舰船科学技术  2019, Vol. 41 Issue (3): 51-54   PDF    
64 000 DWT散货船结构轻量化设计和建造
刘在良1, 夏小浩2, 邵汉东2     
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
摘要: 散货船结构轻量化设计与建造,是提升散货船性能重要途径之一。本文以64 000 DWT超灵便,最大型散货船为例,阐述了船体结构轻量化在设计和制造中所采用的方法和手段,通过对总体布置合理规划、结构合理布局、有限元直接强度计算替代规范法、船体建造控制等措施,实现了控制和减轻船体结构重量的目的。文中所述方法是本船设计和建造的经验总结,对提高船舶设计水平、设计类似船舶具有一定的借鉴和参考价值。
关键词: 散货船     结构轻量化设计和制造     减轻船体结构重量    
Structural light-weighting design and construction for 64 000 dwt buck carrier
Liu Zai-liang1, XIA Xiao-hao2, SHAO Han-dong2     
1. Zhejiang International Maritime College, Zhoushan 316021, China;
2. Yangfan Group Co., Ltd., Zhoushan 316100, China
Abstract: Structural light-weighting design and construction is one of the important ways to improve the performance of buck carrier. This article take the 64 000 DWT handymax carrier as a example, expound the methods which is used in the hull structural light-weighting design and construction, by reasonable planning the general arrangement and structural arrangement, replacing the rule calculation by finite element analysis, controlling hull construction level and so on. The methods mentioned in the article is summary of experience during the design and construction stage, which have some reference value for designing the similar ships.
Key words: buck carrier     structural light-weighting design and construction     reduce hull structure weight    
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。

表 1 主尺度 Tab.1 Principal particulars

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。

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

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

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。

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

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 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 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

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 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。

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

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。

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