邱偉強(qiáng) 李文華 謝小龍

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著船舶設(shè)計(jì)規(guī)范的不斷更新和EEDI（能效設(shè)計(jì)指數(shù)）的強(qiáng)制實(shí)施，商用運(yùn)輸船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性提升且面臨的減重壓力越來(lái)越大。新規(guī)范的宗旨是建造更安全、更牢固的新船，如果不進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，新造船舶的空船結(jié)構(gòu)質(zhì)量普遍比同尺度的同類船舶重2%～12%；而EEDI的實(shí)施意味著要求船舶在保證載重量的同時(shí),盡可能減輕空船質(zhì)量、優(yōu)化船體型線、減小船舶油耗。凡此種種無(wú)不對(duì)船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)能力、船舶結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制提出了很高的要求［1］。

船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的歷史由來(lái)已久，但由于商用運(yùn)輸船的貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)質(zhì)量往往占空船結(jié)構(gòu)質(zhì)量的70%以上，所以以往結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)一般是在貨艙區(qū)。而首、尾區(qū)域設(shè)計(jì)者往往會(huì)參考母型船的設(shè)計(jì)思路留取較大的強(qiáng)度裕度。但EEDI的強(qiáng)制實(shí)施和商用運(yùn)輸船市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者面臨很大的減重壓力，以至于不得不將首、尾部結(jié)構(gòu)也作為減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要控制區(qū)域。

本文主要針對(duì)目前一種已經(jīng)較為普遍采用的新式輕型尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討，分別進(jìn)行規(guī)范計(jì)算、整體撓度分析和模態(tài)分析，比較它與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式之間的差別和優(yōu)劣，給出這種輕型尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的注意要點(diǎn)，為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)這種輕型尾部結(jié)構(gòu)時(shí)提供參考。

本文所指的輕型尾部結(jié)構(gòu)主要是指尾尖艙艙壁之后、尾尖艙及其以上區(qū)域結(jié)構(gòu)。尾柱附近結(jié)構(gòu)由于規(guī)范中有很嚴(yán)格的尺寸及布置要求，不在本文的討論范圍之內(nèi)。

1 輕型尾部結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的比較

總結(jié)近幾年出現(xiàn)的輕型尾部結(jié)構(gòu)，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）除了特殊加強(qiáng)的掛舵臂所在區(qū)域和螺旋槳葉梢正上方的附近區(qū)域采用每檔設(shè)置的重型肋板加強(qiáng)之外，其余的非強(qiáng)框區(qū)域采用普通肋骨或者普通縱骨的加強(qiáng)方式，尾部結(jié)構(gòu)質(zhì)量大為減輕；

（2）縱向非水密艙壁、底縱桁較之以往設(shè)計(jì)略多，且盡量與機(jī)艙區(qū)域縱艙壁或者縱桁前后對(duì)齊和連接；

（3）即使是在螺旋槳上方區(qū)域的尾尖艙底部結(jié)構(gòu)也較少采用“蜂窩狀”的加強(qiáng)方式；

（4）尾部區(qū)域的肋距不宜過(guò)小，以避免重型實(shí)肋板之間的間距太小影響施工和通道空間，但一般也不宜超過(guò)800 mm，這影響到控制尾部的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

與之相對(duì)應(yīng)，以往設(shè)計(jì)的尾部結(jié)構(gòu)不具備以上幾個(gè)典型特征。事實(shí)上，近年來(lái)設(shè)計(jì)的很多運(yùn)輸船的尾部結(jié)構(gòu)兼具輕型尾部結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)尾部結(jié)構(gòu)的部分特點(diǎn)。傳統(tǒng)尾部結(jié)構(gòu)典型橫剖面的樣式參見(jiàn)圖1（a）和圖1（b）；輕型尾部結(jié)構(gòu)典型橫剖面的樣式參見(jiàn)圖2（a）和圖2（b）。

圖1

圖2

2 尾部結(jié)構(gòu)輕型設(shè)計(jì)的思路

本節(jié)中將探討以下問(wèn)題：設(shè)計(jì)輕型尾部結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)注意哪些問(wèn)題？它的整體剛度、整體模態(tài)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式相比有哪些差別？

2.1 描述性規(guī)定要求

尾部區(qū)域的大部分構(gòu)件尺寸是由入級(jí)船級(jí)社規(guī)范規(guī)定的常規(guī)設(shè)計(jì)載荷工況所決定。此外還要考慮螺旋槳激振力和尾部砰擊載荷的影響。另外，由于尾部結(jié)構(gòu)需要為舵和尾軸提供剛性很大的支撐，因此必須考慮尾部整體和局部的撓度控制，以保證舵和主機(jī)軸系工作時(shí)不受船體變形的影響；同時(shí)需要考慮尾部的整體振動(dòng)自然頻率（尤其是一階垂向振動(dòng)）與主要激振頻率錯(cuò)開(kāi)。

雖然在包括共同規(guī)范在內(nèi)的多數(shù)規(guī)范中，沒(méi)有考慮螺旋槳激振力和尾部砰擊載荷對(duì)于尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，但傳統(tǒng)的尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式已經(jīng)較保守地考慮這兩方面的影響；在設(shè)計(jì)輕型尾部結(jié)構(gòu)時(shí)，上述兩種載荷將是決定尾部外板及其加強(qiáng)構(gòu)件的主要影響因素。螺旋槳激振力通常被認(rèn)為是振動(dòng)力學(xué)的范疇，在正式發(fā)布的船級(jí)社規(guī)范中幾乎未被涉及，僅在少數(shù)船級(jí)社的指導(dǎo)性文件中有些簡(jiǎn)單介紹。此載荷雖然是尾部振動(dòng)的主要激勵(lì)，但脈動(dòng)壓力本身的幅值并不大，不能用于計(jì)算尾部的整體最大撓度；但在采用輕型尾部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式時(shí)，需要考慮在螺旋槳脈動(dòng)壓力作用下尾部外板縱骨或者肋骨的疲勞強(qiáng)度。船體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度校核一般是依據(jù)Miner線性累積損傷理論以及S-N曲線來(lái)進(jìn)行，在共同規(guī)范及各船級(jí)社出版的指導(dǎo)性文件中都有詳細(xì)闡述，限于篇幅，此處不再闡述。

而對(duì)尾部砰擊載荷的考慮，最早出現(xiàn)在GL規(guī)范中［2］，近兩年的DNV規(guī)范中也有所涉及［3］，其計(jì)算公式與首部的底部砰擊載荷相似。當(dāng)所入級(jí)的船級(jí)社沒(méi)有關(guān)于尾部砰擊載荷的定義時(shí)，推薦參考2011年及以后發(fā)布的DNV規(guī)范第3部分第1章第7節(jié)的規(guī)定，具體規(guī)范內(nèi)容此處也不再贅述。

尾部結(jié)構(gòu)的局部支撐構(gòu)件及主要支撐構(gòu)件尺度計(jì)算公式、最小厚度要求與其他區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求差異不大，此處不再贅述。多數(shù)規(guī)范對(duì)于舵機(jī)、重型甲板機(jī)械、掛舵臂區(qū)域的構(gòu)件尺寸有適度加強(qiáng)的要求。尤其是對(duì)于掛舵臂附件的結(jié)構(gòu)尺寸，部分規(guī)范給出了比較明確的板厚下限。此外，油船共同規(guī)范對(duì)于尾尖艙實(shí)肋板和桁材上扶強(qiáng)材的細(xì)長(zhǎng)比、散貨船共同規(guī)范對(duì)于掛舵臂附近區(qū)域的強(qiáng)框間距設(shè)置均有較為嚴(yán)格的要求，需要設(shè)計(jì)者特別注意。

2.2 有限元法整體撓度分析和模態(tài)分析

尾部的底部砰擊載荷雖然幅值較常規(guī)的波浪動(dòng)載荷更大，但是由于底部砰擊發(fā)生時(shí)的時(shí)歷極短，而且砰擊區(qū)域僅限于瞬間船體底部與水面接觸的部分，范圍較小，不適用于整個(gè)尾部的撓度分析，所以本文在尾部整體撓度分析時(shí)，在船體結(jié)構(gòu)上所施加的載荷為常規(guī)波浪動(dòng)載荷及靜載荷。

對(duì)尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體模態(tài)分析主要目的是與螺旋槳及主機(jī)激振頻率錯(cuò)開(kāi)，主要計(jì)算方法分為兩種：經(jīng)驗(yàn)公式估算法和有限元法。關(guān)于尾部振動(dòng)自然模態(tài)的經(jīng)驗(yàn)估算公式方面的國(guó)內(nèi)外研究尚不多，在實(shí)船設(shè)計(jì)中大多采用有限元法。如果采用有限元法估算尾部整體振動(dòng)自然模態(tài)，邊界條件的選取很重要。由于尾部結(jié)構(gòu)與機(jī)艙結(jié)構(gòu)緊密連接，且緊鄰機(jī)艙棚結(jié)構(gòu)，因此為保證計(jì)算的精度，通常需要將整個(gè)機(jī)艙、上層建筑、機(jī)艙棚及煙囪結(jié)構(gòu)等一并建模。本節(jié)介紹的兩個(gè)船型尾部最大撓度計(jì)算和模態(tài)分析有限元模型均采用了這一建模原則，模型邊界取在機(jī)艙前端壁之前至少4個(gè)強(qiáng)框間距處，在邊界處的邊界條件取為簡(jiǎn)支［4］。

表1中列出了某8萬(wàn)噸級(jí)散貨船和某萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船的尾部結(jié)構(gòu)分別采用傳統(tǒng)尾部結(jié)構(gòu)形式［如圖1（a）和圖1（b）所示］和輕型尾部結(jié)構(gòu)形式［如圖2（a）和圖2（b）所示］時(shí)的尾部區(qū)域有限元模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)（不含尾尖艙橫艙壁及掛舵臂）、在規(guī)范設(shè)計(jì)載荷下尾封板相對(duì)于尾尖艙艙壁的最大垂向剪切撓度以及一階垂向振動(dòng)頻率分析結(jié)果。

表1 某8萬(wàn)噸級(jí)散貨船和某萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船尾部結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計(jì)方式下的重要參數(shù)比較

由表1可以看出，采用輕型尾部結(jié)構(gòu)形式之后的尾部結(jié)構(gòu)質(zhì)量比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式輕10%左右；而在代表著尾部結(jié)構(gòu)整體剛度的尾封板處的最大相對(duì)位移反而比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式略??；模態(tài)分析的結(jié)果也表明，采用輕型尾部結(jié)構(gòu)形式之后的尾部結(jié)構(gòu)振動(dòng)自然頻率與傳統(tǒng)模式相比差異也不大。萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船尾部結(jié)構(gòu)在采用了輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式之后，由于取消大量的實(shí)肋板結(jié)構(gòu)，橫向剛度有所減弱，導(dǎo)致一階垂向振動(dòng)頻率有所下降，但在主機(jī)和螺旋槳激勵(lì)載荷作用下的振動(dòng)響應(yīng)反而更小，這主要因?yàn)榇俗匀活l率與實(shí)船的螺旋槳激勵(lì)頻率錯(cuò)開(kāi)更多。

輕型尾部結(jié)構(gòu)形式之所以能以更少材料換取更強(qiáng)的整體剛度的主要原因在于其第2個(gè)特點(diǎn)“縱向非水密艙壁、底縱桁較之以往設(shè)計(jì)略多，且盡量與機(jī)艙區(qū)域縱艙壁或者底縱桁連接”。因?yàn)閺奈膊總?cè)影圖和中縱剖面圖均可以看出，由于尾部線型設(shè)計(jì)的原因，在尾尖艙艙壁后、螺旋槳之前的一段區(qū)域內(nèi)船體結(jié)構(gòu)的垂向抗剪面積和慣性矩急劇減小，由于相對(duì)垂向剛度的突變，整個(gè)尾部區(qū)域可以視為在線型剖面突變處剛性固定，如圖3所示。

圖3中：l1為舵及掛舵臂重心距尾懸臂梁根部的距離；l2為水線面與尾部中縱剖面交點(diǎn)距尾懸臂梁根部的距離；d1為尾封板處的剖面高度；d為尾懸臂梁跨距中點(diǎn)處的剖面高度。

由于該懸臂梁的長(zhǎng)度相對(duì)于梁腹板高度而言并不大，呈現(xiàn)典型的高腹板梁特征，所以不能僅以常規(guī)的、基于彎矩積分的方式計(jì)算其最大撓度，剪切撓度在整個(gè)總撓度中所占比例甚至超過(guò)了彎曲撓度。

圖3 尾部懸臂梁計(jì)算模型簡(jiǎn)化及參數(shù)定義

首先來(lái)計(jì)算尾端最大的彎曲撓度，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)［5］基本定義，假定X軸指向船尾方向，Y軸垂直向上，則作用在任意剖面的彎矩M(x)與撓度y(x)之間具有以下關(guān)系：

式中：E為材料彈性模量；I(x)為船體剖面慣性矩；M(x)為船體剖面彎矩。

假定在外板線型突變處的垂向撓度為0，則可以得到在尾部任意一點(diǎn)的彎曲撓度方程：

假定整個(gè)尾部所承受的載荷為均布載荷Q，且剖面慣性矩在整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)保持不變，則在尾端的最大的彎曲撓度可以計(jì)算求得

其次，計(jì)算尾端最大的剪切撓度，根據(jù)剪切功與剪切撓度相同的條件，可以求得尾部的剪切撓度方程：

式中：G為剪切彈性模量；N(x)為船體剖面垂向剪力；A(x)為船體剖面有效剪切面積。

假定各剖面有效剪切面積在整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)保持不變表示為AS，則在尾端的最大的剪切撓度可以計(jì)算得到

根據(jù)以上假定，且已知鋼材的彈性模量、剪切模量和泊松比之間存在以下比例關(guān)系對(duì)于鋼材而言μ=0.3，則可以求得最大彎曲撓度和最大剪切撓度之比為：

由此可見(jiàn)，由于承載長(zhǎng)度對(duì)于這個(gè)比例關(guān)系的影響非常大，導(dǎo)致對(duì)于傳統(tǒng)的船體梁而言，彎曲撓度比剪切撓度所占成分要大得多；但對(duì)于尾部結(jié)構(gòu)，由于線型突變的懸臂部分長(zhǎng)度相對(duì)于高度則較短，剪切撓度一般遠(yuǎn)大于彎曲撓度，所以除了大型集裝箱船外，對(duì)于大多數(shù)運(yùn)輸船，此處的彎曲撓度不到剪切撓度的40%。

由以上推論也可以看出，對(duì)于尾部結(jié)構(gòu)，剖面有效剪切面積尤其是在螺旋槳上方型線突變處的船體結(jié)構(gòu)有效剪切面積將直接影響到整個(gè)尾部的剛度，進(jìn)而影響到尾部的自由振動(dòng)整體模態(tài)。

2.3 經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算尾部一階垂向振動(dòng)頻率

在實(shí)船設(shè)計(jì)的開(kāi)始階段，通常沒(méi)有充分條件用有限元法對(duì)尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，此時(shí)可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行評(píng)估。尾部整體自由振動(dòng)的頻率評(píng)估公式可參見(jiàn)文獻(xiàn)［6］，如式（5）所示。

根據(jù)式（5），當(dāng)線型、質(zhì)量分布、尾部懸臂梁的計(jì)算長(zhǎng)度已知時(shí)，主要決定尾部整體自由振動(dòng)頻率的是其有效剪切面積。

式中:Kb為彎曲撓度對(duì)于頻率的影響系數(shù)，見(jiàn)圖4所示；

Kv為尾部剖面變化對(duì)于頻率的影響系數(shù)，見(jiàn)圖5所示；

qH為單位長(zhǎng)度的尾部結(jié)構(gòu)質(zhì)量（含舾裝件）；

圖4 彎曲撓度影響系數(shù)

圖5 尾部剖面變化影響系數(shù)

圖6 舵及掛舵臂質(zhì)量的等效系數(shù)

圖7 附連水質(zhì)量等效系數(shù)CW

關(guān)于尾部懸臂梁中點(diǎn)處的有效剪切面積的計(jì)算方法，至今沒(méi)有文獻(xiàn)專門研究，本文參考了上層建筑參與總縱強(qiáng)度有效度的計(jì)算公式來(lái)尋求一種工程上可以接受的有效度計(jì)算方法。眾所周知，在校核總縱剪切強(qiáng)度時(shí)，不能將剖面內(nèi)的所有縱向構(gòu)件均考慮計(jì)入有效剪切面積：縱向延伸長(zhǎng)度較短的那些縱壁和平臺(tái)在靠近首尾的末端區(qū)域不會(huì)全部參與剪切強(qiáng)度。對(duì)于尾部結(jié)構(gòu)而言也是如此，并非位于橫截面上所有縱向強(qiáng)力構(gòu)件均可計(jì)入有效剪切面積，而應(yīng)根據(jù)其延伸長(zhǎng)度、邊界條件等進(jìn)行折減，折減系數(shù)的取值是本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容。由于尾部縱向強(qiáng)力構(gòu)件在尾尖艙壁邊界條件復(fù)雜多變，較難以理論解的形式描述，本文將采用有限元驗(yàn)證的方法初步統(tǒng)計(jì)3條船尾部非連續(xù)尾尖艙縱向強(qiáng)力構(gòu)件參與剪切強(qiáng)度的有效度，并加以總結(jié)。

具體的分析方法是：分別以有限元法計(jì)算3條運(yùn)輸船在尾尖艙壁分別以有/無(wú)非連續(xù)縱向強(qiáng)力構(gòu)件時(shí)在設(shè)計(jì)垂向載荷作用下的最大垂向撓度；并與尾尖艙內(nèi)的強(qiáng)力縱向構(gòu)件在機(jī)艙內(nèi)延伸足夠縱向長(zhǎng)度時(shí)的最大撓度，以及這些非連續(xù)縱向強(qiáng)力構(gòu)件全部參與剪切強(qiáng)度時(shí)的剪切撓度理論解之間相比較，可以近似得出在這3條船的尾尖艙非連續(xù)縱向強(qiáng)力構(gòu)件參與局部剪切強(qiáng)度的有效度。另外，需要注意的是，有限元法得到的最大垂向撓度包含了較小成分的懸臂梁彎曲撓度，雖然對(duì)于高腹板短梁而言，彎曲撓度所占總撓度比例較小，但仍不能完全忽略不計(jì)。

尾部設(shè)置多道非連續(xù)縱向強(qiáng)力構(gòu)件時(shí)的最大垂向撓度記做yshear|discon，尾部不設(shè)置縱向強(qiáng)力構(gòu)件時(shí)的最大垂向撓度記做yshear|non_LBHD，尾部設(shè)置多道縱向延續(xù)足夠長(zhǎng)度的縱向強(qiáng)力構(gòu)件時(shí)的最大垂向撓度記做yshear|con，尾部設(shè)置多道縱向連續(xù)縱向強(qiáng)力構(gòu)件時(shí)的最大垂向撓度理論解記做yshear|con_theory。

非連續(xù)縱向強(qiáng)力構(gòu)件參與局部剪切強(qiáng)度的有效度記做Δef_disconLBHD，其計(jì)算方法為：

此有效度的計(jì)算方法是參考上層建筑參與總縱強(qiáng)度有效度的計(jì)算方法；不同點(diǎn)在于以位移來(lái)代替應(yīng)力作為比較時(shí)的輸入?yún)?shù)。具體計(jì)算結(jié)果分別如表2所示。

從非連續(xù)縱向強(qiáng)力構(gòu)件參與局部剪切強(qiáng)度的有效度結(jié)果來(lái)看，11萬(wàn)噸油船略高，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之初就盡量要求機(jī)艙圍壁部分對(duì)齊尾尖艙縱壁，縱艙壁連續(xù)性稍好；而萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船縱向強(qiáng)力構(gòu)件參與局部剪切強(qiáng)度的有效度最差，這是由于布置性原因，箱船的尾部的縱向圍壁（或底縱桁）前后連續(xù)性無(wú)法保證。

表2 3條運(yùn)輸船在尾尖艙艙壁處的非連續(xù)縱向強(qiáng)力構(gòu)件參與局部剪切強(qiáng)度的有效度

yshear|con_theory總是小于yshear|con的原因是：有限元計(jì)算時(shí)計(jì)及了彎曲撓度的影響；理論計(jì)算時(shí)基于剖面在承載長(zhǎng)度方向剪切面積基本不變的假設(shè)實(shí)際不成立,以及船體結(jié)構(gòu)形成多個(gè)閉合剖面的薄壁梁形狀后剪流分布與理論計(jì)算時(shí)的剪流分布有些出入；尤其是對(duì)于萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船而言，尾部區(qū)域的彎曲撓度占總撓度的比例較大，且該船型尾部縱向圍壁（或底縱桁）受到集裝箱布置的限制造成連續(xù)性不好。

由表2可見(jiàn)，已經(jīng)統(tǒng)計(jì)的3條船在尾尖艙非連續(xù)縱向強(qiáng)力構(gòu)件參與局部剪切強(qiáng)度的有效度在38.8%～61.5% 之間，說(shuō)明這些承剪縱向強(qiáng)力構(gòu)件既不能忽略，也不能全部計(jì)入有效剪切面積，在初期設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮為50%。

2.4 經(jīng)驗(yàn)公式法與有限元法計(jì)算尾部一階垂向振動(dòng)頻率的結(jié)果比較

在尾部縱向強(qiáng)力構(gòu)件的有效剪切面積得到修正之后，就可以通過(guò)本文第2節(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算尾部一階垂向振動(dòng)自然頻率，并與有限元法的計(jì)算結(jié)果相比較。以某8萬(wàn)噸級(jí)散貨船、11萬(wàn)噸級(jí)油船和某萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船的尾部結(jié)構(gòu)為例，其比較結(jié)果參見(jiàn)表3。

表3 經(jīng)驗(yàn)公式法與有限元法計(jì)算尾部一階垂向振動(dòng)頻率的結(jié)果比較

由表3可見(jiàn)，3艘船尾部一階垂向振動(dòng)模態(tài)的經(jīng)驗(yàn)公式方法預(yù)估值與有限元法計(jì)算值相差不多，在工程上可以接受；其中尾懸臂梁中點(diǎn)處有效剪切面積的計(jì)算結(jié)果對(duì)于最終計(jì)算結(jié)果有一定的影響，在代入經(jīng)驗(yàn)公式之前應(yīng)當(dāng)預(yù)先考慮。

從上表也可以看出，不管是采用哪種計(jì)算方法，3艘船的尾部一階垂向振動(dòng)頻率均與螺旋槳激振頻率錯(cuò)開(kāi)20%以上，滿足避免共振的頻率儲(chǔ)備要求。

3 輕型尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

本文針對(duì)多型運(yùn)輸船的尾部結(jié)構(gòu)分別采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和輕型設(shè)計(jì)方式進(jìn)行質(zhì)量、剛度和模態(tài)比較，可以得出以下結(jié)論:

（1）除了根據(jù)規(guī)范的要求，在掛舵臂、舵機(jī)及尾軸附近區(qū)域設(shè)置必不可少的實(shí)肋板結(jié)構(gòu)外，輕型尾部結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)尾部結(jié)構(gòu)的實(shí)肋板大為減少，且較少采用“蜂窩狀”肋板加強(qiáng)方式，從而在整體質(zhì)量和建造工藝方面大為節(jié)省。

（2）輕型尾部結(jié)構(gòu)的肋距為了施工方便一般設(shè)置偏大，但也不宜超過(guò)800 mm。

（3）由于多數(shù)運(yùn)輸船的尾部結(jié)構(gòu)可以近似簡(jiǎn)化為高腹板、短跨距的懸臂梁結(jié)構(gòu)，此時(shí)懸臂梁的剪切撓度一般遠(yuǎn)大于彎曲撓度，因此控制尾部整體剛度的主要控制因素是設(shè)置較多連續(xù)性較好的縱向強(qiáng)力承剪構(gòu)件、且盡量向機(jī)艙內(nèi)多延伸一段距離，在輕型尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要格外注意。

（4）除超大型集裝箱船外，一般運(yùn)輸船尾部結(jié)構(gòu)的橫向半寬相對(duì)于縱向跨距并不大，且尾部一般設(shè)置較強(qiáng)的橫向強(qiáng)框結(jié)構(gòu)，因此舷側(cè)最遠(yuǎn)點(diǎn)的橫向剪切撓度一般遠(yuǎn)小于尾封板處的縱向垂向剪切撓度。從整體剛度控制的角度，在尾部每檔設(shè)置實(shí)肋板的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式有些偏于保守。

（5）采用輕型尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式時(shí)，除關(guān)注常規(guī)波浪動(dòng)載荷外，還應(yīng)依據(jù)尾部砰擊載荷計(jì)算尾部外板及外板板架的局部強(qiáng)度，并考慮螺旋槳脈動(dòng)壓力對(duì)于外板肋骨（或縱骨）端部節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度的影響。

（6）設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體船型特點(diǎn)、尾部整體外形特點(diǎn)、船廠建造工藝等條件，靈活選擇縱骨架式或者橫骨架式作為輕型尾部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式。

（7）在設(shè)計(jì)之初采用經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算尾部的一階垂向振動(dòng)自然模態(tài)，以錯(cuò)開(kāi)螺旋槳激振頻率，計(jì)算精度可以保證，但要重點(diǎn)關(guān)注尾懸臂梁中點(diǎn)處有效剪切面積的計(jì)算。

4 結(jié) 論

船舶尾部結(jié)構(gòu)雖然靠近振源，但是如果尾部外板、外板肋骨（或縱骨）設(shè)計(jì)時(shí)均考慮到尾部砰擊載荷、螺旋槳脈動(dòng)壓力的影響并采取一定的避振措施，則可以設(shè)計(jì)出質(zhì)量輕、工藝少、剛度強(qiáng)的輕型尾部結(jié)構(gòu)。

另外，近年來(lái)在一些干舷較為富裕的船舶尾部區(qū)域出現(xiàn)一種階梯型甲板設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是：在機(jī)艙后端壁處尾部上甲板與機(jī)艙上甲板前后不連續(xù)，而是設(shè)計(jì)成向下沉降的階梯型，以進(jìn)一步減輕舷側(cè)外板及其附屬構(gòu)件的質(zhì)量，這是輕型尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)新思路。但由于垂向承剪面積較小，此類輕型尾部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更應(yīng)該注意撓度控制以及與主要激勵(lì)頻率的錯(cuò)頻設(shè)計(jì)。不管何種形式的尾部結(jié)構(gòu)輕型設(shè)計(jì)方式，除了常規(guī)計(jì)算載荷之外，均需考慮尾部砰擊載荷和螺旋槳激振力的影響、掛舵臂及尾軸附近剛度要求等，這樣才能在較大幅度地減輕尾部結(jié)構(gòu)質(zhì)量和節(jié)省工藝的同時(shí)，保證尾部結(jié)構(gòu)的安全性以及重要設(shè)備對(duì)變形控制和防振設(shè)計(jì)的要求，從而實(shí)現(xiàn)尾部結(jié)構(gòu)安全、合理的輕量化設(shè)計(jì)。

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