王 國(guó) 水

（708研究所，上海 200129）

0 引 言

如今，船舶設(shè)計(jì)理念已經(jīng)從過去的“船舶性能和經(jīng)濟(jì)性的均衡”發(fā)展到現(xiàn)在的“性能、環(huán)保以及經(jīng)濟(jì)性的均衡”，隨著綠色低碳理念逐漸得到共識(shí)，節(jié)能環(huán)保成為新船型開發(fā)的熱點(diǎn)方向[1]。要在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)綠色低碳環(huán)保理念，主要還是減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省材料，達(dá)到省工、省時(shí)、綠色、安全以及環(huán)保的需求。此外，改善工作環(huán)境，減小船舶振動(dòng)、減少焊接量，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度也是重要指標(biāo)。

本文以21000dwt多用途貨船為例，闡述了以船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)能降耗以及安全、環(huán)保為主題的設(shè)計(jì)方法。

1 船舶概況

21000dwt多用途貨船是為上海遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司設(shè)計(jì)建造的，該船為單機(jī)單槳艉機(jī)型并設(shè)有兩層連續(xù)甲板、艏樓及艉樓。艏部設(shè)有球艏，艉部為方艉，裝有前置補(bǔ)償導(dǎo)管節(jié)能裝置。

該船主要參數(shù)如下：

總長(zhǎng)oaL ： 174m

型寬B： 25.8m

型深D： 14.2m

滿載吃水d： 9.5m

該船No.2～No.4 3個(gè)貨艙上下甲板都是雙排艙口，每排艙口的寬度按3列標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的寬度設(shè)計(jì)，且在每根箱形梁下設(shè)有2根支柱以承受載荷和減小箱形梁跨距，而NO.1貨艙因船寬在此逐漸減小，僅設(shè)單艙口，其寬度可容納4列標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。構(gòu)件設(shè)計(jì)滿足如下負(fù)荷：

1) 設(shè)計(jì)均布負(fù)荷：貨艙底18t/m2，二甲板3.75t/m2，上甲板2t/m2；

2) 設(shè)計(jì)集裝箱負(fù)荷為：貨艙底裝載20ft和40ft集裝箱的點(diǎn)負(fù)荷分別為120t和152.5t。上甲板裝載20ft和40ft集裝箱的點(diǎn)負(fù)荷分別為45t和60t。

該船總縱強(qiáng)度除滿足CCS規(guī)范要求外還承諾船東的要求留有3%的裕度。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

為保證關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足造成的破損，該船在設(shè)計(jì)過程中采取如下措施：

1) 該船貨艙內(nèi)需裝載5層集裝箱，因此貨艙雙層底集裝箱角隅處，按5層集裝箱滿負(fù)荷計(jì)算，在20ft集裝箱角隅處，四角集中，集中載荷包括動(dòng)載荷最大超過130t。通過加強(qiáng)桁材進(jìn)行力的傳遞，最后由雙層底縱桁承受。由于雙層底縱桁是承受總縱彎曲強(qiáng)度的主要構(gòu)件之一，本身已承受很大的總縱彎曲應(yīng)力，即規(guī)范上的最大總縱彎曲許用應(yīng)力175N/mm2，再加上集裝箱集中載荷在縱桁中產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，與總縱彎曲應(yīng)力合成后，就有可能達(dá)到甚至超過鋼板的屈服極限，從而使船體結(jié)構(gòu)遭到破壞。為此對(duì)支撐集裝箱集中載荷的底縱桁作了仔細(xì)的合成應(yīng)力校核后，在原來設(shè)計(jì)板厚14mm的基礎(chǔ)上又增加了9mm的板厚，達(dá)到23mm，使受力段的合成應(yīng)力降低到材料屈服極限之內(nèi)，其合成彎曲應(yīng)力為158N/mm2。

2) 針對(duì)來自艙蓋的集中力對(duì)上甲板貨艙艙口圍板和二甲板艙蓋擱架作了詳細(xì)計(jì)算并進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)，避免船舶在艙蓋操作時(shí)的運(yùn)動(dòng)阻力增加而發(fā)生故障。在非關(guān)鍵部位，則盡量減小構(gòu)件尺寸，減少重量。此外，進(jìn)口船舶艙蓋折疊鉸鏈曾出現(xiàn)扭壞事故，為此，對(duì)折疊鉸鏈下結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，見圖1。

3) 根據(jù)艙段有限元計(jì)算結(jié)果，見圖2，外板若按應(yīng)力分布設(shè)計(jì)，將用到許多板厚規(guī)格，板縫較密集，如果按計(jì)算結(jié)果取板厚，會(huì)使焊接工作量大大增加。經(jīng)分析，在拉大板縫盡量統(tǒng)一板厚規(guī)格的同時(shí)，采用精確到0.5mm規(guī)格的板，比如原來取厚度20mm的，現(xiàn)在取厚度19.5mm，可減輕結(jié)構(gòu)重量。

圖1 折疊鉸鏈下加強(qiáng)

圖2 艙段有限元計(jì)算結(jié)果

4) 該船型帶有貨艙懸臂梁結(jié)構(gòu)，以美觀、和諧、高強(qiáng)度和節(jié)材相統(tǒng)一的設(shè)計(jì)構(gòu)思，先利用計(jì)算機(jī)作整體規(guī)劃，通過對(duì)多種方案論證，取其最佳方案后進(jìn)行具體構(gòu)件設(shè)計(jì)，以取得結(jié)構(gòu)外形美和內(nèi)在美的良好效果。

上層建筑甲板室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)艙構(gòu)架對(duì)齊，機(jī)艙強(qiáng)肋骨配置參考甲板室橫向圍壁布置，并且最多不超過4檔肋距，其次上層建筑甲板室的縱向圍壁也直接與機(jī)艙縱桁及支柱對(duì)齊，因而上下強(qiáng)構(gòu)件三維空間對(duì)齊，這種高度的構(gòu)件連續(xù)性為減少甲板室振動(dòng)起了十分重要的作用。為減少船舶振動(dòng)，羅經(jīng)甲板上的雷達(dá)桅設(shè)計(jì)和駕駛甲板艙室布置與結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)密切配合。

2.2 合理用料，節(jié)約鋼材

通過對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少用料，進(jìn)行下述幾方面的優(yōu)化：

1) 在第一貨艙雙層底結(jié)構(gòu)之間采用每根長(zhǎng)1.5m的一系列短支柱連接，大幅度減小內(nèi)底板板架跨度，從而減少了橫向強(qiáng)構(gòu)件計(jì)19.5t，增加重量?jī)H1.5t，實(shí)際節(jié)約鋼材18t，降低了用料成本，見圖3。

2) 機(jī)艙內(nèi)普通肋骨采用統(tǒng)一的、較小的球扁鋼，其端部連接采用肋骨上下貫通工藝，取消平臺(tái)甲板上肋骨肘板，既增加了平臺(tái)甲板上的有效使用面積，又節(jié)約了鋼材3.5t。

3) 該船主機(jī)為 7缸機(jī)，橫向不平衡力和不平衡力矩較小，因此主機(jī)不設(shè)橫撐和支柱，這樣節(jié)約鋼材7t。

4) 按船東要求，上層建筑甲板在規(guī)范計(jì)算基礎(chǔ)上，再增加1mm板厚，經(jīng)協(xié)商，在封閉區(qū)域的甲板板厚不增加。就此減少結(jié)構(gòu)重量10t。此外，設(shè)置整體構(gòu)造的衛(wèi)生單元30多只，省卻了周圍的封閉鋼圍壁，又減少了12t結(jié)構(gòu)重量。

2.3 便于施工與安裝

優(yōu)化船艏艉部的結(jié)構(gòu)和貨艙風(fēng)管的布置：

1) 該船艏部結(jié)構(gòu)帶有鑄鋼艏柱和鋼板球艏，由于艏吃水淺，進(jìn)水角度小，艏尖艙較狹隘，給艏柱的焊接施工帶來不便。采用了水平厚肘板和艏柱相連，使焊工的手臂和焊槍能夠伸至狹窄空間進(jìn)行焊接操作。另外采用半寬800mm艏包板，使垂直外板板縫避開近艏柱的狹窄尖角處，可方便地進(jìn)行封底焊[2]，見圖4。

2) 艉部結(jié)構(gòu)同樣有施工狹窄區(qū)，例如處于下平臺(tái)位置的甲板與外板交角極小，根本不能進(jìn)行雙面焊。若采用單面焊，因該區(qū)域振動(dòng)很大，焊縫在船舶運(yùn)行過程中很易撕裂。所以將下平臺(tái)設(shè)計(jì)成折角形，使與外板相接的平臺(tái)板能兩面施焊，不僅使施工順利進(jìn)行，而且保證了質(zhì)量，見圖5。

圖3 第一貨艙雙層底縱剖面圖

圖4 平板型艏柱結(jié)構(gòu)

圖5 艉部平臺(tái)在船側(cè)處折角示意

3) 對(duì)于采用機(jī)械通風(fēng)的貨艙風(fēng)管，往往靠近艙壁，從干舷甲板一直向下延伸到接近內(nèi)底板，而管弄風(fēng)管則一直到與內(nèi)底板接攏。該船設(shè)計(jì)中，大量的貨艙風(fēng)管均由結(jié)構(gòu)專業(yè)完成，直接安裝在船體分段結(jié)構(gòu)中，減少了大量的空間操作和機(jī)艙中密集施工的麻煩。

3 結(jié) 語(yǔ)

在該船整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，始終圍繞滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減輕結(jié)構(gòu)重量、減少船舶振動(dòng)而展開，具體歸納為：

1) 在低應(yīng)力區(qū)盡量減少鋼材用量[3]；

2) 對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行細(xì)致設(shè)計(jì)[3]；

3) 在必要的區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)[3]。

粗略估算共減少結(jié)構(gòu)重量約70t，約占全船結(jié)構(gòu)重量的1.2%， 實(shí)船建造和營(yíng)運(yùn)證明，該船滿足了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，船舶振動(dòng)以及船舶各項(xiàng)性能指標(biāo)良好。

[1] 趙耕賢. 未來十年船型優(yōu)化發(fā)展與自主創(chuàng)新[R]. 2010年上海造船工程學(xué)會(huì)年會(huì)報(bào)告，2010.

[2] 周方明，陶永宏. 國(guó)外艦船先進(jìn)制造技術(shù)—現(xiàn)代焊接技術(shù)[J]. 中外船舶科技，2008.3.

[3] 張樂山. 綠色船舶帶來的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[R]. 2010年上海世博會(huì)中國(guó)船舶科技論壇，2010.