64 000 DWT散货船结构轻量化设计和建造

刘在良，夏小浩，邵汉东

(1. 浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021；2. 扬帆集团股份有限公司，浙江 舟山 316100)

0 引 言

散货船是世界航运界运输中的主力船型之一，由于其尺度港口适应性强，装卸方便灵活，对港口条件要求低，能适装多种大众必须生活和生产物资，如煤、谷物、大米、水泥等。散货船以其他交通工具无法比拟的优越性、良好经济性在航运界广受青睐。

结构轻量化是散货船的重要技术指标，许多学者围绕散货船结构轻量化，展开了一些有益的探索与研究，刘晗[1]通过建立全船有限元，对一条散货船进行全船有限元静力分析，达到优化结构目的；贾涛宁[2]通过研究指出1艘45 000 DWT散货船空船重量降低44.5 t，EEDI指数减小4.11%；钦伦洋[3]在研究国内外拓扑优化方法基础上，利用Ansys软件对船舶舱壁结构进行轻量化研究。

本文结构轻量设计和建造是基于64 000 DWT散货船实例，在满足CSR规范前提下，通过总布置合理规划，结构合理布局，有限元直接计算替代规范法，制造中控制重量等方法方式，来达到控制和减轻船体重量。

1 船舶概况

本船为SDARI设计，扬帆集团批量建造的HANDYMAX超灵便最大型单壳，满足BC-A共同规范的散货船。主尺度如表1所示。

本船为单机、单桨、单甲板、球首、带首尾楼、尾机型船舶。全船设置5个货舱、5对液压折叠式的钢质风雨密舱盖；设置4台全回转35×30 m克令吊，燃油舱位于No.4、No.5货舱的顶边舱内，与边壳和压载水舱隔离；底凳与双底相连作为压载舱使用；适装大众货物，并可装载2层25 t钢卷、Grab（20 t）、装载部分B类危险品等货物；No.3货舱兼做风暴压载水舱，预留压载水处理装置位置；在环保方面设置燃油舱保护、SOx、NOx、压载水、生活污水等排放物符合IMO最新规范。本船线型经过CFD优化，具有较低的油耗。船型如图1所示。

表 1 主尺度Tab. 1 Principal particulars

图 1 64 000 DWT散货船概况Fig. 1 General of 64 000 DWT buck carrier

2 结构轻量化设计

本船横剖面布置结构为精典的单壳散货船，货舱设置底边舱、顶边舱及双层底作为压载水舱；开口边线外设底边舱、顶边舱；强力甲板、船底采用纵骨架式结构，舷侧采用横骨架式结构，典型横剖面见图2。

图 2 典型横剖面图Fig. 2 Typical mid section plan

2.1 优化总体布置，降低最大总纵弯矩和剪力，减小构件尺寸

总体布置时，为提高载货容积，尽可能压缩首部和机舱长度，增大货舱长度。虽然提高载货容积，但是要避免重力与浮力不平衡的显著变化。为此分舱时，要对各装载工况的弯矩和剪力进行分析和比对；通过反复调整分舱长度、压载系统的布置，并充分考虑IACS UR S11，S17对货舱进水的强度要求，来降低船体梁总纵弯矩[4]；另外No.3压载舱作为风暴舱，尽可能减小舱容，其容积占比其他货舱的90%为宜，有利于UR S17要求的单个货舱进水工况，船体梁总纵弯矩的降低。图3为本船在完整工况、进水工况和港口工况时船体梁总纵许用弯矩包络线图，根据各装载工况计算结果及经验余量考虑，本船在进水状态下所受总纵弯曲应力最大，中拱3 162 000 kN·m，中垂–2 982 000 kN·m。

图 3 总纵许用弯矩包络线Fig. 3 Permissible values of SWBM

通过改变吃水也可以来降低总纵弯矩，本船规范要求的干舷为5 222 mm，本船实际为5 228 mm，只有6 mm的富裕干舷余量，本船已做到极至，其他船舶可以用来参考。

总纵弯曲应力和剪切应力校核时，常用的设计方法，取船体梁0.4~0.5 L处最大弯矩和最大剪力值用来校核各横剖面的剖面模数，这样的校核结果，往往导致非最大弯矩和剪力剖面构件出现过大的冗余量，结构构件尺寸变大。本船设计中，根据每一剖面处相应的弯矩和剪力值作为设计载荷值进行模数校核，得出的各剖面构件尺寸抵抗“真实”载荷，结构尺寸冗余量减少。设计理念更加科学，更加尊重事实。

2.2 合理布局结构，简化结构，减轻结构重量

本船的顶边舱布置每6档肋位设计一个强框架，底边舱每3个肋位布置一个强框，为减少强框数量，通过合理配置，货舱槽形壁布置在上下边舱都是强框架处，按每个强框1.5 t计算，减轻9 t结构重量。

No.3货舱作为风暴压载舱，位置处于船中附近，在相同工况下，其所受载荷远远大于其他货舱，为减小底部和甲板纵向构件计算跨距，底凳朝向布置都朝向No.3货舱，可以缩短计算跨距2.46 m，减小了构件尺寸[5]。

通常机舱区域采用横骨架式结构，本船方形系数较大0.89，考虑到机舱舷侧线型变化较缓，也不会加大施工构件成形加工量，在机舱舷侧由横骨架式改为纵骨架式结构形式，以简化结构，减轻重量。

本船的克令吊采用筒体独体安装设计，区别于通用的桅屋与筒体一体设计方式，筒体根部插入双层舱壁800 mm，有限元屈服强度校核分析满足规范要求；根据目前在航船舶应用结果，运行正常。这种独体设计，避免了桅屋受到筒体挤压作用力，使桅屋构件局部加厚，构件加大。本船克令吊筒体插入船体800 mm强度足够，而常规设计看到，筒体需要插入到平台处至少2 m，结构强化很多，所以这种克令吊筒体独体与桅屋一体设计，有待思考空间。

2.3 有限元直接计算替代规范计算，减少结构尺寸冗余

根据CSR规范，本船属于常规船型，有限元强度计算并不需要做常规意义上的全船有限元强度分析，即加载水动力载荷计算全船强度，所以强度计算仍然采用常规的三舱段分析，取一个完整的货舱及其前后2个半舱的长度即(1/2+1+1/2)作为分析对象，着重分析评估其整个货舱在CSR各工况作用下，根据规范要求衡准值，校核纵向和横向构件屈服及屈曲强度，考察各工况作用下构件的变形情况，其他货舱段不需要再建模评估分析，其构件的尺寸大小根据上述三舱段分析结果进行相应覆盖。

虽然规范要求的评估方法节约了时间、减少了工作量，由于船舶在不同的位置所受到外界载荷不一致，不同位置处的结构构件本身也存在个别差异。因此从结构优化、船体轻量化角度和对本船强度的把控能力来讲，还是欠缺，因此，对每一个货舱都需要单独做三舱段强度评估与分析，中部平行中体3个货舱，采用3个完整货舱的长度来建模型，在Patran中可以大量复制和拷贝，建模工作量较小，计算模型见图4。

对No.1，No.5货舱，仍采用1/2+1+1/2的货舱长度来建模型，尾至机舱长度1/2处，首至首尖舱1/2长度。由于首尾线型变化较大，构件变化较多，建模相对工作量较大，但是这样可以有效地减小边界效应对被评估最首No.1货舱和最尾No.5货舱的不利影响[6]。如图5为No.1，No.5货舱计算模型。其边界定义，载荷定义与工况选择与上述舱室一致，符合CSR规范。

根据有限元计算结果，不断优化结构，重复计算，得出图6~图8示例的有限元分析结果云图。显然，优化以后的结构，船体梁很多主要构件所受到弯曲应力、剪切应力及屈曲因子接近于规范要求许用应力值；

图6为No.4货舱外板和底边桁材的有限元板厚显示云图，受局部强度影响，板厚种类很多，板厚布置呈“豆腐块”分布。

图 4 No.2，No.3，No.4货舱计算模型Fig. 4 FEM model for No.2/No.3/No.4 cargo hold

图 5 No.1，No.5货舱计算模型Fig. 5 FEM model for No.1/No.5 cargo hold

图 6 No.4货舱外板和底部桁材有限元板厚云图Fig. 6 Von-mises stress of the shell of C/H and side girder of double bottom

图7为No.3货舱外板和横向构件的材料属性云图，为减薄板厚，减轻重量，提高了货舱区材料的屈服点，大面积采用高强度钢，货舱区域高强度钢占比达到90%，船体梁刚性达到极限。

图8为No.2货舱外板有限元屈曲因子云图和船底外板展图，外板屈曲因子达到规范临界值1，从外板展开图看到，船级社不得不额外增加屈曲筋。为降低板厚，减少重量，在主甲板也增加很多屈曲筋。

图 7 No. 3货舱外板和横向构件有限元材料属性云图Fig. 7 Von-mises stress of the shell and transverse construction for No.3 C/H

图 8 外板有限元屈曲因子云图和船底外板展开图Fig. 8 Buckling result of the shell and shell expansion in No.2 C/H

由此可见，有限元强度直接计算对降低板材厚度，减小构件尺寸，降低船体重量可以精确准确。而传统的规范法采用大量的力学简化和经验进行计算，很难直观、准确地校核结构强度[7]，一般选用的构件尺寸通常比较保守。

本船的设计是基于原SDARI 57 000 DWT散货船基础上完成，表2是两船钢料及载重量比较。

表 2 Dolphin 64与Dolphin57 K对比表Tab. 2 Comparison table for Dolphin 64 and Dolphin57 K

从表2看到，载重量提高了6 800 t，空船重量只增加312 t，轻量化设计对船舶载重量提高显著。

3 通过合理制造工艺，减少多余的辅助结构重量

通常焊材占船体重量1%~2%，虽然占比较小。由于焊接工作量、参于人数杂、技术水平参差不齐、焊脚高度得不到控制，导致焊接焊材重量难以控制。为控制焊材重量，减少人为不确定因素，建造中采取机器代人，各制造工位尽可能提高自动焊半自动焊范围，大合拢阶段大合拢平直段也采用垂直替换手工焊。

针对本船优化后的板厚比较零星，通过优化分段划分和装配作业顺序，优化套料手段，以避免厚板替代薄板现象。

优化全船操作小平台，小设备基座，避免小基座小平台大构件。

对辅助制造作业用的吊码，辅助作业通道用钢，一律清根割除。

通过船舶建造中控制，扬帆所建造的64 000 DWT比其他船厂建造空船重量轻300 t。

4 结 语

本文所提轻量化船体结构设计方法与建造控制手段，具有现实的可操作性，虽然其设计、计算、制造中比平常所花时间更多、更严谨，但是实实在在能减轻空船重量，提高载货量，提升了船舶设计水平。对载货型船舶，空船重量指标控制较严格的船舶具有较高的参考价值。

将来随着信息技术的不断发展，基于有限元数字化计算技术的不断深入，开展结构轻量化数值仿真将是趋势，计算结果和仿真手段方法将更加准确，简单方便，将为智能船舶船体结构专家系统提供坚实基础。