8400 DWT单货舱多用途重吊船结构设计

2018-02-18顾斌斌

船舶设计通讯 2018年2期

关键词：限位器多用途货舱

黄茜顾斌斌陆鼎

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

多用途船是进入20世纪60年代以后，世界各主要造船国家竞相发展起来的一种设计建造难度较大的高技术、高附加值的船型。目前，多用途船力求向广泛多用性方向发展。根据其载运能力分析，目前建造的多用途船主要可以划分成4类：

1）以载运集装箱为主的多用途船；

2）以运输重大件、特长件为主的多用途船；

3）兼运集装箱及重件货的多用途船；

4）兼运集装箱及重货、滚装货的多用途船。

1 船型概述

8400 DWT多用途船是一艘单机单桨、低速柴油机驱动的大型多用途重吊船，适合全球航行。该船揽货能力强，既能装载矿石、煤和谷物等干散货，又能搭载钢卷、集装箱及长件、大件重货等，还能载运散装或包装形式的危险品。其主要参数如下：

目前，绝大多数的多用途重吊船都具有2个或3个货舱。为了提高装货效率，8400 DWT多用途重吊船采用单货舱大开口的结构形式。全船仅有一个超长货舱，其开口尺寸为60.9 m×15.3 m。这种独特的布置形式可以有效地提高船舶经济性。该船总布置形式如图1所示。

图1 总布置图

2 设计特点

8400 DWT多用途船首部设首楼和首尖压载舱，中间段为一个超长货舱，机舱和上层建筑包括驾驶桥楼布置在船尾。该船货舱段为双底双壳的箱型结构，舷侧设有二甲板，二甲板以上为空舱，以下部分用水密舱壁分隔成若干压载水舱，中间布置一个货舱。在货舱左舷布置2台重吊，起重能力均达到150 t，最大可联吊300 t的重货。该船设计特点如下。

2.1 结构布置

该船典型中横剖面如图2所示。

图2 典型中横剖面图

该船货舱区为双底双壳结构，主甲板、内底和船底采用纵骨架式，纵骨间距为625 mm。为了满足重货加强的要求，双层底肋板为每2挡设置，舷侧强框为每4挡设置。舷侧采用混合骨架的结构形式，在抗扭箱区域采用纵骨架式，其余采用横骨架式。混合骨架形式的应用，一方面保证了足够的船体梁强度和抗扭性能，另一方面也优化了横摇及重吊工况下的舷侧抗屈曲能力。同时，为了更好地满足总纵强度的要求，该船采用连续纵向舱口围的设计，并结合过往设计经验，在有限元计算分析的基础上，选取了应力分布较优的纵向端部大肘板形式［1］，如图3所示。

图3 纵向舱口围端部大肘板

该船首尾均为单底结构，首部满足船底拍击和外飘抨击的加强要求。机舱为双层底结构，双层底内每挡设置实肋板。机舱区域内舷侧强框不大于4挡间距设置。机舱区域主甲板及机舱上平台以上部分舷侧外板采用纵骨架式。

2.2 长货舱设计

船东要求该船能够装载长件、大件重货，货舱尽量设计成箱形并且尽可能长，其单货舱长度超过60 m。又因该船偶尔载运散货，需满足IMO决议MSC.277（85）对货舱内壳距舷侧1 m的要求，在货舱首尾线型收缩处，局部设计为台阶形内壳，在满足双壳1 m要求的前提下，尽量增加货舱双层底处的宽度。

为了能一次装运多种货物，在货舱全长范围内布置活动二甲板。共设有两个固定安放位置，具体高度可根据所装货物的尺寸进行调整，灵活方便，并能提高货舱空间的利用率。同时，所有活动二甲板的支撑机构均可在不使用时，收藏于纵舱壁上的水密盒结构内，从而确保货舱的有效宽度，以便装载大件货物。

2.3 舱口变形

对于只有单个货舱的多用途船，控制舱口的最大变形非常重要。货舱空舱时，货舱范围内仅承受外部海水压力的作用，纵向舱口向舷外变形。货舱装重货时，货物重量明显大于该区域内海水提供的浮力，共同作用下纵向舱口向舷内变形。结构设计中，需要根据舱盖设计的要求，对载荷进行多种组合，考虑可能出现的所有不利情况，确定舱口变形极限值，避免在港内时，出现因舱口变形过大，导致货舱舱口盖无法盖上的情况。

通过计算比较多种装载工况的组合，得到以下4种较为危险的典型装载情况，用以确定8400 DWT多用途船港内舱口最大变形，分别为：

1）双层底均匀满载；

2）货舱前后两端按内底最大载荷装载重货；

3）货舱中部按内底最大载荷装载重货；

4）货舱内空舱。

4种装载情况对应的舱口变形如图4所示。

图4 港内工况舱口变形

根据图4，可得该船港内工况下舱口最大相对变形。当该最大变形能够满足舱盖设计要求时，表明该船相应结构的刚度设计合理。

2.4 舱盖最大限位力

8400 DWT多用途船货舱长度超过60 m，舷侧结构刚度相对较弱，容易引起较大的舱口变形。该船设计中布置了4组舱盖限位装置，由其约束一定的舱口变形。航行工况中，当舱口变形达到舱盖限位装置的限值时，舱盖及船体结构间产生一组相对的限位力。舱口变形和限位力的计算，在多用途船的设计过程中需尽早关注，以便优化舱盖限位装置的布置，并依此进行舷侧局部结构的强度分析。

选取船体最大角度（30°）横摇时的航行工况。货物装载情况为：按照舱盖最大设计载荷分别于前端、中部、后端装货，其余货物质量均布于货舱双层底。计算时通过调整模型边界弹簧力，使货舱中部达到规范要求的波浪弯矩及相应最大静水弯矩叠加值。

根据舱盖设计公司的要求，限位器处舱口向舷内最大变形为30 mm，向舷外最大变形为60 mm。由于多用途船舷侧设置有数台重吊，选取限位器位置时需考虑其与重吊基座间的相互影响。初步设计时，考虑4组限位器的布置应避开重吊基座区域，同时较为均匀地分布于货舱长度范围，在左舷Fr59、Fr79、Fr91、Fr107舷侧强框架位置处布置舱口横向限位器。计算横摇海况下限位器处的横向限位力，发现4组限位器受力差异较大，Fr107处限位器受力较小，在部分装载情况下甚至不受力，表明该位置布置限位器并不十分合理。由于线型收缩，该船货舱在Fr115处开口宽度缩小，局部横舱壁结构增加了该位置处的船体刚度，因此造成了靠近船首的横向限位器受力较小。

为达到更优的限位效果，将Fr107处限位器取消，在舱长中部舱口变形严重区域加密限位器的设置。最终该船选择在左舷 Fr59、Fr71、Fr79、Fr91舷侧强框架位置处布置舱口横向限位器。计算得到船体在30°横摇海况下，沿船长分布的舱口自由变形及限位器约束后变形包络曲线，如图5～6所示。根据计算得到限位器处最大横向限位力约为2000 kN，此力可作为评估舱口限位处的船体和舱盖局部结构强度的载荷依据。

图5 航行横摇工况舱口变形包络值（自由变形）

图6 航行横摇工况舱口变形包络值（限位器约束）

3 有限元强度计算

3.1 屈服强度评估

8400 DWT多用途船货舱段有限元模型的建立根据船级社规范规定［2］，并采用德国劳氏船级社的POSEIDON软件进行。该船模型纵向范围由机舱前端壁至首部防撞舱壁，垂向范围由基线至舱口围顶，考虑到一舷布置重吊导致横向载荷不对称，模型横向范围取全宽。模型前后两个端面处施加边界约束，靠近边界区域的单元结果不予以评估。模型网格由软件自动生成，单元大小基于骨材间距×骨材间距，横向框架、肋板等结构深度方向保证有三个或以上单元。

船体主要支撑构件的屈服强度水平通过粗网格有限元模型进行评估，分别计算重货满载、压载及其他装载手册中规定工况下的结构强度水平。各工况对应的计算载荷由软件自动计算并加载。根据德国劳氏船级社规范要求，单元应力水平σv和单元剪应力τ应满足式（1）要求：

式中：k——材料系数

3.2 屈曲能力评估

装载重货的大开口多用途船，其船底及舷侧结构容易产生屈曲问题，在设计过程中应尽早关注。

为了优化多用途船纵向舱壁的抗屈曲能力，8400 DWT多用途船采用了混合骨架形式的舱壁设计。对于二甲板以上区域采用纵骨架形式，用以承担船体梁总纵应力。二甲板以下区域采用横骨架形式，此区域内总纵应力水平较低，横骨架形式能够有效地改善船体横向变形以及重吊工作时引起的舱壁屈曲问题。各计算工况下的纵舱壁屈曲水平如图7所示。除框选范围内台阶结构处，部分板格因结构突变产生较大的剪切应力而存在屈曲问题，船中大部分区域的屈曲计算结果均能满足要求。通过增加台阶附近舱壁板厚，以及局部增加屈曲筋减小板格长度的方式，可以有效解决该区域的屈曲问题。

对于纵骨架式船底外板，在压载工况以及不均匀装载情况下，船中货舱区外板板格受到较大的横向压力，易产生屈曲问题。考虑到过多屈曲筋的设置会对船底压载水舱的清洗等带来不利影响，因此往往通过增加船底板厚的方式来改善该区域的屈曲问题。

图7 纵舱壁屈曲水平计算结果

3.3 重吊基座及其加强结构强度评估

为减轻船体自重，充分利用结构材料，不同于以往类似多用途船型每挡设置横隔板的重吊基座加强结构设计，8400 DWT多用途船在重吊基座范围内采用隔挡设置横向隔板，板厚自主甲板向下逐渐减薄，其余剖面仅二甲板以上设置隔板的加强方式。另外在重吊区域内，舱口围板与重吊柱体结构脱离，这样的设计能够较为有效地避免因疲劳问题引起的结构损坏。

重吊工作载荷由设备厂商提供，根据吊臂角度不同，以每45°为间隔，计算重吊在不同角度下起吊货物时的结构强度水平。最危险工况发生在吊臂由舷内起吊，即吊臂指向右舷时。该工况下加强结构横向隔板的合成应力分布情况如图8所示。重吊基座及优化后的加强构件强度水平均能够满足规范的相应要求。