62 000 DWT 纸浆船结构设计

林永炫，韩斌

（1. 中远海运特种运输股份有限公司，广州510623；2. 上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前 言

中国是全球造纸行业最重要的成长型市场，近年来中国造纸及纸板的生产量和消费量均占据全球第一，约占全球总量的四分之一，并呈逐年递增趋势。 纸浆是造纸工业中的重要原材料，其海运市场具有很强的专业性和较高的进入壁垒，长期以来一直被欧美发达国家的专业纸浆船队垄断。

敞口克令吊纸浆船是近些年发展起来的一种新船型。 这种船型既考虑到纸浆运输的专业性，同时兼顾到其他货种的适货性， 具有很好的经济效益，越来越受到更多船东的青睐。 62 000 DWT 多用途纸浆船是敞口克令吊纸浆船船型的一种，共生成20 艘的订单，为中国航运企业步入专业纸浆运输市场作出了巨大的贡献。

62 000 DWT 纸浆船为单机、单桨、单舵、低速柴油机带定距桨推进的艉机型多用途纸浆船。 设单层连续甲板， 主甲板以下从船首至船尾依次设艏尖舱、6 个货舱、机舱和艉尖舱，共同构成全船的水平及横向水密分割。 上层建筑位于艉部机舱上方；主甲板中心配备4 台吊机，甲板上可装载集装箱和大型货物，货舱可装运纸浆、谷物、煤、铁矿石、钢卷筒等散装货物和高铁机车、风电设备等大件货，并可装载部分危险品。

全船设置6 个大开口箱型货舱， 中间4 个货舱长度均为27.03 m。 货舱区边舱采用对称设计，边舱和双层底以下作为压载水舱， 燃油储存舱布置在货舱区和艉部， 满足MARPOL 公约燃油舱保护要求。

62 000 DWT 纸浆船总布置图如图1 所示，主尺度如下：

图1 总布置图（侧视图）

1 货舱结构设计

该船共有6 个箱型货舱， 结构型式为双舷侧、双层底的典型双壳结构。 典型横剖面图见图2。 第1、6 货舱设有台阶，台阶的宽度和高度，需要配合主要装载纸浆包装货货品的外形尺寸。

图2 典型横剖面图

双舷侧布置有2 层平台，并满足永久检验通道要求。 双层底设置了中管弄，纵向舱口围板在船长方向做成连续构件。 水密横舱壁为平面双层舱壁，隔舱作为空舱或者油舱使用。 全船范围内做了主甲板防海盗舷墙，增加了船舶运营中的安全性。 为了避免货品在装卸过程中破损，货舱内壳、横舱壁以及货舱内结构台阶的板厚朝向均翻向货舱外侧，保持货舱内围壁光滑，舱壁上的绑扎眼环及功能设备也均为嵌入式结构设计。

传统上，结构设计都是通过规范计算和设计经验来确定结构布置的，用有限元直接计算对结构构件进行校核和加强。 规范计算和有限元计算分别独立进行，不能使结构设计达到最优化。 由于此船为大开口特殊船型，主尺度上又是国内运营中最大的多用途船，船体结构的横向强度以及刚度均是设计中需要关注的重点。 通过初版的中横剖面，构建初步的有限元模型，依据较恶劣的两种工况（工况1，装重货满载工况；工况2，压载工况）的初步有限元结果，指导某些位置结构的布置，进而对初版的中横剖面进行优化，从而达到重量轻量化的目的。 三维有限元模型见图3。 结构优化工作主要体现着以下几个方面：

图3 货舱段三维有限元模型

1） 纵骨间距。 规范计算板厚及骨材，首先应考虑CCS 规范中最小纵骨间距的要求。内底板厚和纵骨主要应满足抓斗、钢卷筒和重货加强的要求。 外底板除了规范的屈服强度要求外，主要是屈曲强度的要求。 外板屈曲强度评估可通过有限元计算结果，得到板格X 与Y 方向的压应力及剪应力，根据有限元屈曲校核规范，通过调整纵骨间距、板格长度、板厚及钢级，对比不同组合方案，以重量最轻为目标试算出最优纵骨间距的布置。 屈曲强度校核示意图见图4。

图4 屈曲强度校核示意图

2） 舷侧平台布置。 由于CCS 要求该船双舷侧区域满足永久检验通道要求，结合有限元初步计算结果，对比了设置2 层平台和3 层平台横向强框应力以及货舱横向变形，相差基本不大，从重量优化方面考虑，在可以满足检验通道要求的基础上设置2层平台。 设置2 层平台舷侧强框合成应力云图见图5，设置3 层平台舷侧强框合成应力云图见图6。

图5 设置2 层平台横向强框合成应力云图

图6 设置3 层平台横向强框合成应力云图

3）双层底纵桁和肋板的开孔布置。可依据初步有限元计算结果，以重量最轻为目标，选取合适的位置，尽量多开设减轻孔。 双层底纵桁和肋板的合成应力云图见图7。

图7 双层底纵桁和肋板合成应力云图

4）横舱壁骨材布置。通过有限元结果对比不同方向的应力水平，在重货满载工况下，由于船体变形，上端有挤压造成靠近甲板中间处横向压应力较大。 靠近主甲板区域布置为水平筋形式，满足屈服强度的同时，可以改善屈曲结果，达到重量优化并减少构件数的目的。横舱壁横向压应力云图见图8，横舱壁骨材布置方式见图9。

图8 横舱壁横向压应力云图

图9 横舱壁平面图

对于大型的非常规船型，在详细设计初期根据初版中横剖面进行的初步有限元计算， 仅需粗算2个或者3 个恶劣工况，对结构布置方案进行对比及优化。 此方法不仅对后期详细设计的结构布置有所参考，而且通过优化达到重量轻量化和减少构件数的目标。

2 计算分析

2.1 应用水动力方法校核艏部船底砰击强度

根据《CCS 钢质海船入级规范》的要求，在平底砰击加强的计算中，描述性要求双层底肋板和纵桁在加强范围内需进行插密设置，每隔1 档肋位处设置实肋板，一般应设置间距不大于3 倍纵骨间距的旁桁材。 CCS 规范在2016 年修改通报中增加了若不满足布置的描述性要求，可用水动力方法计算砰击载荷，并用有限元直接计算方法对砰击强度进行校核。

以重量优化为目标，船舶业内首次应用CCS 新的要求对该船平底砰击加强进行了校核。

首先， 进行船舶迎浪状态的船舶耐波性分析，得到相对运动的响应函数；其次，计算船首底部不同肋位处的砰击压力；再次，根据计算得到的砰击压力，校核船底板架的强度；最后，根据计算得到的砰击压力，校核了船底板和船底纵骨的强度。 水动力计算网格见图10。

图10 水动力计算网格

根据装载手册确定航行状态下最小艏吃水的装载工况，选取不同位置的砰击压力计算点，通过水动力计算结果得到的砰击载荷，并用有限元方法进行了砰击强度校核。 砰击校核有限元计算模型见图11。

图11 砰击校核有限元计算模型

根据最后计算结果，通过该方法满足CCS 规范砰击加强要求，相比满足CCS 规范中传统布置描述性要求减少了双层底纵桁和肋板的设置，结构重量可减轻约80 t，可为之后入级CCS 船舶砰击加强计算提供借鉴指导。

2.2 大开口船舶扭转强度

在扭转强度计算校核中，静水弯矩应力和波浪弯矩应力都可根据公式获得，但是扭转翘曲应力计算复杂， 需根据薄壁梁理论将船舶理想化计算模型，用迁移矩阵法建立扭转刚度矩阵。 实船扭转强度计算采用CCS Compass 软件， 货舱大开口扭转强度计算以水密分隔舱壁位置作为共9 个站位，2 个站位间为梁段，见图12。

图12 货舱大开口扭转强度计算站位图

经计算可得各站位的静水工况弯曲应力、迎浪工况弯曲应力， 以及斜浪工况下的水平弯曲应力、垂直弯曲应力、翘曲应力，进而求出合成应力。 将甲板和船底处合成应力分别与衡准许用应力进行比较，满足大开口扭转强度的要求。 以梁段4 的甲板处和船底处在静水、迎浪及斜浪的合成应力和衡准为例，如表1 所示。

表1 梁段4 中合成应力结果 单位：N/mm2

梁段1 至8 中，计算的合成应力均小于许用应力，故扭转强度可以满足规范要求。

2.3 振动和噪声预报

振动预报分析依据CCS 船级社《船上振动控制指南2012》要求进行。建立机舱、艉部和上建区域有限元模型，货舱及艏部采用船体梁的方法进行模拟计算，见图13。

图13 振动分析有限元模型图

对机舱区域和上层建筑的振动进行预报。 起居处所和驾驶室位于机舱区域，共有6 层。 振动预报分为两大部分：第一，局部振动校核通过机舱、艉部及上建区域的固有频率和螺旋桨的倍叶频、主机的点火频率比较，避免发生共振；第二，总振动是通过施加在模型上螺旋浆激振力和主机不平衡力矩，预报2 个计算工况（满载和压载）在主机CSR 转速下，机舱及上建区域的振动响应值，根据ISO 6954∶2000《机械振动 客船和商船上有关适居性的振动测量、报告和评价指南》进行校核。 由于主机采用5 缸机5G60ME-C9.5，主机激振力较大，发生振动风险较高。 采用箱型结构型式的顶撑加强，有效提高船体侧的刚度，控制主机对结构振动的影响。主机顶撑加强见图14，振动响应预报结果见表2。

表2 振动预报、试航、实测值和衡准值 单位：mm/s

图14 箱型主机顶撑加强形式（俯视图）

噪声预报分析依据《船舶及产品噪声控制与检测指南2013》进行。 噪声源具体包括主机和风机等噪声源辐射的空气噪声和结构噪声。 采用统计能量法和能量有限元方法对噪声进行预报。 机舱、艉部和上建区域结构理想化为3D 统计能量法模型，见图15。

图15 噪声评估有限元模型

噪声预报需要有关噪声源设备的空气噪声和结构噪声的声压级或者声功率级数据，这些数据可以由厂商提供或经验公式得出。 计算中认为其他设备均是普通运行模式。预报值与实测值对比见表3，可以看出， 该船最终的实测值完全满足IMO 要求。噪声预报对于船舶设计是非常重要的一环，保证了船舶运营中船员舒适性，通过细化计算也可以在一定程度上为船厂节约成本。

表3 首制船噪音的预报、实测值和衡准值

3 结 语

62 000 DWT 纸浆船为大开口特种运输船，在结构设计过程中， 根据其特点和优化设计目标需要，采取了不同于常规运输船舶的设计方法，即：在方案设计阶段， 采用有限元计算和规范计算相融合的方式对货舱结构进行强度计算分析， 对大开口货舱中横剖面结构和布置进行优化， 提高了优化方案的精准度和可行性； 首次使用水动力计算砰击载荷的直接计算方法， 校核艏部平底区域砰击强度， 减少艏部双层底纵桁和肋板的设置数量；采用箱型结构型式的顶撑加强，有效降低因配置5 缸主机对船体结构振动的影响， 以及常规的大开口扭转强度计算、详细的振动和噪声预报等，确保了船舶的可靠性和舒适性， 对后续此类特种多用途船结构设计和轻量化研究具有较大的借鉴意义。