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(上海歐得利船舶工程有限公司，上海 200023)

目前10 000 t左右的化學(xué)品船有很好的市場，上海歐得利船舶工程有限公司多艘液貨船型在液貨運(yùn)輸市場上取得了驕人的業(yè)績，受到了國內(nèi)外船東的青睞。17 500 DWT化學(xué)品船就是瑞典船東和中航鼎衡造船有限公司委托上海歐得利船舶工程有限公司設(shè)計的一款單甲板，艉機(jī)型，單機(jī)單漿船型，這也是上海歐得利船舶工程有限公司的主打船型。該船采用了一些特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，如：①貨艙區(qū)甲板骨架下翻。通常為了減少貨艙內(nèi)部特涂的工作量且方便清艙，成品油船的貨艙區(qū)甲板骨架較多采用上翻設(shè)計。但是為了方便甲板上集油盤、管道、通道等的布置，本船貨艙甲板骨架均設(shè)置在油艙內(nèi)。②貨艙橫艙壁采用水平槽型艙壁設(shè)計。槽形橫艙壁一般采用垂直槽形較多，采用水平槽型艙壁的設(shè)計不是很常見[1-2]。但是不設(shè)底墩的垂直槽形艙壁由于在艙底處呈凹凸?fàn)?，清艙時比較麻煩，水平槽形艙壁清艙的效率更高。對于中航鼎衡船廠來講，雖然在建造化學(xué)品船方面有非常豐富的經(jīng)驗，但是建造水平槽型橫艙壁也是第一次嘗試，所以在設(shè)計階段充分考慮船廠的工藝要求[3]，減小施工難度，提高鋼材利用率，盡量減低建造成本。

1 水平槽型艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 貨艙結(jié)構(gòu)布置

該船貨艙長度約為103.9 m，共有6對貨艙，其中左第6貨艙可兼做污油水艙。典型的貨艙長度為18.9 m，典型的貨艙寬度為9.95 m，典型的貨艙艙深為11.67 m，雙殼之間寬度為1.45 m，內(nèi)底高度為1.53 m。典型的貨艙寬度比貨艙艙深小，根據(jù)中國船級社(CCS)規(guī)范對槽形艙壁的尺寸要求[4]，槽形艙壁一個槽形寬度的剖面模W應(yīng)不小于下式計算所得之值。

W=Cshl2

(1)

式中：l為槽形跨距,m；h為由槽形跨距中點(diǎn)量至深艙頂?shù)拇怪本嚯x，或量至溢流管頂垂直距離的一半，取較大者，m；s為一個槽形寬度，m；C為系數(shù)，按表1規(guī)定的端部固定情況選取。

表1 C值選取

圖1 端部固定情況

槽條的模數(shù)與槽條的跨距成平方關(guān)系，從減輕結(jié)構(gòu)重量的角度來看，該船貨艙橫艙壁采用水平槽型艙壁設(shè)計是比較合理的。而貨艙長度較貨艙艙深更長，因此縱艙壁采用垂直槽型艙壁設(shè)計其槽條計算跨距更短，更有利于減輕結(jié)構(gòu)重量。典型的水平、垂直槽型橫艙壁布置見圖2。

圖2 水平、垂直槽型艙壁示意

水平槽型艙壁一端直接與內(nèi)殼縱艙壁相連，另一端與中縱垂直槽型艙壁相連。如果直接與中縱垂直槽型艙壁連接，中縱垂直槽型艙壁在水平槽型橫艙壁連接處須做成平板形式，見圖3，勢必會在連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

圖3 水平、垂直槽型艙壁直接連接示意

為了解決該連接區(qū)域的高應(yīng)力問題，使橫艙壁更好地與中縱垂直槽型艙壁連接過渡，并降低此處結(jié)構(gòu)在隔艙對角裝載工況時的應(yīng)力水平，本船設(shè)置了箱型立柱結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 箱型立柱結(jié)構(gòu)示意

箱型立柱結(jié)構(gòu)設(shè)在水平槽型橫艙壁與垂直槽型縱艙壁交接處，下與內(nèi)底相連接，上與箱型頂墩相連接，中間設(shè)置隔板與水平槽型橫艙壁腹板對齊。

箱型結(jié)構(gòu)形式的缺點(diǎn)是封閉的箱體結(jié)構(gòu)會占用貨艙艙容。而如果將箱體內(nèi)部空間與貨艙聯(lián)通，雖然保留了艙容，但是由于箱體內(nèi)部空間狹小，有洗艙死角，維護(hù)比較麻煩。經(jīng)過與船東的多次溝通、協(xié)商，船東最終也認(rèn)為這種箱型立柱結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)安全和船舶維護(hù)上考慮都是比較合理的。

水平槽形橫艙壁的底部平面部分應(yīng)與雙層底內(nèi)的實肋板對齊設(shè)置，并通過全熔焊與內(nèi)底板相連接，頂部直接與甲板焊接。垂直槽型中縱艙壁在內(nèi)底設(shè)置2個內(nèi)底縱桁與其面板對齊。因有光滑甲板的要求，采用一個箱型縱向頂墩的結(jié)構(gòu)來代替比較常見的構(gòu)件在主甲板上時的2根甲板縱桁。這個結(jié)構(gòu)也同樣存在艙容損失與洗艙不方便的問題，最終權(quán)衡利弊把這部分結(jié)構(gòu)與箱型立柱結(jié)構(gòu)合并為一體做為空艙，見圖5。

圖5 空艙示意

1.2 水平槽形艙壁槽形剖面形狀設(shè)計要點(diǎn)

1)考慮到雙層底內(nèi)與中縱垂直槽型艙壁對應(yīng)的縱桁間，甲板與中縱垂直槽型艙壁對應(yīng)的箱型頂墩及箱型立柱結(jié)構(gòu)的隔板需要開人孔以滿足永久檢修通道的要求，本船槽型艙壁的槽深應(yīng)至少控制在800 mm以上。

2)為了保證水平槽形艙壁與甲板和內(nèi)底更好的連接，水平槽形艙壁的底部與頂部必須為槽型艙壁的面板部分，且平直段最好超過0.5倍腹板寬度。

3)根據(jù)DNV規(guī)范對槽形艙壁的要求，槽條腹板和面板的夾角需大于55°。如角度介于45°和55°之間，則槽條的模數(shù)要求需提高10%。但是為了高效洗艙和避免積貨，水平槽形艙壁腹板與垂線的夾角不宜大于45°[5]。在剖面形狀設(shè)計時，需在艙壁結(jié)構(gòu)重量和洗艙效率之間取得平衡。建議將該角度控制在45°和50°之間，同時在橫艙壁使用高強(qiáng)度鋼板來減少結(jié)構(gòu)重量。

最后通過比較不同槽形的形狀來選擇最優(yōu)的方案，使得其既能滿足規(guī)范結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求又把結(jié)構(gòu)重量控制到最小。

1.3 水平槽型艙壁支撐結(jié)構(gòu)布置原則

內(nèi)殼縱壁的縱骨布置需根據(jù)水平槽形艙壁剖面形狀來確定?？紤]槽形艙壁反面加強(qiáng)，縱骨布置一般和槽形剖面形狀的相對位置見圖6，方案A、方案B所示。結(jié)合本船自身的艙壁槽型形狀，槽型的腹板角度較陡，考慮到施工的難易程度，方案A比較合理。箱型立柱結(jié)構(gòu)在水平槽型艙壁腹板的位置處設(shè)置與之對應(yīng)的隔板，對其進(jìn)行加強(qiáng)，同時考慮永久檢修通道的要求，隔板上需開600 mm×600 mm的人孔。

圖6 縱骨布置和槽形剖面形狀的相對位置示意

2 艙段有限元分析

本船入級法國BV船級社，根據(jù)船級社要求進(jìn)行有限元計算。艙段分析采用6個完整貨艙的有限元模型，中段貨艙為評估對象。由于船長小于150 m，不需要滿足CSR-H的要求[6]。三維模型的邊界條件、主要支撐構(gòu)件的載荷、應(yīng)力計算、疲勞分析均參照BV規(guī)范[7]的要求進(jìn)行。

從有限元計算分析結(jié)果來看，內(nèi)殼與內(nèi)底板交界處、橫艙壁與內(nèi)殼交界處、縱橫艙壁與箱型結(jié)構(gòu)交界處這些區(qū)域的應(yīng)力水平較高。在粗網(wǎng)格有限元分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)網(wǎng)格的有限元分析[8-9]。本船對內(nèi)殼與內(nèi)底板交界處、橫艙壁與內(nèi)殼交界處、縱橫艙壁與箱型結(jié)構(gòu)交界處做了細(xì)網(wǎng)格分析，見圖7～9。

圖7 內(nèi)殼與內(nèi)底板交界處計算分析結(jié)果

圖8 橫艙壁與內(nèi)殼交界處計算分析結(jié)果

圖9 縱橫艙壁與箱型結(jié)構(gòu)交界處計算分析結(jié)果

對于這些局部硬點(diǎn)存在的高應(yīng)力問題，通過局部嵌厚板的方式可以有效降低應(yīng)力水平，并在這些區(qū)域采用全焊透焊接。

3 與垂直槽型艙壁對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，水平槽型橫艙壁相對于垂直槽型橫艙壁主要有以下優(yōu)勢。

1)采用水平槽型橫艙壁其板厚比垂直槽型橫艙壁小。以最下一列板為例，本船板材只要14AH36，在高應(yīng)力區(qū)局部嵌入一塊18AH36的板就能滿足要求。而相似主尺度的其他船型，其垂直槽型的板厚要取到18AH36甚至20AH36。

2)為了解決在總縱彎矩作用下垂直槽型橫艙壁在主甲板，內(nèi)底變形較大、剛度不足的問題，常要在甲板、內(nèi)底增設(shè)短縱桁，而通過有限元計算發(fā)現(xiàn)水平槽型橫艙壁在甲板和內(nèi)底無需增設(shè)短縱桁，且對水平槽型起加強(qiáng)作用的邊壓載艙也無需增設(shè)短縱桁，都能夠滿足強(qiáng)度的要求。

3)在板縫劃分上水平槽型橫艙壁比垂直槽型橫艙壁有優(yōu)勢，因工藝的要求和考慮到焊縫的受彎等不利影響，一般垂直槽型橫艙壁只劃了一道水平板縫，而水平槽型橫艙壁可以在不同高度劃多道板縫，這樣就可以根據(jù)高度方向的載荷不同取不同的板厚。這3個優(yōu)勢對于減小橫艙壁的結(jié)構(gòu)重量都是非常有利的。

4 結(jié)論

對于貨艙寬度小于貨艙深度的船型，采用水平槽形橫艙壁設(shè)計其結(jié)構(gòu)重量更輕，洗艙效果更好。采用箱型立柱結(jié)構(gòu)作為水平槽形橫艙壁和垂直槽形縱艙壁的連接結(jié)構(gòu)，可以起到有效支撐槽形艙壁的作用。合理設(shè)計的水平槽形橫艙壁可以達(dá)到優(yōu)化船舶性能的目的。通過對本船的水平槽型橫艙壁結(jié)構(gòu)設(shè)計的介紹，希望能給業(yè)界同仁提供一些參考與借鑒。