李 文 濤

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

38000dw t小靈便散貨船槽型橫艙壁的設(shè)計(jì)研究

李 文 濤

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

在目標(biāo)38000dw t小靈便散貨船的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，基于HCSR（散貨船和油船共同規(guī)范）研究了無頂?shù)屎偷椎实牟坌蜋M艙壁的優(yōu)點(diǎn)。通過分析槽型橫艙壁在不同工況下所承受的載荷，運(yùn)用參數(shù)優(yōu)化來確定槽型橫艙壁最佳槽條剖面幾何要素，并分析了即將生效的協(xié)調(diào)共同規(guī)范對目標(biāo)小靈便散貨船槽型橫艙壁的影響。為各個(gè)類型散貨船確定槽型橫艙壁幾何要素提供參考。

協(xié)調(diào)共同規(guī)范；小靈便散貨船；槽型橫艙壁；結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化；參數(shù)優(yōu)化；名義平均凈厚度

0　引 言

靈便型散貨船按照噸位可分為大靈便型散貨船和小靈便型散貨船。小靈便型散貨船有如下特點(diǎn)：1） 載重噸位一般＜4萬 dw t；2） 滿載的狀況下能在全球中小型港口之間自由航行，結(jié)構(gòu)吃水＜11m，自帶克令吊和抓斗用來裝卸貨物；3） 適合運(yùn)輸谷物類、礦類、鋼材、砂糖、化肥、水泥、原木、石膏等，貨品幾乎包含所有的散裝和包裝貨物。同時(shí)，小靈便型散貨船操縱靈活、建造和運(yùn)輸成本較低，目前小靈便型散貨船的運(yùn)力已占全球干散貨船總運(yùn)力的30%［1］左右，也是我國眾多船廠爭相建造的主流船型。

橫艙壁是船體結(jié)構(gòu)最主要的構(gòu)件之一，它支持甲板、舷側(cè)和底部結(jié)構(gòu)，對保障船體橫向強(qiáng)度起著重要的作用［2］。槽型橫艙壁由于構(gòu)造簡單、施工方便、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，是小靈便型散貨船最普遍采用的結(jié)構(gòu)形式。

槽型橫艙壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)達(dá)到結(jié)構(gòu)質(zhì)量最?。?，4］。名義平均厚度［5］作為優(yōu)化指標(biāo)來衡量整個(gè)槽型橫艙壁的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在目標(biāo)38000dw t小靈便散貨船的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，基于CSR-H研究了無頂?shù)屎偷椎实牟坌蜋M艙壁結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)點(diǎn)，分析了槽型橫艙壁在不同工況下所承受的載荷，并嘗試運(yùn)用參數(shù)優(yōu)化來確定槽型橫艙壁最佳槽條剖面幾何要素。并分析了即將生效的 CSR-H對目標(biāo)小靈便散貨船槽型橫艙壁質(zhì)量的影響。

1　目標(biāo)38000dw t小靈便型散貨船的概況

規(guī)范CSR-H新定義，對于型深＜18m 的干貨艙或型深＜16m 的液貨艙和壓載艙，散貨船的槽型橫艙壁可以從內(nèi)底板一直延伸到主甲板不設(shè)底凳和頂?shù)剩?］。相對大型散貨船來說，靈便型散貨船橫艙壁槽條兩端的熱點(diǎn)疲勞問題并不嚴(yán)重［7］，一般適當(dāng)增加焊腳就可以解決。本文設(shè)計(jì)的小靈便散貨船橫艙壁采用了無底凳和頂?shù)实慕Y(jié)構(gòu)型式，同時(shí)艙口間甲板采用了雙層甲板。無底凳和頂?shù)实牟坌蜋M艙壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：1） 增加了貨艙艙容；2） 降低了船體結(jié)構(gòu)質(zhì)量；3） 有利于克令吊和艙口圍油缸的底座加強(qiáng)。同時(shí)雙層甲板形成的水密空間也能和縱向的上管弄連通，作為管系的布置通道。雙層甲板也避免了艙口間甲板骨架與槽型橫艙壁產(chǎn)生干涉。

2　基于CSR-H槽型橫艙壁的側(cè)向載荷和尺寸

在進(jìn)行規(guī)范強(qiáng)度校核時(shí)，槽型橫艙壁的載荷可以分為完整工況和進(jìn)水工況分別考慮。完整工況的載荷由靜載荷和動(dòng)載荷合成，槽型橫艙壁的決定性載荷又可分為貨艙壓載水和貨物載荷兩種情況。進(jìn)水工況的載荷僅考慮凈載荷，槽型橫艙壁上起到?jīng)Q定性作用的載荷為隔艙重貨滿艙進(jìn)水的情況。

槽型橫艙壁的結(jié)構(gòu)規(guī)范尺寸也分完整工況和進(jìn)水工況分別校核。在完整工況下，槽型艙壁僅需校核屈服強(qiáng)度；在進(jìn)水工況下，槽型橫艙壁除了屈服強(qiáng)度以外，還要校核剪切強(qiáng)度、剪切屈曲和槽條的彎曲能力。此外，CSR-H還對槽型橫艙壁的結(jié)構(gòu)細(xì)則、最小凈厚度要求和屈曲纖細(xì)比凈厚度有相關(guān)要求。在兩種工況條件下，CSR-H與原散貨船共同規(guī)范［8］比較，CSR-H在完整工況下的規(guī)范載荷有較大的差異，進(jìn)水工況下載荷保持不變；在規(guī)范結(jié)構(gòu)尺寸方面，兩者的規(guī)范公式都一致但結(jié)構(gòu)細(xì)則上的要求存在部分差異，見表1。

表1　CSR-H規(guī)范相對于CSR規(guī)范的主要差異

3　基于CSR-H槽型橫艙壁的參數(shù)優(yōu)化

3.1參數(shù)優(yōu)化在槽型艙壁結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化中的應(yīng)用

在規(guī)范設(shè)計(jì)角度來看，船體結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化［9］是選擇描述船體結(jié)構(gòu)的若干最重要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，在規(guī)范許用應(yīng)力范圍內(nèi)通過適當(dāng)方式改變這些參數(shù)值，從而確定參數(shù)使結(jié)構(gòu)物質(zhì)量最輕。

3.2槽型橫艙壁的名義平均凈厚度

3.3槽條單元的凈質(zhì)量wij

最后一列槽條的單元質(zhì)量wnj為：

圖1　槽型橫艙壁的構(gòu)成

圖2　槽條單元的分布

3.4槽型橫艙壁的名義平均凈厚度函數(shù)T

基于規(guī)范的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用線性優(yōu)化得到名義平均厚度的精確解比較復(fù)雜。這里通過選取參數(shù)d和φ一系列離散點(diǎn)來找出其規(guī)律，確定最優(yōu)的槽條幾何要素。在進(jìn)行槽型艙壁離散點(diǎn)優(yōu)化時(shí)，根據(jù)不同的貨艙槽型橫艙壁上載荷的不同，可以將目標(biāo)小靈便散貨船槽型橫艙壁大致分為風(fēng)暴壓載槽型橫艙壁和非風(fēng)暴壓載的槽型橫艙壁區(qū)別考慮。其中非風(fēng)暴壓載的艙壁又根據(jù)在破艙時(shí)平衡水線的差別 ，可以分為第一貨艙槽型橫艙壁和其他普通槽型橫艙壁。

3.5槽型艙壁上高強(qiáng)度鋼的使用

當(dāng)槽條中部和底部受到較大的壓力時(shí)，或者當(dāng)槽深d較小、槽條底部的彎曲應(yīng)力比較嚴(yán)重時(shí)，選用高強(qiáng)度鋼會(huì)減小槽條單元的凈厚度，但并不是選用高強(qiáng)度鋼就能減小凈厚度。當(dāng)槽條的板厚由屈曲纖細(xì)比凈厚度要求決定時(shí)，選用高強(qiáng)度鋼反而會(huì)增加槽條單元的凈厚度。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)計(jì)算比較，可以找到槽條下部、中部和上部最佳的材料組合。

3.7普通橫艙壁、第一貨艙橫艙壁和風(fēng)暴壓載艙橫艙壁名義平均凈厚度的比較

當(dāng)φ=60°時(shí)，普通橫艙壁、第一貨艙橫艙壁和壓載艙橫艙壁的名義平均凈厚度（見圖4）。從圖4可知，壓載艙壁的板厚要求最大，第一貨艙后艙壁的板厚要求其次，普通艙壁的最??；名義平均凈厚度均隨著槽深d的增大而增大。

圖3　不同槽深和夾角下的平均名義凈厚度

圖4　不同艙室的槽型艙壁平均名義凈厚度

表2　槽條的最佳材料組合

3.8其他因素對槽型橫艙壁重量的影響和最終設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

從上文中可以看出，總體來說槽深越小名義平均凈厚度越小，槽型艙壁的質(zhì)量越輕。但是在實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)，槽條的幾何要素會(huì)受到規(guī)范和船舶功能性要求的約束。針對于目標(biāo)小靈便散貨船，以下列舉了一些需要額外考慮的因數(shù)。

3） 幾何尺寸的限制。對于最后一列槽條需要一定面板寬度，往往需要微調(diào)夾角φ；

4） 卸貨板或封槽板的影響。為了卸貨方便，散貨船要在槽條底部設(shè)置卸貨板或槽封板；

5） 貨艙通道的影響。澳梯和雙層底管弄通道往往設(shè)置在槽型艙壁上，槽型橫艙壁的局部區(qū)域通常需要特別考慮；

6） 管系布置。輪機(jī)專業(yè)需要在槽型艙壁槽條內(nèi)圍出若干個(gè)單獨(dú)的空間來滿足管系的布置要求。例如貨艙破損進(jìn)水的測深與報(bào)警管系的布置、機(jī)械通風(fēng)或管弄通風(fēng)需要特殊的封槽來滿足。

4　HCSR與CSR的對比

圖5　目標(biāo)散貨船的最佳設(shè)計(jì)剖面

圖6　HCSR與CSR規(guī)范下平均名義凈厚度的對比

5　結(jié) 語

基于將生效的CSR-H，以平均名義凈厚度來衡量槽型橫艙壁的質(zhì)量為基礎(chǔ)，運(yùn)用參數(shù)離散點(diǎn)優(yōu)化，得到針對目標(biāo)散貨船槽型橫艙壁的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)論。

2） 艙室的屬性和位置的不同，艙壁板厚的差別也比較大。壓載艙壁的板厚要求最大，第一貨艙后艙壁的板厚要求其次，普通艙壁的最??；

3） 與原散貨船共同規(guī)范相比，CSR-H對普通槽型橫艙壁的要求更為保守，對于兼作壓載艙的橫艙壁反而寬松了。但總體上來看，對橫艙壁的結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響不大。

目前主流的散貨船船型的主尺度、隔艙裝載情況以及單個(gè)貨艙的載重量等基本設(shè)計(jì)參數(shù)都大致相同，望能給在確定各個(gè)類型散貨船槽型橫艙壁幾何要素時(shí)提供幫助。

［1］ 史鵬飛. 靈便型散貨船經(jīng)營策略及實(shí)證研究［D］. 大連：大連海事大學(xué)，2012.

［2］ 趙耕賢，鄭君鎬. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊（結(jié)構(gòu)分冊）［S］. 北京：國防工業(yè)出版社，2000.

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［8］ IACS. Common Structure Rules for Bulk Carriers［S］. 2012.

［9］ 曾廣武. 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

Study on 38000dw t Handy-size Bulk Carrier Corrugated Transverse Bulkhead Design

LI Wen-tao

（Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200030）

During the design of the target 38000dw t handy-size bulk carrier， the advantages of corrugated transverse bulkhead w ithout top nor bottom stools are studied based on HCSR （Common Structure Rules for Bulk carriers and Oil Tankers）. Through analyzing the corrugated transverse bulkhead loads under different working conditions， the optimal corrugation sectional geometrical elements are determined using parametric optimization， and the influence of HCSR which w ill soon come into force on the target handy-size bulk carrier corrugated transverse bulkhead is analyzed. This study w ill provide some reference in determining geometrical elements of corrugated transverse bulkhead for the bulk carrier of various kinds.

HCSR； handy-size bulk carrier； corrugated transverse bulkhead； structural weight optim ization； parametric optimization； nominal average net thickness

U663.4

A

2095-4069 （2016） 02-0010-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.003

2015-03-25

李文濤，男，工程師，1984年生。2008年畢業(yè)于武漢工業(yè)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)于上海交通大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)讀工程碩士。任職于歐登塞海事技術(shù)（上海）有限公司，從事船舶結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)工作。