36100DWT大湖型散货船结构设计特点

郑立 马强

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

36 100 DWT大湖型散货船是由加拿大船东CSL（Canada Steamship Lines，Ltd）委托上海船舶研究设计院设计的一型散货船，由扬帆集团股份有限公司下属舟山扬帆船厂建造。这是一艘满足大湖规范的纯大湖型散货船，航行于加拿大的圣劳伦斯河及五大湖支河航区；船长船宽均达到运河要求的极限值；货舱均采用双壳结构，双壳边舱与双层底联通，保证了压载水舱的舱容；在船舶航行通过运河船闸时，起到调节平衡压载和货舱的作用；配备首尾侧推，具备良好的适航性与操纵性，利于多港口装卸货。该船载重量大、舱容大、航速较低、油耗低、具备优良的性能指标，深受船东青睐。本文从结构设计的角度，介绍大湖型散货船在设计中遇到的问题以及解决的方案。

1 船型及布置特点

主尺度及基本参数：

总 长 225.50 m

垂线间长 222.605 m

型 宽 23.76 m

型 深 13.625 m

结构吃水 9.00 m

载重量（结构吃水时） abt.36 100 t

服务航速 13.0 kn

36 100 DWT大湖散货船装载种类丰富的干散货，包括矿砂、煤、谷物、石膏、肥料和石头等散装货物。货舱区上甲板配置一台19 t的龙门吊，可以在整个货舱区域吊装舱盖，方便装卸货。总布置图见图1。

图1 总布置图

基于船舶在大湖航行的特殊性，需重点考虑以下两个技术指标：

1）载重量是重要指标之一，因此尽量按运河所能容纳的极限值来确定船长及船宽。为了扩大货舱舱容以及尾部浮态调整的需求，机舱尾部尽量压缩后移，导致舵空间狭窄，采用导管舵桨解决螺旋桨的效率及操纵性问题。货舱区分为5个货舱，跟同级别的常规散货船相比，货舱长度较长。

2）空气吃水高度是另一个重要衡量指标，空气吃水需要一定的压载舱容。货舱区采用双壳结构，且内壳距外板距离根据总体需要的压载水要求确定。边压载舱与底部压载舱联通。

与一般散货船（满足CSR）相比，该船在结构方面有几点不同：

1）有限航区：Great Lakes Bulk Carrier。该船航行于加拿大的圣劳伦斯河及五大湖支河航区，不会遭遇无限航区时的大风大浪，总体装载工况计算中，不需要考虑货舱间隔装载，不需要考虑货舱破舱时的装载工况，因此满足总体工况要求的静水弯矩及波浪弯矩比一般同尺度散货船小很多，仅考虑大湖航区总纵强度的要求。

2）有首次航行工况要求，首航工况的静水弯矩、波浪弯矩的考量，规范没有明确规定，与首航的装载、航线及时间密切相关。另外，大湖航线不要求首部拍击加强，但在首航工况中对首部拍击有一定要求。

2 规范差异

常规大湖型船舶都是基于无限航区，使用的规范与我们常规设计使用的规范一致。这艘船航行区域明确是圣劳伦斯河及五大湖航区，英国劳氏船级社对此类航区有专门的规范约束，引入了设计静水弯矩值ML及常规静水弯矩值Mu的概念。

2.1 总纵强度计算

与常规CSR散货船最大的区别，就是波浪弯矩的取值。按常规理解，大湖航区的波浪弯矩几乎可以忽略，但按大湖规范计算，该船的舯剖面0.4L区域的波浪弯矩计算值近似正常海况的一半，而且此计算值与最大设计静水弯矩值成正比关系。

2.2 最小模数要求

该船的最小模数与舯剖面最大设计静水弯矩值有关。最大弯矩值越大，最小模数也越大。舯剖面的各纵向构件尺寸需同时满足总纵强度及最小模数的要求。经本人对规范条款的研究表明，相比最大设计弯矩，最小剖面模数对构件尺寸更具有决定意义。在计算总纵强度及最小剖面模数时有两点值得关注：

1）结构计算船长的选取与常规散货船是有区别的。大湖型船舶LS系指沿夏季载重线，从首柱前缘到舵杆后缘的距离，或当无舵杆时到舵杆中心线的距离，仅限于计算总纵强度时使用。常规散货船的LS系指沿夏季载重线，从首柱前缘到舵杆后缘的距离，或当无舵杆时到舵杆中心线的距离；且LS应不小于夏季载重水线总长的96%，也不必大于97%；对于大湖型散货船，此值在局部强度计算时需使用。经计算大湖船的结构计算船长比一般常规船大，这会影响最小剖面模数计算。

2）大湖规范最小模数的计算是有前提条件的，吃水小于或等于8.6 m时可以使用规范中的公式，对于吃水大于8.6 m的船舶，最小剖面模数需要特别考虑。由于该船结构吃水为9 m，吃水差距为0.4 m，接近规范要求的8.6 m，为此与英国劳氏船级社讨论，认为可以按吃水小于或等于8.6 m时的计算公式计算，并且得到船东认可。

3 典型横剖面设计

货舱区域平行中体部分结构，参见图2典型横剖面图。

图2 典型横剖面图

3.1 设计静水弯矩

由于该船装载工况中无间隔装，不考虑破舱，最大设计静水弯矩比常规无限航区的散货船静水弯矩值小，加之是在大湖航行，波浪弯矩计算值也近似常规船的一半，因此总纵强度较容易满足。

3.2 最小剖面模数要求

在船舯区域，规范要求的最小剖面模数的计算值保持不变，船舯区域外按线型变化插值求得，船舯区域的最小剖面模数的计算值与设计静水弯矩值成正比关系。船舯区域的划分根据Ls/D的值决定：大于等于21取0.67Ls，小于等于 17取0.4Ls；该船是Ls/D=16.34，船舯范围为0.4Ls。

按照规范参与总纵强度的纵向结构构件尺寸在船舯区域外可以减小。由于该船的船长船宽已达到大湖航行时的极限值，船长偏长，设计静水弯矩比常规无限航区的散货船小，所以满足规范要求的结构构件尺寸偏小。为了提高船的刚性，同时考虑船东要求，整个货舱区域的纵向构件尺寸与船中区域保持一致，不折减，但不可避免增加了这部分的结构重量。

4 横舱壁结构

大湖型散货船的横舱壁，包括机舱前端壁及尾尖舱舱壁的设计，是参照常规散货船的规范，结构计算船长也是常规散货船的定义，但需要特别考虑腐蚀余量。深舱舱壁需在常规散货船的计算结果上加上1.5 mm的腐蚀余量。

该船货舱区有4道槽型横舱壁。由于该船无间隔装，不考虑破舱，因此货舱横舱壁的局部强度易于满足规范要求。但垂直槽型水密横舱壁槽条的剖面模数值及剪切面积值偏小，因此槽型偏小（与常规散货船比），不设顶墩、底墩，增加货舱舱容。构件尺寸校核按常规散货船规范要求，无特殊规定。货舱区偏长，每个货舱长达36 m，横舱壁与横舱壁之间分为3个货舱开口，设有2个横向甲板条，而不是按常规散货船设计，在2个槽型舱壁间只设置一个大开口。

由于该船在经过运河支流、运河船闸及大桥时，对船最高点的空气吃水有限制：28.95 m，因此在压载工况时，货舱第四货舱需用作压载舱。经核算，使用的压载水不超过第四货舱舱容的30%。

常规散货船的规范规定：在无限航区，当在海上航行条件下液舱或底舱拟部分灌装时，应考虑由于船舶的任何运动导致晃荡而产生的有重大影响载荷的危险。对于平滑液舱，若灌装水平低于10%或高于97%舱深，认为不大可能出现流体运动的重大影响，晃荡压力不予以考虑。

该船横舱壁是参照常规散货船的规范设计，因此晃荡对结构构件的影响，也需按常规散货船的规范计算，参见图3货舱区195肋位处的槽型舱壁图。

图3 货舱区槽型舱壁图

该船货舱第4货舱需要考虑部分灌装时，晃荡压力对舱壁四周结构构件尺寸的影响。分两种情况校核晃荡压力：

1）船舶横摇时，流体的固有横摇周期与船的固有横摇周期相互之间的差值小于5 s；

2）船舶纵摇时，流体的固有纵摇周期大于船的固有纵摇周期减去3 s之后的值；

由于该船大湖航行的特定航区，纵摇情况不予以考虑。

经英国劳氏船级社的Shipright Sloshing软件计算研究表明：

该船第4舱在使用压载水占货舱舱容的15%～30%时，所有结构构件尺寸满足晃荡压力的强度要求；

该船第4舱在使用压载水占货舱舱容的35%时，底边舱斜板上部区域板，顶边舱斜板纵骨不满足船舶横摇时的晃荡压力的强度要求；

该船第4舱在使用压载水占货舱舱容的40%时，顶边舱斜板纵骨不满足晃荡压力的强度要求；

该船第4舱在使用压载水占货舱舱容的45%时，顶边舱斜板纵骨，纵向舱口围板下纵舱壁纵骨，上甲板纵骨，货舱内壳纵舱壁纵骨，货舱内壳纵舱壁板均不满足晃荡压力的强度要求；

该船第4舱在使用压载水占货舱舱容的50%～60%时，顶边舱斜板纵骨，纵向舱口围板下纵舱壁纵骨，上甲板纵骨，货舱内壳纵舱壁纵骨，顶边舱斜板下部区域板，上甲板板，货舱内壳纵舱壁板均不满足晃荡压力的强度要求。

因此，第4货舱在压载工况下，使用的压载水不超过货舱舱容的30%时，船体结构构件没有考虑额外加强，就已经满足晃荡压力的强度要求。

5 首次航行工况

该船是纯大湖型散货船，船舶只能航行在加拿大的圣劳伦斯河及五大湖航区。但该船在我国东部舟山建造，首次航行需跨海航行至位于加拿大的圣劳伦斯河及五大湖航区，因此需额外考虑首航工况下的船舶强度问题。劳氏船级社的大湖规范没有相关规定。首次航行中，对于结构设计需着重考虑3个问题：

1）波浪弯矩的选取；

2）首部拍击强度校核标准；

3）首次航行工况的结构加强应该是可拆卸式的，到达目的地后方便拆卸而不增加空船重量。

对上述3个问题做了如下设计：

1）波浪弯矩选取：按常规船舶的规范，在近海入港状态，波浪弯矩应乘以0.5的系数；根据此首次航行一般多沿海，遮蔽航线，多选择少风浪季节，因此波浪弯矩乘以0.7的系数；按总体首航工况给出的静水弯矩加0.7的常规波浪弯矩校核总纵强度。

2）首部拍击加强：如按常规船的要求，结构加强重量近100 t，关键在于这部分重量到达目的地后无法拆除，增加空船重量；

3）经与船东、英国劳氏船级社沟通协调，在英国劳氏船级社认可的首航航线及时间段，限定波浪高度，限定船舶航行速度及首部最小吃水，结构可以不另外考虑首部拍击加强，因此不需考虑结构加强拆卸的问题。

6 货舱区域以外结构设计注意事项

大湖型散货船的首部、尾部、机舱上建及尾部铸钢件的设计参照常规散货船的规范，结构计算船长也是常规散货船的定义，但有以下两点做了特别考虑：

1）该船线型比较丰满，首尾机舱的液舱区域，非水密平台结构，纵向开孔板结构，尽量选用大开孔结构形式替代腰圆小开孔。机舱布置设备的区域，用格栅或钢丝网替代的非承重的平台或舱壁，减轻结构重量。上建的物料吊基座加强进行了有限元强度校核，减小基座板厚，延伸船体区域的基座加强结构长度进行了优化，减轻结构重量。

2）该船为提高货舱舱容，货舱较长，压缩了尾部机舱区域，舵桨布置紧张，因此选用的是导管桨舵。尾部铸钢件是螺旋桨桨毂与挂舵臂一体化，铸钢件体积重量超常规，需特别设计。铸钢件部件在铸钢件线型窄瘦处断开，分三段，既方便铸钢件厂家的铸造，又利于铸钢件与船体焊接时船厂现场施工。铸钢件线型，在保证尾部流场的前提下，尽可能缩小铸钢件体积，减轻重量，方便船厂施工。

7 结语

该船为36 100 DWT大湖型散货船，入级英国劳氏船级社，船体的总纵强度及最小剖面模数满足劳氏大湖散货船的规范要求。首部、尾部及机舱上建的结构尺寸满足英国劳氏船级社常规散货船规范要求。首航工况下船体结构的总纵强度及首部抗拍击强度，综合考虑首航航线和季节风浪，进行了部分减免。货舱第4货舱横舱壁考虑了在压载工况下，局部灌装时晃荡压力对结构构件尺寸的影响。在船体结构设计的整个过程中，严格控制结构重量。希望这一设计思路及理念，对以后大湖型散货船的结构设计有所帮助。