顶推加强，冰区加强，二甲板支撑加强，拉压元件加强，绑扎眼环加强，舱盖制动块加强，舱口围顶板上垫块加强，箱柱加强，锚系泊加强，舱盖顶升油缸加强，端铰链加强，克令吊加强等等，不一而足。

计算方法有规范公式，梁系直接计算，局部有限元计算，见图10。载荷有规范载荷，设计载荷或者由厂商提供。模型范围延伸到加强构件以外，尽量减小边界条件影响，有条件的可以多试算几次，以取得较好的结构设计型式。

图10 局部有限元计算

4.3 全船有限元

由于该船的特殊性，除了舱段分析和局部有限元计算以外，全船有限元技术也首次被采用。通过全船有限元计算，验证船体的横向强度，计算舱口围顶板的变形量以确定右舷限位器的容许变形量，确定克令吊基座的加强，检查双层底结构的强度，以及根据疲劳强度要求确定舱口角隅的型式及加厚板的尺度。全船模型见图11。

图11 全船有限元模型

舱口角隅根据计算结果，必须全部设计成负角隅型式，如图12所示，并且在每一层平台位置处均需设置。

图12 舱口角隅型式

5 结语

通过该船的设计，我们获得了宝贵的设计经验，总体上有了更好的把握。总结几条，希望对今后的设计有所帮助：

1）大开口多用途重吊船属于布置地位型与载重型的综合型船舶。要在总体布置上下功夫，既要保证足够的货舱容积、载重量，也要充分考虑各功能空间的合理布局，设计要紧凑，各设备只需必须的最小操作空间，有最小的通道即可等等。

2）要重视结构设计，在设计初期应重点加以关注。要从大局上把握小细节，合理布置结构型式。如上甲板纵骨的布置要考虑箱柱加强，舱口围板加强；纵舱壁布置要考虑拉压元件，二甲板支撑，货舱灯箱的安装；横舱壁设计要注意舱盖端铰链加强，货舱通风，货舱梯，主甲板通道等。

3）必要的局部有限元计算。在设计的早期，对承载较大的构件进行必要的强度计算，以确定结构加强型式。如克令吊基础加强，就必须在设计早期根据初步布置图、克令吊载荷进行有限元计算，以确定结构型式以及加强构件的范围，以便为更进一步优化布置提供帮助。

4）纵向舱口围横向变形的控制。这也是最重要的一条，直接影响舱盖的设计，以及方案的可行性。在设计初期，要做方案可行性研究，通过初步有限元计算分析，把港内工况下的舱口围横向变形控制在舱盖容许值之内，进而确定货舱型式。

［1］焦宇清.12000 t多用途散货船开发设计［J］.船舶设计通讯，2005，（1）.