11.5万dwt散货船结构设计研究

李小灵，徐淑琴

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 前 言

11.5 万dwt级Mini-Cape型散货船是江南造船开发的介于传统的Panamax和Cape-Size之间的中间尺度船型。该船型开发的目的是在船舶航运经济性和适港性之间寻求一个平衡点，从而满足一些新兴航线的要求，开辟新的散货船市场[1]。

由于在常规船型中，散货船的装载工况和需要考虑的设计工况最为恶劣，因此IACS（国际船级社协会）推出的CSR[2]（共同结构规范）又提高了对散货船结构的要求。在保证强度的前提下，对结构设计进行研究，实现结构的优化对于成本控制和保证船型载重量指标显得至关重要。

该船的载重量指标要求较高，在主尺度选定后，需要严格控制空船重量。在船体重量中，结构重量占了很大的比重。要控制结构的重量，同时又要保证船体具有足够的强度来抵抗营运过程中的各种装载工况和海况，必须进行详细周密的结构计算和分析，是实现船型指标最优化的有效途径。

1 船体结构设计

本船型主要参数如下：

总 长：254.00m

垂线间长：249.80m

型 宽：43.00m

型 深：20.80m

结构吃水：14.50m

载 重 量：115000t

货舱容积：137000m3

主机型号：Wärtsilä 6RT-flex58T-B

主机CMCR：13080kW

主机CSR：11772kW

发 电 机：3×720kW

服务航速：14.5kn

续 航 力：23000n mile

该船货舱区横剖面形式为典型的单舷侧散货船横剖面，设双层底、底边舱和顶边舱，除小甲板和上下边舱之间的舷侧为横骨架式外，货舱区结构形式均为纵骨架式。CSR中明确要求在整个货舱区内保持纵骨架式，由于该船在货舱区艉部区域线型变化比较剧烈，采用纵骨架式设计有一定难度，各审核机构对该点要求把握尺度不一。经过对详细设计、生产建造等多方征求意见，以及对设计方案的可行性进行分析，最终确定在整个货舱区内保持纵骨架式。

该船艏部线性为垂直艏，线性曲率较传统球鼻艏要小，这给结构设计带来了一定的便利。但由于线型外飘较小，给锚系设备的布置带来一些问题，需要给予额外的关注。

货舱区的纵骨，上甲板选用扁钢，给建造带来了便利。对于其他区域的纵骨，则选用焊接制造的T型材。选用T型材可以根据结构强度需求较为自由地选择型材尺寸，充分利用材料的承载能力，减少结构冗余。对于货舱区纵骨贯穿孔的形式，在平行中体部分，尽量采用不需要补板的贯穿孔，采用纵骨拉入法进行装配和建造。

在机舱区域内，由于水线以上线型较为平直，在二平台以上的舷侧外板及燃油舱的双壳均采用纵骨架式，甲板和平台也采用纵骨架式。二平台以下的外板采用横骨架式。在水线以下区域，由于线型变化较大，导致舷侧肋骨在平台和水平桁之间的跨距剧烈波动，直接影响肋骨的尺寸。为保证结构强度同时避免舷侧肋骨高度差别过大，在某些区域内，设置局部舷侧桁材，为舷侧肋骨提供支撑，减小跨距，使普通舷侧肋骨高度比较接近。

艉部采用横骨架式。因该船的舵为半平衡舵，伸进船体结构内部区域的挂舵臂是通过设置横向实肋板来保证转舵，使载荷在舵与船体之间平稳传递，避免不必要的结构损坏。艉封板设垂直扶强材加强，艉封板外缘设直径为40mm的圆钢，与外板和艉封板焊接后打磨光滑。

2 规范计算校核

2.1 总纵强度校核

对船舶合理分舱布置优化是重量控制的一个重要手段，其目标是改善各装载工况下的弯矩和剪力分布，使最大弯矩值降下来。同时，减少舯剖面模数也可为降低空船重量创造条件。IACS发布的CSR对于散货船的设计弯矩和剪力提出了更高的要求，必须综合考虑完整和破损状况下的弯矩和剪力。

由于采用垂直艏部，该船结构船长较长，货舱区共有7个舱，致使总纵弯矩值上升。该船船宽B较大（43m）型深D较小（20.8m），型深与船宽比值为0.48，横剖面属于扁平型的。一般巴拿马型散货船该值为0.61左右，好望角型散货船为0.55左右。这将导致船体横剖面模数偏小，对总纵强度不利，更需要注意控制设计弯矩值。

根据CSR的要求，对该船各装载工况进行了详细的分析，在CSR要求的装载工况中，完整状况下最大中拱弯矩主要出现在CSR Ballast（所有压载舱打满出港）的工况，最大中垂弯矩出现在重压载工况下，超过了30万t·m，同时也发现重压载工况下的中垂弯矩对于第4货舱（兼做风暴压载舱）的舱容十分敏感，在等长分舱方案下，会导致中垂弯矩大于中拱弯矩。通过调整各个货舱的长度，同时对于压载水总量进行控制，控制了该船型在完整工况下的设计弯矩值均在28万t·m以下。

设计中，发现和其他类型散货船[3]相比，舷侧剪力较大。经过分析，本船船长250m，货舱仍为7个，货舱长度大。在采用不等长分舱方案后，某些货舱长度更大。该船设计目标为BC-A 类散货船，需满足重货间隔满载的要求及相应破损工况下的强度要求。在不增加分舱个数的情况下，单壳舷侧剪力值偏大是不可避免的，剪力偏大只是一个局部强度问题，是次要矛盾，只要对横舱壁附近的舷侧单壳区域板加厚即可。而总纵弯矩值较大则是一个主要矛盾，较大的设计弯矩会引起舯剖面模数的增加，从而导致空船重量明显上升。从控制空船重量的角度出发，综合各方面因素进行权衡，最终确定了分舱方案。

2.2 局部强度校核

根据总布置设计方案确定了构件布置后，可进一步完善各部位的结构件尺寸。虽然散货船的规范已经统一，但考虑到不同船级社的理解和执行情况的差异，选用多家船级结构规范计算软件进行构件尺寸计算、比较和优化，同时也评估CSR对于散货船结构的影响。在进行结构构件尺寸选择时，既要满足总纵强度、局部强度的要求，又要使横剖面面积达最小，且使甲板边线处和底部处的合成应力均尽可能大地接近许用应力，使材料得到充分利用。首先根据规范要求，初步确定结构件尺寸，以满足要求的构件最小尺寸入选，去除不必要的结构冗余，然后综合平衡中横剖面纵向构件的尺寸，反复修改与优化，最后达到最佳选择。

目前各船级社均推出了基于 CSR的规范校核计算软件，由于对规范理解的差异，计算结果还是有一定的偏差。本项目选用BV（法国船级社）、LR（劳氏船级社）、CCS（中国船级社）、DNV（挪威船级社）等多家船级社的软件建立规范计算模型进行计算校核。

CSR规范构件尺寸计算的一个显著特点是新的腐蚀余量计算方法，统一增加 0.5mm的腐蚀储备，货舱区内单边腐蚀余量也有明显增加，导致了构件尺寸的增大。对于不同的计算项目，折减的厚度也不同。如局部强度和疲劳计算，前者扣掉整个腐蚀余量和额外增加厚度，后者扣掉1/2腐蚀余量和额外增加厚度。

对于结构疲劳，CSR要求疲劳寿命为 25a，并且设计环境为北大西洋海况，这大大高于此前船级社一般性的20a疲劳寿命，设计要求也低于北大西洋波浪图谱。经过计算和对比，对称剖面的型材具有更好的抗疲劳性能，故货舱区内纵向构件大多为对称剖面的T型材或者是扁钢，通过计算发现货舱中间区域大部分纵骨均仍要增设抗疲劳肘板或增设软趾。中横剖面设计方案，如图1所示。

图1 中横剖面图

3 船体梁极限强度研究

船体梁强度要求决定了船体的总纵屈服强度，IACS的统一结构强度要求（URs）已经给出了比较全面的描述。但是URs中，进行船体梁强度校核时，使用的是建造尺寸，这与CSR所提倡的净厚度理论有所区别。若采用净厚度进行船体梁强度校核，则会导致船体梁剖面模数大幅增加。基于在实际营运中，大型的结构件的腐蚀并不是均布的，因此在进行船体梁总纵强度计算时，采用扣除名义腐蚀余量的方法，即CSR要求进行船体梁总纵强度校核时，需扣掉0.5倍的tc。

船体梁的极限强度是考验船舶生命能力的一个重要参数，CSR正式提出对船长大于150m的散货船要求进行船体梁极限强度计算校核，以保证整个船体梁有足够的强度来抵抗海上可能出现的恶劣工况。并在Ch.5 App.1中给出了简化计算方法，即非线性迭代法。

进行船体梁极限强度校核，需要考虑在完整和破损状况下的中拱和中垂弯矩，船体梁的剪切载荷忽略不计。CSR要求船体梁满足如下要求：

式中：MSW——船体梁在中垂和中拱工况下设计静水弯矩；

MW——波浪弯矩；

MU——船体梁极限弯矩能力；

γW——船体梁波浪弯矩安全因子；

γR——船体梁极限弯矩安全因子。

图2 船体梁极限强度

船体梁极限强度要求的实施使得对于船体梁剖面模数的要求进一步提高。为满足这一要求均需额外增加构件尺寸。

大部分船级社规范计算软件中都包含了该项计算。使用该软件进行了船体梁极限强度校核，并对船体梁在航行、破损以及港口三种状态下的中垂和中拱的极限弯矩承受能力进行考核。经过分析，对相应的构件进行调整，使得船体梁横剖面满足该项要求。

该船型在满足常规的总纵强度要求之后，略微增加构件尺寸即可满足船体梁极限强度要求。

4 有限元结构分析

散货船装载工况复杂，船体构件受力分布多样，仅仅依靠规范校核难以设计出合理的船体结构，必须采用更全面的计算分析手段进行结构强度分析，有限元方法提供了这一问题的解决方案。为结构纵向构件采用直接计算法设计提供了一条途径，特别是对总纵强度中横向构件有了量化的分析与评估，弥补按规范设计带来的不足。更重要的是，在无规范可直接应用的情况下，它可以对超出规范设计的大型及新型的船舶结构给出正确的强度评估，此方法已成为当今船舶结构设计的发展方向和有效手段。

对于船长大于150m的散货船，CSR明确要求对于货舱区的主要支撑构件必须通过有限元计算分析来确定其构件尺寸，并满足要求。为此，在完成了规范校核计算工作后，合理配置结构钢材，控制船体结构重量，对货舱段的结构采用三维有限元方法进行计算分析，按各具体部位强度和稳定性计算结果确定构件尺寸。由于CSR要求的计算工况比较多，整个建模、计算和分析的工作量很大，这部分计算可选用船级社专用船体结构有限元计算软件来完成。

CSR要求建立完整的3舱段模型，考察中间舱计算结果，应用于同类货舱。一般来说，BC-A类散货船货舱分为重压载舱、重货舱、轻货舱3类，每个舱的构件尺寸不同，结构形式也略有差别，为此，需要建立3个3舱段模型进行计算分析。由于每个货舱长度并非一样，结合专用船体结构分析软件及该船的实际特点，决定建立一个5舱段模型，即 3～7舱的模型，其中第4、5、6货舱为考察对象，对该3个货舱区域类的网格进行局部细化。计算时，分别选取3～5舱，4～6舱，5～7舱的模型进行计算分析，这样既节省了建模和加载的时间，又保证了计算分析的需要。所建立的5舱段模型如图3所示。

图3 有限元舱段模型

根据有限元的分析结果及构件的实际受力情况，最终确定构件尺寸。在粗网格的舱段模型分析基础上，对一些高应力区还进行了子模型细网格有限元分析，并采取相应的措施来降低应力，保证结构具有足够的强度，同时钢材的分布也更加合理。计算结果如图4、5所示。

图4 典型工况应力分布图

图5 细网格结构分析

5 针对CSR的结构设计、优化

针对 CSR中一些新的要求可能会导致结构重量明显增加，根据之前开发CSR船型的经验，展开了一些有针对性的优化工作。

图6 底边舱PMA设计

对于货舱区的舷侧肋骨，精确地计算每个舱的尺寸，减少不必要的结构冗余，CSR中对顶边舱和底边舱内支撑大肋骨上下端的肘板也是有要求的，见图 6。一是与肘板相连的纵骨净剖面模数和外板与上/下边舱斜板交点距离的乘积要大于一定数值，该值与肋骨承受载荷、跨距和横向强构件间距有关。某些情况下支撑肘板需要往外延伸一档才能满足要求，这样会导致结构重量显著上升，应在开发前期对该情况予以考虑，通过适当调整纵骨间距和增加纵骨尺寸就可以避免支撑肘板加大一档，节省了钢材。

对肋骨两端支撑肘板的另一要求是其与支撑纵骨之间的焊接面积需要满足一定要求，可以通过增加肘板厚度、与纵骨焊接高度和提高肘板钢材等级的方法来满足CSR的要求，通过对以上3种途径的对比分析，找出一种钢材增加最少的适合该船设计方案。

在开发初期，对于PMA[4]（永久性检验通道）也给予了足够的考虑，从成本、建造效率和质量上考虑，特别是对于需要满足PSPC（涂层性能标准）的船，在压载舱里面铺设梯道和栏杆所需的焊接工作会导致大量的涂层损坏，给后期涂装工作带来困难。对于压载舱来说，将PMA尽量和结构融合在一起是一种比较好的设计理念。通过准确了解、把握PMA的具体要求，结合本船结构布置的特点，对永久性检验通道给予了足够的考虑，大部分永久性检验通道由结构件来充当，难以用结构件充当的地方，也充分考虑了舾装件布置的空间和施工需求，为后期工作打下了良好的基础。

6 结 语

该船是在散货船CSR生效实施后，江南造船集团公司全新设计的第一艘满足该规范的散货船。基于此前开发和设计满足CSR散货船的经验，从多个方面综合考虑设计方案和一些细节问题，在实际建造的方便、快捷方面也给予了足够的考虑，因而使主船体钢结构重量在可控范围之内。为今后开发、设计同类散货船积累了宝贵的经验。

[1] 李小灵，陈 兵，朱丽萍，赵善能.11.5万dwt 级散货船总体设计方案研究[J].江南舰船技术，2007, (6).

[2] International Association of Class Society.Common Structure Rules for Bulk Carrier[S].July 2008.

[3] 卢 华.基于共同结构规范的好望角型散货船设计[J].上海造船，2008, (3): 1-4.

[4] IMO Convention.Access to and within spaces in and forward of the cargo area of oil tankers and bulk carriers[S].SOLAS Ch.II-1.Reg.3-6.