64000DWT散货船结构设计分析

王艳春，周 妍

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

64000DWT散货船结构设计分析

王艳春，周 妍

(上海船舶研究设计院，上海 201203)

随着一方面船东对装货量要求的不断提高，另一方面由于散货船共同结构规范(CSR)的实行，规范对强度要求越来越高，因此，结构布置和设计需更加合理，才能在保证船舶强度的情况下，空船重量更轻，载货量越多。以64 000 DWT散货船为研究对象，对其结构设计要点进行分析，包括合理的结构布置、强度分析、振动分析和重量控制。

散货船；结构设计；结构强度

1 船舶主要量度

64 000 DWT散货船是新一代灵便型海豚系列散货船，入级LR、DNV、NK、BV、GL等船级社。目前，首批64 000 DWT散货船已顺利交船并投入使用。根据该船安装的主机的不同推出2款设计：“S”型机64 000 DWT和“G”型机64 000 DWT。两型主要量度一致，都具备更加节能、环保和经济效益高等特点，但“G”型机主机较大，因而相比“S”型机机舱加大，5号货舱有所减小。该船的主尺度为：

计算船长

192.035 m

垂线间长

194.50 m

型宽

32.26 m

型深

18.50 m

方型系数

0.89

服务航速

14.4 kn

2 结构布置

64 000 DWT散货船总布置图如图1所示。该船有5个货舱，1号、3号、5号舱为重货舱，2号、4号舱为轻货舱，3号舱为重压载舱。设计初期，为便于舱盖统一制造，首先考虑能使舱口开口大小一致，因而除1号舱外，其余舱口开口的尺寸一致为22 960 mm×18 260 mm。另外，由于船东要求将抓斗放置于甲板条间围屋顶上，甲板条的宽度在保证能安放抓斗围屋的情况下必须注意舱盖开关的可操作性，特别是端铰链处要留有一定的空隙。设计时还应保证各舱装货量的情况下各货舱分布应使弯距剪力最小化。64 000 DWT散货船顶边舱6档为一强框，底边舱3档为一强框，舱壁设置尽量位于顶边舱和底边舱强框处，以免增加强框数量。由于主机较大，为了尽量不减少5号舱容积，机舱前端壁采用了倾斜设计，下端为倾斜舱壁以加大机舱容积，二甲板以上为垂直舱壁以加大货舱容积。对于作为压载舱的底边舱和顶边舱，为了减少系统设备上下通过管弄进行了连接。横舱壁下的底墩在散货船中一般都作为空舱，为了满足总体压载要求底墩作了压载舱。另外，所有底墩都朝艏部，但3号舱前端舱壁的底墩朝艉部，这是因为3号舱载荷大，为了减小其跨距，底墩必须朝向3号舱布置。在机舱和艏部设计中，常规都采用横骨架。对于纵横骨架形式作了反复比较后发现纵骨架结构重量更轻，更容易满足总纵强度。基于机舱首部线型不是很突兀，采用纵骨架对船厂施工不会产生不便，综合考虑后采用了非常规的纵骨架形式。

3 强度设计

3.1设计弯距和剪力的确定

首先在设计初期，总体参考现有母型船并跟据64 000 DWT散货船的实际预估重量，重量分布，以及载货工况要求得到一个大致的弯距和剪力进行结构设计。由于空船重量等的不确定性，因而前期空船重量重心的预估准确性尤为重要，这将决定弯距和剪力值的准确性。由于64 000 DWT散货船与母型船差别比较大，空船重量预估不是很有把握，给出的弯距和剪力不是很精准，在实际设计中对弯距和剪力设计值需留有一定的余量值。余量的大小可根据对该船实际把控力进行调节，若觉得对重量重心等比较有把握就可少留一点余量，但余量留太少，一旦完工后实际弯距和剪力值超过设计值会很麻烦，相关强度可能都需重新校核。设计时所留余量越多，结构重量就会越重，实际弯距和剪力值就会变大，设计值就会越难满足实际值，就可能会形成一个恶性循环，因而准确预估空船重量重心和计算弯距剪力是设计好该船的前提。需提供的弯距和剪力值包括完整工况、进水工况、港口工况这3种工况下的最大中拱、中垂弯距和剪力。以往结构设计时，弯距和剪力在0.4L(船长)区域内统一取该区域最大值。为了减轻重量，64 000 DWT散货船实行精细化设计，弯矩、剪力则根据实际每一处弯矩剪力曲线值作为设计值。64 000 DWT散货船弯距包络线见图2。

图1 64 000 DWT散货船总布置图

图2 64 000 DWT散货船弯距包络线

3.2许用MH和MHD的确定

由于实船的重量可能比预估的重量要轻，意味着就可多装货，因而在结构设计时对总体提供的最大吃水下均质最大载货量MH和间隔最大载货量MHD应预留一定余量。各舱可按其百分比预留，预留后总量与本船可能做轻总重量相当。

3.3各压载舱压头确定

64 000 DWT散货船压载舱压力的确定应根据压载水的交换方式。由于排空法和溢流法这2种方式的压力计算方法不同，因而需根据总体的破舱要求和轮机空气管设置位置确定空气管高度，同时也要考虑空气管的可安放性。在考虑这些因素时尽量降低空气管高度，以减少压载舱的压力。该散货船原始设计为排空法，后续船因船东要求改为溢流法。

3.4局部强度的精细化设计

(1)垫墩数量的选取。因为该船拟载钢卷筒，船底设计时，需要考虑垫墩的数量对双层底板和纵骨的影响。经过比较发现，设置3个垫墩比5个垫墩的内底板的板厚会增加1 mm，但纵骨取值相同；而采用6个垫墩内底板的板厚不会减少,因而建议船东采用5个垫墩。

(2)货舱肋骨设计。由于在校核肋骨时，除了3号舱，其余舱肋骨大小基本由完整工况下剪力引起的侧向曲屈决定，因此，在设计肋骨前最好根据进水工况下的剪力先确定外板厚度。由于靠近舱壁剪力越大，外板板厚越厚，因而增加了肋骨的带板厚度。

(3)底墩作为压载舱的处理。对于底墩，一般设计时作为空舱处理，本船将它设计为压载舱。对于底墩改为压载舱的结构强度校核、板厚腐蚀的选取以及其他细节的处理，规范并没有明确的规定。经过与底边舱等常规结构的比较以及查询国际船级社协会(IACS)网站的相关解释，认为由于压载舱海水温度相较空气低，因而作为压载舱的腐蚀可比作为空舱减少1.5 mm。起初也有船东提出异议，但通过合理的解释最终得到了船东和船检的确认。

4 有限元强度计算

对于五舱段散货船，一般只对中间三舱段进行分析，其余两舱的结构尺寸参考中间舱段，这样易使有些位置会有较大余量。为了更加精确的设计64 000 DWT散货船，对1号、5号舱结构进行有限元计算，这就要求把机舱和首部结构也建入模型中。1号舱和5号舱模型分别如图3、图4所示。

图3 1号货舱模型

图4 5号货舱模型

另外，大多数散货船克令吊桶体与围屋相连，会使围屋板厚大幅度加厚，同时桶体插入甲板直至顶墩底板。为了精简结构，64 000 DWT散货船尝试克令吊桶体完全独立于围屋，并将克令吊桶体只嵌入>800mm高度，经有限元校核完全满足强度要求。克令吊桶体有限元模型如图5所示。

图5 克令吊桶体有限元模型

5 振动

为减少振动，在设计时应尽量使船体结构强度均衡，机舱尾部甲板下的围壁和支柱对齐布置。在该船设计时,进行了全船有限元振动计算。计算结果显示，G型主机的机舱和雷达桅都有较大振动。对此，修改了雷达桅的形式，同时将机舱单边横撑改为双边横撑，左边增加两主机横撑，并对其结构作了相应加强。改进后，计算结果显示在螺旋桨最大工况(MCR)下，机舱、上层建筑和艉部在满载和压载工况下的振动响应满足ISO相关振动标准要求。已投入使用的64 000 DWT散货船，经测定振动也完全符合ISO振动标准。

6 结语

散货船是航运中需求量较大的船型，一款好的船型往往被批量制造。结构设计时在满足强度要求情况下减少一吨船体重量就能增加一吨载货量，几百条船就能增加几百吨载货量，可为船东获取到较大的经济利益。散货船是比较成熟的船型，很难有大的突破，但在细节设计上应该精益求精。通过对64 000 DWT散货船结构的简单介绍，希望能对以后相似船型的设计提供一定的参考作用。

[1]邹春平，陈端石，华宏星.船舶结构振动特性研究[J].船舶力学， 2003(2)：102-115.

2014-09-22

王艳春(1975-)，女，高级工程师，主要从事船舶结构研究设计；周妍(1982-)，女，工程师，主要从事船舶总体研究设计。

U661.42

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