劉頌軍

(集美大學福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建廈門 361021)

雙殼散貨船中橫剖面形式方案設(shè)計

劉頌軍

(集美大學福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建廈門 361021)

為滿足國際船級社協(xié)會(IACS)提出的散貨船雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)提案，在174 000 t單舷側(cè)散貨船基礎(chǔ)上開發(fā)了雙舷側(cè)散貨船。雙殼散貨船中剖面設(shè)計時，在滿足規(guī)范公約及船東的要求基礎(chǔ)上，必須首先要確定結(jié)構(gòu)形式的方案。由于不同規(guī)范公約要求，有時會相互牽制，所以在滿足各種要求的基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)的方案，才是設(shè)計追求的目標。

雙殼船體;散貨船;中橫剖面;方案設(shè)計

0 引言

傳統(tǒng)類型散貨船的結(jié)構(gòu)為單舷側(cè)結(jié)構(gòu)，平時見到的散貨船的結(jié)構(gòu)以這種類型居多。由于國際船級社協(xié)會(IACS)曾提出散貨船雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)提案，并有船東對此類型船有建造意向，基于這些因素，在前期開發(fā)的174 000 t單舷側(cè)散貨船(以下稱“母型船”)基礎(chǔ)上又開發(fā)了174 000 t雙舷側(cè)散貨船(以下稱“雙殼船”)。在滿足船東使用要求的前提下，必須以滿足船舶設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性為首要目標，同時考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性。

1 船舶主尺度確定

大型散貨船總體性能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計是船舶設(shè)計的基礎(chǔ)，在船舶方案設(shè)計的初期就要考慮這些因素。在確定船舶主要要素數(shù)據(jù)和總體布置方案時，要考慮中橫剖面的結(jié)構(gòu)布置，因為中橫剖面的設(shè)計關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計全局的合理性。

174 000 t散貨船以運輸鐵礦石為主，兼顧谷物運輸，往返于巴西—中國、澳大利亞—中國。在確定主尺度參數(shù)方案時必須考慮到該船型的航線、碼頭和船廠自身船臺大小的限制等因素。

由于174 000 t單殼散貨船(母型船)線型已做過船模試驗，試驗結(jié)果良好，為保證船舶快速性，故采用同一個線型。

174 000 t雙殼散貨船的主尺度確定，僅需考慮調(diào)整型深和結(jié)構(gòu)吃水?？紤]到單殼船變雙殼船增加了空船重量，以及公約等其他要求，初步確定3種方案，見表1。此3種方案哪一個最合理，還要看方案是否滿足公約規(guī)范和船東的要求，各種相互限制的因素是否達到最優(yōu)。

表1 174 000 t雙殼散貨船主尺度方案 m

母型船:結(jié)構(gòu)吃水為 18.10 m時，排水量Δ1=198 386 t;結(jié)構(gòu)吃水為 18.20 m時，排水量Δ2=199 657 t?？沾亓縇W=23 600 t，貨艙總?cè)莘e=192 080 m3。

2 母型船基本結(jié)構(gòu)形式

母型船中剖面劃分以下幾個基本區(qū)域:

(1)雙層底區(qū)域:縱骨架式，縱骨間距0.86 m;雙層底高度為2.45 m。

(2)底邊艙:縱骨架式，縱骨間距0.86 m;底邊艙上頂點距基線8.6 m。

通常情況下，為了裝卸谷物的清倉方便，底邊艙斜坡板與水平線夾角為45°，頂邊艙斜坡板與水平線夾角為30°。

(3)頂邊艙:縱骨架式，縱骨間距0.86 m;頂邊艙下頂點距基線17.33 m。

(4)舷側(cè):橫骨架式，骨材間距0.91 m。

(5)甲板:縱骨間距 0.86 m。

174 000 t單殼散貨船中橫剖面結(jié)構(gòu)布置形式如圖1所示。

圖1 母型船中橫剖面(單位:m)

3 種不同設(shè)計方案的對比分析

規(guī)范公約的規(guī)定和船東要求及設(shè)計難點:

(1)SOLAS要求貨艙區(qū)雙邊殼的距離不能小于1 m。

(2)IMO雙邊殼內(nèi)固定式永久檢驗通道(PMA)的布置。

(3)貨艙總艙容不能小于186 000 m3。

(4)載重量不小于174 000 t。

(5)滿足B60型船舶干舷要求。

(6)滿足散貨船協(xié)調(diào)入級符號及相應裝載工況URS25要求。

為了同時滿足上述要求，在前面3個雙殼散貨船主尺度的基礎(chǔ)上，對比母型船，考慮了對應的3種方案，如圖2所示。圖中，上甲板梁拱高1.1 m，水平直線段距船中半寬2.86 m。

圖2 3種方案結(jié)構(gòu)形式示意圖(單位:m)

3.1 方案1

(1)根據(jù)PMA要求，貨艙區(qū)橫骨架式通道孔寬度不小于0.6 m，且通道上人孔的下沿到通道平臺的距離不超過0.6 m，否則必須加裝踏步。雙舷側(cè)內(nèi)水平桁間距不能超過6 m，否則將另外設(shè)置固定式永久檢驗通道。此方案中雙殼內(nèi)通道平臺間的距離分別為4.4、4.33 m，所以不必另外設(shè)置固定式永久檢驗通道。通道人孔的寬度為0.6 m，人孔下沿到對應平臺的高度為0.6 m，此設(shè)計均滿足散貨船PMA對雙邊殼的要求。

(2)貨艙區(qū)雙邊殼的距離是否滿足1 m要求:雙邊殼在中橫剖面處設(shè)置寬度為1.2 m，滿足IMO要求，關(guān)鍵在于全部貨艙區(qū)是否都滿足這個要求。首部線型變化較小，相對容易滿足要求，設(shè)計方法與尾部相似。由于該方案尾部貨艙區(qū)線型曲率變化很大，很難滿足要求，因此，內(nèi)殼縱艙壁的布置不宜設(shè)置過多的折角線，否則會增加施工建造的難度。設(shè)計時可考慮在尾部貨艙區(qū)，型深方向內(nèi)殼設(shè)置2道折角線。此方案中，在Fr82處內(nèi)殼與外板最小距離為0.903 m，小于1 m，不能滿足IMO公約要求。

(3)好望角型散貨船共有9個貨艙，根據(jù)確定的折角線方案，算出貨艙容積為173 450 m3，小于規(guī)定的186 000 m3，不能滿足船東要求。

(4)根據(jù)ICLL66載重線公約1988修正案，計算此方案的干舷F:

式中:F0為B型干舷列表經(jīng)過A型與B型船列表差60%修正過的干舷值，F(xiàn)0=3.66 m;F1為船長在100 m以下的船舶干舷修正值，F(xiàn)1=0 m;F2為方形系數(shù)修正，F(xiàn)2=0.507 m;F3為計算型深修正，F(xiàn)3=1.513 m;F4為對上層建筑和凸形甲板的干舷減除修正，F(xiàn)4=-0.013 m;F5為與標準舷弧差異的干舷修正，F(xiàn)5=0.802 m。

利用型線圖，經(jīng)過計算，干舷F=6.469 m。

設(shè)計干舷F'=計算型深-結(jié)構(gòu)吃水=6.55 m，大于計算干舷6.469 m，滿足載重線公約要求。

(5)載重量

由于雙殼設(shè)置和頂邊艙、底邊艙的變化，空船重量經(jīng)過估算相比單殼船增加了1 100 t。

載重量=Δ1-LW=173 686 t，沒有滿足載重量不小于174 000 t要求。

3.2 方案2

因為方案1艙容不足，所以考慮將頂邊艙、底邊艙空間適當減小，以增加貨艙容積。

第9貨艙區(qū)雙邊殼最小距離小于1 m，將中剖面雙邊殼的距離加到1.4 m，載重量不足增加0.1 m吃水，加以彌補。

(1)根據(jù)PMA規(guī)定，貨艙區(qū)橫骨架式通道孔寬度0.6 m，且通道上人孔的下沿到通道平臺的距離0.6 m。此方案中雙殼內(nèi)通道距基線7.5 m平臺與13 m平臺之間的距離分別為5.5 m，距基線13 m平臺與18 m平臺之間的距離為5 m，不超過6 m，因此不必另設(shè)固定式永久檢驗通道。

(2)貨艙區(qū)雙邊殼的距離是否滿足1 m要求:雙邊殼在中橫剖面處設(shè)置寬度為1.4 m，關(guān)鍵在于全部貨艙區(qū)是否都滿足這個要求。型深方向內(nèi)殼設(shè)置2道折角線，折角線在線型曲率大的尾部貨艙區(qū)經(jīng)過仔細考慮，在Fr82內(nèi)殼與外板出現(xiàn)最小距離為1.316 m，大于1 m，滿足IMO公約要求。

(3)根據(jù)確定的折角線方案，算出9個貨艙容積為182 450 m3，小于186 000 m3，仍不能滿足船東的要求。

(4)方案2的計算干舷F與方案1相同，F(xiàn)'=6.469 m。

設(shè)計干舷F=6.45 m，小于計算干舷6.469 m，不能滿足載重線公約要求。

(5)載重量

由于雙殼設(shè)置以及頂邊艙、底邊艙的變化，空船重量經(jīng)過估算增加了1 200 t。

載重量=Δ2-LW=174 857 t，滿足載重量不小于174 000 t要求。

3.3 方案3

從方案1、方案2的結(jié)果可知，兩方案艙容均沒有滿足最小艙容186 000 m3要求?？紤]中剖面雙邊殼間距減至1.3 m，可適當減小頂邊艙和底邊艙的容積。另外，尾部第9貨艙區(qū)的雙邊殼的間距為1.316 m，裕度較大也可以減小。方案2設(shè)計干舷差為0.045 m，所以考慮型深增加0.1 m。

(1)此方案中雙殼內(nèi)通道距基線7.3 m平臺和13 m平臺之間的距離為5.7 m，距基線13 m平臺和18.75 m平臺之間的距離為5.75 m，均不超過PMA規(guī)定的6 m，因此不必另設(shè)固定式永久檢驗通道。

(2)對貨艙區(qū)雙邊殼內(nèi)殼板折角線重新設(shè)計，在Fr81內(nèi)殼與外板出現(xiàn)最小距離為1.131 m，大于1 m，滿足IMO公約要求。

(3)根據(jù)確定的折角線方案，算出9個貨艙總?cè)莘e為186 950 m3，大于186 000 m3，滿足要求。

(4)方案3的計算干舷與方案1、方案2相同，F(xiàn)=6.469 m。

設(shè)計干舷F'=6.55 m，大于計算干舷6.469 m，滿足載重線公約要求。

(5)載重量:由于型深增加0.1 m及雙邊殼的變化，空船重量增加1 350 t。

載重量=Δ2-LW=174 707 t，滿足載重量不小于174 000 t要求。

3種方案結(jié)果對比表見表2。

表2 3種方案結(jié)果對比表

通過上表可以看出，方案3滿足了上述5個要求條件，因而是此3個方案中最佳方案。

3.4 方案結(jié)果說明

(1)在方案設(shè)計過程中，貨艙艙容不是越大越好。因為貨艙容積過大，將導致壓載艙容積變小，使船舶重壓載離港時的船舶浮態(tài)不能滿足 IACS、URS25中BC-A關(guān)于螺旋槳浸沒比大于60%及首吃水不小于0.03 L(船長)或8 m兩者最小值的要求［3］。

(2)在進行干舷校核時，計算型深雖未考慮干舷甲板邊板的厚度，但可以滿足規(guī)范要求。

(3)每種方案都進行了骨材的合理布置和結(jié)構(gòu)規(guī)范計算，參考相似的母型船，采用合理恰當?shù)墓浪惴椒?，得到了較為準確的空船重量估算。

(4)設(shè)計時均已考慮了底邊艙斜坡板與水平線夾角45°、頂邊艙斜坡板與水平線夾角30°的要求。

(5)中剖面設(shè)計時，還要考慮艙口蓋尺寸大小的要求，這關(guān)系到船舶在碼頭裝卸貨效率。本文3個方案均滿足船東對艙口蓋尺寸的最小要求。

4 結(jié)語

本文介紹了雙殼散貨船中剖面方案設(shè)計的思路過程。設(shè)計時需要通過多次的結(jié)構(gòu)布置與總體性能的綜合考慮計算，才能找到最佳的設(shè)計方案。此次174 000 t雙殼散貨船的開發(fā)取得了實際意義，獲得了一家國外船東共計12條船的訂單，并建造完成交付使用。該船交付使用多年后安全運營，得到了船東認可，也為今后設(shè)計類似船舶提供了參考依據(jù)。

［1］ 顧敏童.船舶設(shè)計原理［M］.上海:上海交通大學出版社，2001.

［2］ 桑松，林焰，紀卓尚.船舶初步設(shè)計階段智能決策支持系統(tǒng)的應用［J］.上海交通大學學報，2003，37(8):1238-1241.

U662.2

A

2015-01-04

劉頌軍(1974—)，男，工程師，從事船舶設(shè)計工作。