28 000 t多用途船结构设计要点分析
2015-05-03任淑霞关宝新
任淑霞，关宝新
(1.上海船舶研究设计院，上海 201203；2.美国船级社 上海分社，上海200021)
28 000 t多用途船结构设计要点分析
任淑霞，关宝新
(1.上海船舶研究设计院，上海 201203；2.美国船级社 上海分社，上海200021)
介绍28 000 t多用途船的船舶概况和总体布置特征以及该船主要的结构设计特点，总结该船的结构设计优点和不足，提出多用途船设计需要特别关注的问题。
多用途船；总体布置；结构设计；结构形式
28 000 t多用途船是上海船舶研究设计院为中远航运股份有限公司设计，由上海船厂船舶有限公司建造的一型多用途船。该船于2010年11月初开始详细设计，2012年12月底所有图纸退审意见处理完毕。
该船的详细设计阶段较长，主要原因在于：一方面由于多用途船装载的货物种类多，装载方式灵活，船体结构形式复杂；另一方面，该船的布置和货舱结构形式，都有别于以往的多用途船，在设计工作中进行了一些创新和探索[1-2]。
1 船舶概述
28 000 t多用途船是一艘可装载集装箱的干货船。货舱内主要装载散装货物、包装货物、钢卷筒及重型、大型货物；集装箱装在主甲板以上。
该船主尺度如下。
结构船长 168.426 m;
垂线间长 170.00 m;
型宽 28.00 m;
型深 14.80 m;
结构吃水 10.50 m;
服务航速 16 kn;
该船入中国船级社(CCS)。
该船的总体布置见图 1，其特点如下。
1)该船沿船长方向分为艉尖舱、艉部机舱、3个货舱、艏部设备舱和艏尖舱，上层建筑包括驾驶室，位于艏部设备舱上方。
2)由于该船的船级符号中包含“General dry Cargo Ship with Container arrangement”，根据IMO MSC.277(85)的要求，要满足“偶尔装散货的散货船”的相关规定，因此该船舷侧双壳部分需要满足检验通道要求，内壳纵骨和外板纵骨之间的净距离不能小于800 mm，在平行中体0.4L区域之外可以减小，但不可小于600 mm。
3)为满足船东装载重型、大型货物的需要，加大了第二货舱长度，该船第二货舱舱长为54 m。
4)为装货需要，该船左舷共设有3台克令吊：货舱区设有2台起重能力为350 t的重吊，另有1台起重能力为100 t的吊设在机舱前端壁处。考虑装载重型、大型货物需要，2台重吊还可以联吊700 t的重货。
5)该船舱盖顶与两舷、艉部的顶甲板齐平，组成全长150 m平坦无障碍的露天甲板载货区域，适合装载大型甲板货。
6)设有1台800 kW的艏侧推。
2 结构设计特点
该船为全焊接结构。内底负荷为20 t/m2；要考虑20 t的抓斗负荷；货舱内钢卷筒的装载要求为steel coil 45 t (length～2.3 m, diameter～2 m) one tier / 3 dunnages per coil。
该船为双底双壳结构，典型横剖面图见图2。
主要结构设计特点如下。
1)货舱舱长较长，属于大开口船舶，要满足CCS《钢质海船入级规范》(以下简称规范)第2篇第7章集装箱船部分的大开口扭转强度计算要求[3]。
2)有冰区加强，要满足《规范》 B级冰区的要求。
图1 总布置示意
图2 典型横剖面示意
3)船底和舷侧强框架形式采用“二四式”结构，即舷侧第一层平台(距基线 5 150 mm)下及双层底部分采用2个肋骨间距设置一个强框，该平台之上的舷侧部分采用4个肋骨间距设置一个强框。
4)为了有效防止船体扭转强度引起的舱口角隅处的疲劳问题，主甲板舱口角隅处都采用了负角隅结构。
5)由于第三货舱的舱口盖全部滑移至第三货舱尾部存放，致使顶升舱口盖的液压油缸冲程较长，所以油缸需要沉到主甲板以下约200 mm处放置(见图 3)。由于这里处于机舱部分，左舷油缸所处位置下方是机舱集控室顶部隔层，右侧油缸所处位置下方是燃油舱顶部隔离空舱，所以油缸的加强设计非常复杂、施工也有一定的难度。
6)货舱内主要装散货和包装货，不装集装箱，考虑舱容最大化、安装二甲板和控制二甲板数量的要求，货舱区的内壳既有散货船“折角斜板式”的，也有集装箱船“台阶式”的，结构形式非常复杂，见图4。
图3 第三货舱尾部的下沉式油缸布置
图4 典型的货舱内壳形式
7)两台350 t的重吊，一号重吊位于第一货舱和第二货舱之间的舱壁、二号重吊位于第二货舱和第三货舱的舱壁处。由于受力大，这两台重吊基座下的加强需要特别关注。这里的加强都做了有限元分析，计算模型见图5和图6。
图5 一号重吊基座下加强有限元计算模型
图6 二号重吊基座下加强有限元计算模型
根据有限元计算结果，水密横舱壁处的舷侧肋板上端受力最大，板厚最厚的地方需要65 mm，需用EH36高强度钢，见图7。
图7 重吊基座下舷侧肋板板厚分布
由图7可见，舷侧肋板靠近主甲板处应力最大、板厚最厚，所以穿过此处的电缆和管系开孔的大小和数量应尽量控制，开孔的位置也需要特别注意，尽量让管系电缆开孔靠下方。在该船设计中，基于有限元计算，对吊基座下舷侧肋板的电缆、管系开孔的布置进行了一些调整，见图8。
图8 重吊基座下舷侧肋板电缆、管系开孔布置修改示意
3 主要的设计优点
1)该船上层建筑设在艏部，此布置基于3个考虑：①改善装货工况下的前方驾驶视线，使视线清晰，不受高大货物阻挡，减少对货物外形尺寸的限制；②该船是艉机型，机舱布置在船舶艉部，而上建布置在艏部有利于降低生活区的振动和噪声，提高船员舒适性；③上建设在艏部，货舱至最艉端都可以用来装货，装货空间较大。
2)对于边舱宽度的设计，创新设置了不同宽度的左右边舱。考虑3台吊都设置在左舷，左舷不仅要满足吊筒体的布置要求，而且要满足通道要求，故左舷边舱宽度进行了适当加宽。经过多方案比较，最终确定边舱宽度：左舷为2 700 mm，右舷为2 100 mm。
3)由于多用途船装载货物种类较多，且有些货物对内壁光滑度要求较高，如卷纸等，故该船的内壳与舱口围侧板是连续的，每个台阶拐角也特意做了圆角处理，见图 9。
图9 平台台阶拐角处理
4)箱柱的顶板根据船东的装货要求，在为舱口盖预留变形空间的基础上，尽可能接近舱口盖边缘，让装货更便利。
5)设计中也考虑了一些防海盗措施，以提高船舶安全性。与结构设计相关的措施主要有：货舱主甲板上的舷侧栏杆用舷墙代替，舷墙板的厚度取12 mm，用来抵挡流弹，保护船员人身安全；所有上建前壁上的窗户安装了防海盗窗，窗户的安装外框加大，窗户开孔与相邻扶强材有一定的距离要求，此处扶强材设置必须密切配合厂商窗户资料。
当然除了以上的优点，该船也有不足之处，由于内壳形式主要是从控制二甲板数量来考虑的，台阶式的内壳形式在细节处存在少量的积货问题；另外本船窄边舱上方主通道宽度也略显紧张。
4 结论
多用途船货品多样，装货灵便，深受欢迎，但也正是由于货品多样，导致货舱区结构形式复杂，再加上牵涉到局部加强的设备和舾装件较多，这类船型的设计周期和建造周期都较长。
总结该船设根据计中的经验与教训，建议多用途船设计中需要特别关注：如何合理布置船底和舷侧强框；在众多装载工况中如何有效地选择合理的工况考核纵向构件的强度；如何在控制结构重量的同时合理设计舱口围；如何有效且方便施工地对货舱区舾装件进行加强；如何更加高效地进行各专业间配合，缩短设计周期，等。
[1] 王佳颖，牛 俊，杨仁记.散货船结构优化设计[J].船海工程，2014，43(6)：60-64.
[2] 张卫锋.大开口散货船运木功能设计要点分析[J].船海工程，2014，43(4)：25-28.
[3] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2012.
On the Key Points of Structural Design of 28 000 DWT General Cargo Ship
REN Shu-xia, GUAN Bao-xin
(1 Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China;2 American Bureau of Shipping (China) Ltd., Shanghai 200021, China)
The basic data and general arrangement of the 28 000 DWT general cargo ship is introduced. The features of structural design of this ship are discussed and the virtue and shortcomings are summarized. According to the design experience, some suggestions needed to be paid attention in the structural design of the general cargo ship are given.
general cargo ship; general arrangement; structural design; structural style
10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.003
2014-09-26
任淑霞(1979-)，女，硕士，高级工程师
U663
A
1671-7953(2015)01-0011-04
修回日期：2014-10-11
研究方向:船舶结构设计
E-mail:sunnyren1314@hotmail.com
