刘颂军
(集美大学福建省船舶与海洋工程重点实验室,福建厦门 361021)
双壳散货船中横剖面形式方案设计
刘颂军
(集美大学福建省船舶与海洋工程重点实验室,福建厦门 361021)
为满足国际船级社协会(IACS)提出的散货船双舷侧结构提案,在174 000 t单舷侧散货船基础上开发了双舷侧散货船。双壳散货船中剖面设计时,在满足规范公约及船东的要求基础上,必须首先要确定结构形式的方案。由于不同规范公约要求,有时会相互牵制,所以在满足各种要求的基础上,选择最优的方案,才是设计追求的目标。
双壳船体;散货船;中横剖面;方案设计
传统类型散货船的结构为单舷侧结构,平时见到的散货船的结构以这种类型居多。由于国际船级社协会(IACS)曾提出散货船双舷侧结构提案,并有船东对此类型船有建造意向,基于这些因素,在前期开发的174 000 t单舷侧散货船(以下称“母型船”)基础上又开发了174 000 t双舷侧散货船(以下称“双壳船”)。在满足船东使用要求的前提下,必须以满足船舶设计的安全性和经济性为首要目标,同时考虑结构设计方案的合理性。
大型散货船总体性能设计和结构设计是船舶设计的基础,在船舶方案设计的初期就要考虑这些因素。在确定船舶主要要素数据和总体布置方案时,要考虑中横剖面的结构布置,因为中横剖面的设计关系到结构设计全局的合理性。
174 000 t散货船以运输铁矿石为主,兼顾谷物运输,往返于巴西—中国、澳大利亚—中国。在确定主尺度参数方案时必须考虑到该船型的航线、码头和船厂自身船台大小的限制等因素。
由于174 000 t单壳散货船(母型船)线型已做过船模试验,试验结果良好,为保证船舶快速性,故采用同一个线型。
174 000 t双壳散货船的主尺度确定,仅需考虑调整型深和结构吃水。考虑到单壳船变双壳船增加了空船重量,以及公约等其他要求,初步确定3种方案,见表1。此3种方案哪一个最合理,还要看方案是否满足公约规范和船东的要求,各种相互限制的因素是否达到最优。
表1 174 000 t双壳散货船主尺度方案 m
母型船:结构吃水为 18.10 m时,排水量Δ1=198 386 t;结构吃水为 18.20 m时,排水量Δ2=199 657 t。空船重量LW=23 600 t,货舱总容积=192 080 m3。
母型船中剖面划分以下几个基本区域:
(1)双层底区域:纵骨架式,纵骨间距0.86 m;双层底高度为2.45 m。
(2)底边舱:纵骨架式,纵骨间距0.86 m;底边舱上顶点距基线8.6 m。
通常情况下,为了装卸谷物的清仓方便,底边舱斜坡板与水平线夹角为45°,顶边舱斜坡板与水平线夹角为30°。
(3)顶边舱:纵骨架式,纵骨间距0.86 m;顶边舱下顶点距基线17.33 m。
(4)舷侧:横骨架式,骨材间距0.91 m。
(5)甲板:纵骨间距 0.86 m。
174 000 t单壳散货船中横剖面结构布置形式如图1所示。
图1 母型船中横剖面(单位:m)
规范公约的规定和船东要求及设计难点:
(1)SOLAS要求货舱区双边壳的距离不能小于1 m。
(2)IMO双边壳内固定式永久检验通道(PMA)的布置。
(3)货舱总舱容不能小于186 000 m3。
(4)载重量不小于174 000 t。
(5)满足B60型船舶干舷要求。
(6)满足散货船协调入级符号及相应装载工况URS25要求。
为了同时满足上述要求,在前面3个双壳散货船主尺度的基础上,对比母型船,考虑了对应的3种方案,如图2所示。图中,上甲板梁拱高1.1 m,水平直线段距船中半宽2.86 m。
图2 3种方案结构形式示意图(单位:m)
(1)根据PMA要求,货舱区横骨架式通道孔宽度不小于0.6 m,且通道上人孔的下沿到通道平台的距离不超过0.6 m,否则必须加装踏步。双舷侧内水平桁间距不能超过6 m,否则将另外设置固定式永久检验通道。此方案中双壳内通道平台间的距离分别为4.4、4.33 m,所以不必另外设置固定式永久检验通道。通道人孔的宽度为0.6 m,人孔下沿到对应平台的高度为0.6 m,此设计均满足散货船PMA对双边壳的要求。
(2)货舱区双边壳的距离是否满足1 m要求:双边壳在中横剖面处设置宽度为1.2 m,满足IMO要求,关键在于全部货舱区是否都满足这个要求。首部线型变化较小,相对容易满足要求,设计方法与尾部相似。由于该方案尾部货舱区线型曲率变化很大,很难满足要求,因此,内壳纵舱壁的布置不宜设置过多的折角线,否则会增加施工建造的难度。设计时可考虑在尾部货舱区,型深方向内壳设置2道折角线。此方案中,在Fr82处内壳与外板最小距离为0.903 m,小于1 m,不能满足IMO公约要求。
(3)好望角型散货船共有9个货舱,根据确定的折角线方案,算出货舱容积为173 450 m3,小于规定的186 000 m3,不能满足船东要求。
(4)根据ICLL66载重线公约1988修正案,计算此方案的干舷F:
式中:F0为B型干舷列表经过A型与B型船列表差60%修正过的干舷值,F0=3.66 m;F1为船长在100 m以下的船舶干舷修正值,F1=0 m;F2为方形系数修正,F2=0.507 m;F3为计算型深修正,F3=1.513 m;F4为对上层建筑和凸形甲板的干舷减除修正,F4=-0.013 m;F5为与标准舷弧差异的干舷修正,F5=0.802 m。
利用型线图,经过计算,干舷F=6.469 m。
设计干舷F'=计算型深-结构吃水=6.55 m,大于计算干舷6.469 m,满足载重线公约要求。
(5)载重量
由于双壳设置和顶边舱、底边舱的变化,空船重量经过估算相比单壳船增加了1 100 t。
载重量=Δ1-LW=173 686 t,没有满足载重量不小于174 000 t要求。
因为方案1舱容不足,所以考虑将顶边舱、底边舱空间适当减小,以增加货舱容积。
第9货舱区双边壳最小距离小于1 m,将中剖面双边壳的距离加到1.4 m,载重量不足增加0.1 m吃水,加以弥补。
(1)根据PMA规定,货舱区横骨架式通道孔宽度0.6 m,且通道上人孔的下沿到通道平台的距离0.6 m。此方案中双壳内通道距基线7.5 m平台与13 m平台之间的距离分别为5.5 m,距基线13 m平台与18 m平台之间的距离为5 m,不超过6 m,因此不必另设固定式永久检验通道。
(2)货舱区双边壳的距离是否满足1 m要求:双边壳在中横剖面处设置宽度为1.4 m,关键在于全部货舱区是否都满足这个要求。型深方向内壳设置2道折角线,折角线在线型曲率大的尾部货舱区经过仔细考虑,在Fr82内壳与外板出现最小距离为1.316 m,大于1 m,满足IMO公约要求。
(3)根据确定的折角线方案,算出9个货舱容积为182 450 m3,小于186 000 m3,仍不能满足船东的要求。
(4)方案2的计算干舷F与方案1相同,F'=6.469 m。
设计干舷F=6.45 m,小于计算干舷6.469 m,不能满足载重线公约要求。
(5)载重量
由于双壳设置以及顶边舱、底边舱的变化,空船重量经过估算增加了1 200 t。
载重量=Δ2-LW=174 857 t,满足载重量不小于174 000 t要求。
从方案1、方案2的结果可知,两方案舱容均没有满足最小舱容186 000 m3要求。考虑中剖面双边壳间距减至1.3 m,可适当减小顶边舱和底边舱的容积。另外,尾部第9货舱区的双边壳的间距为1.316 m,裕度较大也可以减小。方案2设计干舷差为0.045 m,所以考虑型深增加0.1 m。
(1)此方案中双壳内通道距基线7.3 m平台和13 m平台之间的距离为5.7 m,距基线13 m平台和18.75 m平台之间的距离为5.75 m,均不超过PMA规定的6 m,因此不必另设固定式永久检验通道。
(2)对货舱区双边壳内壳板折角线重新设计,在Fr81内壳与外板出现最小距离为1.131 m,大于1 m,满足IMO公约要求。
(3)根据确定的折角线方案,算出9个货舱总容积为186 950 m3,大于186 000 m3,满足要求。
(4)方案3的计算干舷与方案1、方案2相同,F=6.469 m。
设计干舷F'=6.55 m,大于计算干舷6.469 m,满足载重线公约要求。
(5)载重量:由于型深增加0.1 m及双边壳的变化,空船重量增加1 350 t。
载重量=Δ2-LW=174 707 t,满足载重量不小于174 000 t要求。
3种方案结果对比表见表2。
表2 3种方案结果对比表
通过上表可以看出,方案3满足了上述5个要求条件,因而是此3个方案中最佳方案。
(1)在方案设计过程中,货舱舱容不是越大越好。因为货舱容积过大,将导致压载舱容积变小,使船舶重压载离港时的船舶浮态不能满足 IACS、URS25中BC-A关于螺旋桨浸没比大于60%及首吃水不小于0.03 L(船长)或8 m两者最小值的要求[3]。
(2)在进行干舷校核时,计算型深虽未考虑干舷甲板边板的厚度,但可以满足规范要求。
(3)每种方案都进行了骨材的合理布置和结构规范计算,参考相似的母型船,采用合理恰当的估算方法,得到了较为准确的空船重量估算。
(4)设计时均已考虑了底边舱斜坡板与水平线夹角45°、顶边舱斜坡板与水平线夹角30°的要求。
(5)中剖面设计时,还要考虑舱口盖尺寸大小的要求,这关系到船舶在码头装卸货效率。本文3个方案均满足船东对舱口盖尺寸的最小要求。
本文介绍了双壳散货船中剖面方案设计的思路过程。设计时需要通过多次的结构布置与总体性能的综合考虑计算,才能找到最佳的设计方案。此次174 000 t双壳散货船的开发取得了实际意义,获得了一家国外船东共计12条船的订单,并建造完成交付使用。该船交付使用多年后安全运营,得到了船东认可,也为今后设计类似船舶提供了参考依据。
[1] 顾敏童.船舶设计原理[M].上海:上海交通大学出版社,2001.
[2] 桑松,林焰,纪卓尚.船舶初步设计阶段智能决策支持系统的应用[J].上海交通大学学报,2003,37(8):1238-1241.
U662.2
A
2015-01-04
刘颂军(1974—),男,工程师,从事船舶设计工作。