81 600 DWT散货船结构设计特点

李　博韩　斌

（1.上海交通大学，上海200030；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

船舶结构

81 600 DWT散货船结构设计特点

李博1韩斌2

（1.上海交通大学，上海200030；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

81 600 DWT散货船是在82 000 DWT散货船基础上开发的新一代卡姆萨船型。通过梁系计算、有限元等手段并结合造船实践经验，对原结构形式进行了分析计算，优化设计，使得结构更安全，更经济，更优化，重量更轻。确保在激烈的市场竞争中，保持领先地位。

散货船；梁系计算；有限元分析

0　前言

随着全球经济的复苏和船东对运力需求的增长，世界航运市场呈现了上升的趋势，其中散货船市场在逐步回暖。新规范、绿色造船理念和激烈的市场竞争对船舶设计提出了更高的要求。在这种情形下，船院推出了节能环保型81 600 DWT散货船。该船在前两代的基础上，主要针对线型、主机、螺旋桨、总体布置和节能装置等各方面进行大量的研究优化，仅油耗就由原来的32.1 t/d降低到26.8 t/d。相应地，该船总体性能的提高也对结构的设计提出了更高的要求。船体结构通过梁系计算和有限元分析等方法，对货舱关键部位进行优化，对部分设备加强和典型结构节点进行改进，精确的控制空船重量，为总体设计目标的实现提供保障。

1　结构设计

1.1主尺度

该船的设计依托船型是船院设计的82 000 DWT散货船，新船型满足国际造船新规范、新标准，如散货船结构共同规范（CSR）、压载水管理公约（BMW）、涂层新标准 （PSPC）、新船能效设计指数（EEDI）等。货舱可装谷物、煤、铁矿石等散货，航行于国际无限航区。

该船的主尺度和参数如下：

1.2结构布置优化

1）分舱优化。分舱对于结构设计很重要，优化必须先从货舱布置入手。货舱的舱容分布，对于全船的静水弯矩和剪力有直接的影响。根据对各装载工况下弯矩和剪力的分布的分析，通过调整舱长和压载水总量，降低最大弯矩值，从而达到减少舯横剖面剖面模数的目的。该船共有7个货舱，其中第4货舱兼做压载水舱。由于船长较长，该船的弯矩和剪力值都较大。经过对比各个装载工况的弯矩和剪力，发现第4货舱的长度对于最大弯矩的影响最敏感。减小第4货舱长度，使其舱容约为其他货舱的90%，弯矩和剪力均得到了降低。理想的弯矩值和剪力使得原货舱结构设计有所富裕，因此将货舱区上甲板厚度减少1 mm，部分外板厚度也略有减少，累计减轻重量33 t。

2）尾部结构优化。原母型船的尾部线型比较肥大，导致船舶在航行中阻力过大、尾流不均匀、风浪中失速过大等问题。为了使该船更绿色环保、经济性最优，总体优化了尾部的线型。水线面以下的线型比较瘦，水线面以上甲板外飘类似于集装箱船。线型的优化减小了阻力，提高了航速，但线型的剧烈变化给机舱结构布置带来了困难。首先该船采用的是六缸机，设备尺寸大于母型船的五缸机；其次在相对狭小的空间内既要满足轮机专业功能性的设备布置，又要符合规范对逃生通道及设备检修的要求；最后机舱区域线型变化复杂，结构“死角”区域增多，加大了船厂的施工难度。经综合考虑，机舱结构最后采用纵、横骨架相结合的形式，因为纵骨架式的施工难度很大，底部区域采用横骨架式结构，既增加了结构牢固性，也方便了船厂的分段制造。虽然横骨架式会偏重一些，但通过外板纵桁的设置来减小肋骨的跨距从而降低腹板高度，也能减小重量方面的不利影响。另外经过局部强度计算，部分肋位的横向骨材用球扁钢代替了原来的T型材，减轻重量约10 t。

3）首部设计优化。首部采用垂直首，也就是短球鼻的型式，减少了球鼻区域的重量。但是由于球鼻的减小，首部锚的布置难度提高，为了保证抛锚的安全性，锚台尺寸增大，外板上相应的结构加强区域也要增大。由于整个首部比母型船肥大，首部采用了纵骨架式来降低结构重量，纵骨架式还可以使舯部的外板纵骨在首部得充分的延伸，形式更安全、更合理，减少了外板纵向结构的突变，在一定程度上有利于船的总强度。

2　屈服与屈曲应力分析

根据CSR规范要求，散货船货舱段要求采用有限元整体分析，用于评估结构主要支撑构件的强度。

根据各个装载工况的结果比较，船底外板（重货舱为多港工况决定，轻货舱为隔舱装载决定）由于中拱状态的影响，受到很大的压力，屈服强度问题不大，但货舱中部大部分板格失稳，采用换钢材等级、增加板厚或者增设横向屈曲筋来提高船底外板板格的稳性，见图1。由于屈曲强度的影响，船底外板的厚度由货舱中部向前后两端呈现递减的趋势。

图1　船底外板

双层底纵桁在靠近舱壁的位置由于剪切应力过大，屈服和屈曲都无法满足要求。屈服强度位于舱壁附近问题较为恶劣，主导工况重压载舱为重压载工况，轻货舱和重货舱为隔舱装载工况，通常屈服强度能通过增加板厚或提高钢级来解决，但由于舱壁附近剪切应力非常大，仅提高局部板厚无法有效的解决此问题。我们在横舱壁底墩下方增加短纵桁，通过增大垂向的剪切面积，来减少此处板厚的增量。屈曲强度重货舱和轻货舱都在最靠近舷侧的纵桁上有问题，主导工况重货舱为多港装载，轻货舱为隔舱装。由于此处的纵桁除了货物载荷以外还要承受底边舱斜板传递的载荷，故导致纵桁在货舱中部位置的部分板格失稳，需要增加板厚来满足屈曲要求，见图2。

图2　双层底纵桁

双层底肋板在满载装重货的情况下，由于货物载荷与海水载荷的共同作用，双层底肋板靠近两侧端部的剪力水平最高。货舱中部的双层底实肋板受到较大的剪力，屈服强度不满足要求，板厚变化趋势为由舷侧向船中逐步减少，见图3。另外双层底实肋板在类似的工况下，靠近舷侧的板格也是由于剪力原因造成屈曲强度不够，需要适当增加板厚。

图3　双层底实肋板

3　舱口围加强

原船运营期间，发现舱口围区域部分肘板扭曲变形，主甲板与骨材之间脱焊，支撑板端部开裂等问题。散货船的舱口较小，且舱口围模数不参于总强度计算，故总弯矩对舱口围结构的影响应该不是主导因素。局部结构的破坏更有可能是应力集中和焊接质量差造成的。

针对此问题，建立了有限元模型对舱口围结构进行评估。舱口盖载荷通过X、Y方向的止动块和Z向的垫块传递给舱口围结构。该船FZ为995 kN，FX和FY都在1 200 kN左右。有限元模型和结构变形量参见图4。

图4　舱口围模型

经过计算发现，载荷FX和FZ造成的弯矩是导致主甲板局部变形的主要因素，FZ还造成舱口围顶板应力过高。经过分析研究，设备厂家止动块和垫块设计载荷过高，是问题的主要原因。显然厂家的载荷无法减少，但止动块的设计位置并没有放在结构强构件上，使得作用力无法得到有效的支撑。通过与厂家协调，要厂家把Y方向止动块挪到横向舱口围强结构上，这让Y向力得到了更好的传递，又省去了额外的加强，仅加强结构节省了20 t。

4　船首底部砰击

船舶在航行过程中受到波浪的影响，船首会经历从出水到再入水的反复过程。当船首出水时，空气会介入船体同水面的接触中，在相互的作用下船体受到较大的瞬时载荷，这就是砰击现象。船首底部容易受到砰击的影响，严重的砰击会引起船体的高频振动，一方面局部区域受到巨大的冲击力，会造成构件的损坏，另一方面剧烈的振动可能会给船体带来额外的动力弯矩，当此弯矩同波浪弯矩迭加时，容易对船的总纵强度造成损失。

该船采用梁系对船首底部区域的砰击问题进行评估。根据CSR规范，船底砰击压力PSL由下式得出：

式中：c1，cSL——分布系数；

L——结构计算船长

模型仅建立了底部的肋板和纵桁，外板和舱壁处为约束点，载荷通过横向构件传递到纵向构件，参见图5。底部肋板和纵桁存在各种开孔，开孔区域构件的腹板厚度需要进行相应的折减。底部的纵骨也可以采用类似的方式进行评估，在强框和纵桁处进行约束。

图5　船底强构件梁系模型

经过梁系计算发现，部分肋板和纵桁的剪切应力过大，需要增加腹板厚度，主要原因就是800 mm ×600 mm的结构检验通道开孔减少了原构件的有效板厚。最后该计算结果同BV船级社的有限元结果对比，有相似的结论，所以证明针对船首底部砰击问题，梁系计算法在项目初期是一种有效的、快捷的评估方式。

5　节点设计

疲劳破坏是船舶结构主要破坏形式之一，对于目前大量使用高强度钢的散货船，外底纵骨的疲劳问题尤为明显。该系列船的船外底纵骨同底部肋板连接方式主要有两种：一种为带背部肘板，另一种为带钥匙孔切口，见图6。图中（a）为常规的结构节点，其疲劳寿命好，可以满足CSR的疲劳寿命要求，但是缺点就是船厂需要安装几千块小肘板，费时费力；（b）背部为“钥匙孔”形式的软踵。

由于钥匙孔形状的切口规范中没有规定其适用的应力集中系数，对此节点采用直接计算法进行验证。选取FR147和FR88的外底纵骨SL.6为评估目标，热点附近位置采用精细化网格，计算结果如表1所示，具体模型见图7。

图6　典型船底纵骨连接节点

表1

图7　外底纵骨疲劳节点

本模型得到的热点应力为FR88_SL.6：154.41 MPa；FR147_SL.6：223.32 MPa。相较于普通的扇形孔，钥匙孔所形成的软踵确实有效的优化疲劳寿命。通过直接计算验证，散货船底部纵骨完全可以取消背肘板，这对于船厂的成本控制十分的有利。

6　结语

结构设计包含很多内容，本文仅简要的叙述了81 600 DWT巴拿马型散货船的结构设计特点，针对散货船运营中易出现的问题提出了见解和解决方案。母型船的结构非常优秀，但随着时代的进步，我们的设计也要不断的优化、更新，以适应新的要求。结构设计既要学习船级社的新技术，还要密切关注船舶实际运营中出现的问题，不断计算和研究，比较各种设计方案。这是一个不断的积累、反复的修改和迭代的过程。希望本文对具体问题的解决方法能够给更多设计人员带来帮助。

Introduction on Structure Design Characteristics of A 81 600 DWT Bulk Carrier

Li Bo1Han Bin2

（1.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200032，China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

81 600 DWT bulk carrier was a new generation of kamsarmax bulk carrier，which was based on the old designof82000DWTbulkcarrier.Basedonbeamtheory，finiteelementanalysisandexistingpracticeofshipbuilding，the original structure was recalculated and optimized.The new vessel structure became more reliable and more economical with reduced lightweight which ensured a leading design in the fierce competition of the shipbuilding market.

bulk carrier；beam calculation；finite element analysis

U674.13+4

A

1001-4624（2015）01-0045-04

2014-08-25；

2014-12-25

李博（1980—），男，工程师，从事船舶结构设计工作。韩斌（1980—），男，工程师，从事船舶结构设计工作。