38000dw t小灵便散货船槽型横舱壁的设计研究

李 文 涛

（上海交通大学，上海 200030）

38000dw t小灵便散货船槽型横舱壁的设计研究

李 文 涛

（上海交通大学，上海 200030）

在目标38000dw t小灵便散货船的开发设计过程中，基于HCSR（散货船和油船共同规范）研究了无顶凳和底凳的槽型横舱壁的优点。通过分析槽型横舱壁在不同工况下所承受的载荷，运用参数优化来确定槽型横舱壁最佳槽条剖面几何要素，并分析了即将生效的协调共同规范对目标小灵便散货船槽型横舱壁的影响。为各个类型散货船确定槽型横舱壁几何要素提供参考。

协调共同规范；小灵便散货船；槽型横舱壁；结构重量优化；参数优化；名义平均净厚度

0　引 言

灵便型散货船按照吨位可分为大灵便型散货船和小灵便型散货船。小灵便型散货船有如下特点：1） 载重吨位一般＜4万 dw t；2） 满载的状况下能在全球中小型港口之间自由航行，结构吃水＜11m，自带克令吊和抓斗用来装卸货物；3） 适合运输谷物类、矿类、钢材、砂糖、化肥、水泥、原木、石膏等，货品几乎包含所有的散装和包装货物。同时，小灵便型散货船操纵灵活、建造和运输成本较低，目前小灵便型散货船的运力已占全球干散货船总运力的30%［1］左右，也是我国众多船厂争相建造的主流船型。

横舱壁是船体结构最主要的构件之一，它支持甲板、舷侧和底部结构，对保障船体横向强度起着重要的作用［2］。槽型横舱壁由于构造简单、施工方便、结构质量轻等优点，是小灵便型散货船最普遍采用的结构形式。

槽型横舱壁结构优化设计的主要目标是满足强度要求的同时达到结构质量最小［3，4］。名义平均厚度［5］作为优化指标来衡量整个槽型横舱壁的结构质量。在目标38000dw t小灵便散货船的开发设计过程中，基于CSR-H研究了无顶凳和底凳的槽型横舱壁结构型式的优点，分析了槽型横舱壁在不同工况下所承受的载荷，并尝试运用参数优化来确定槽型横舱壁最佳槽条剖面几何要素。并分析了即将生效的 CSR-H对目标小灵便散货船槽型横舱壁质量的影响。

1　目标38000dw t小灵便型散货船的概况

规范CSR-H新定义，对于型深＜18m 的干货舱或型深＜16m 的液货舱和压载舱，散货船的槽型横舱壁可以从内底板一直延伸到主甲板不设底凳和顶凳［6］。相对大型散货船来说，灵便型散货船横舱壁槽条两端的热点疲劳问题并不严重［7］，一般适当增加焊脚就可以解决。本文设计的小灵便散货船横舱壁采用了无底凳和顶凳的结构型式，同时舱口间甲板采用了双层甲板。无底凳和顶凳的槽型横舱壁结构的优点是：1） 增加了货舱舱容；2） 降低了船体结构质量；3） 有利于克令吊和舱口围油缸的底座加强。同时双层甲板形成的水密空间也能和纵向的上管弄连通，作为管系的布置通道。双层甲板也避免了舱口间甲板骨架与槽型横舱壁产生干涉。

2　基于CSR-H槽型横舱壁的侧向载荷和尺寸

在进行规范强度校核时，槽型横舱壁的载荷可以分为完整工况和进水工况分别考虑。完整工况的载荷由静载荷和动载荷合成，槽型横舱壁的决定性载荷又可分为货舱压载水和货物载荷两种情况。进水工况的载荷仅考虑净载荷，槽型横舱壁上起到决定性作用的载荷为隔舱重货满舱进水的情况。

槽型横舱壁的结构规范尺寸也分完整工况和进水工况分别校核。在完整工况下，槽型舱壁仅需校核屈服强度；在进水工况下，槽型横舱壁除了屈服强度以外，还要校核剪切强度、剪切屈曲和槽条的弯曲能力。此外，CSR-H还对槽型横舱壁的结构细则、最小净厚度要求和屈曲纤细比净厚度有相关要求。在两种工况条件下，CSR-H与原散货船共同规范［8］比较，CSR-H在完整工况下的规范载荷有较大的差异，进水工况下载荷保持不变；在规范结构尺寸方面，两者的规范公式都一致但结构细则上的要求存在部分差异，见表1。

表1　CSR-H规范相对于CSR规范的主要差异

3　基于CSR-H槽型横舱壁的参数优化

3.1参数优化在槽型舱壁结构重量优化中的应用

在规范设计角度来看，船体结构的参数优化［9］是选择描述船体结构的若干最重要参数作为设计变量，在规范许用应力范围内通过适当方式改变这些参数值，从而确定参数使结构物质量最轻。

3.2槽型横舱壁的名义平均净厚度

3.3槽条单元的净质量wij

最后一列槽条的单元质量wnj为：

图1　槽型横舱壁的构成

图2　槽条单元的分布

3.4槽型横舱壁的名义平均净厚度函数T

基于规范的优化设计，利用线性优化得到名义平均厚度的精确解比较复杂。这里通过选取参数d和φ一系列离散点来找出其规律，确定最优的槽条几何要素。在进行槽型舱壁离散点优化时，根据不同的货舱槽型横舱壁上载荷的不同，可以将目标小灵便散货船槽型横舱壁大致分为风暴压载槽型横舱壁和非风暴压载的槽型横舱壁区别考虑。其中非风暴压载的舱壁又根据在破舱时平衡水线的差别 ，可以分为第一货舱槽型横舱壁和其他普通槽型横舱壁。

3.5槽型舱壁上高强度钢的使用

当槽条中部和底部受到较大的压力时，或者当槽深d较小、槽条底部的弯曲应力比较严重时，选用高强度钢会减小槽条单元的净厚度，但并不是选用高强度钢就能减小净厚度。当槽条的板厚由屈曲纤细比净厚度要求决定时，选用高强度钢反而会增加槽条单元的净厚度。根据设计经验和反复计算比较，可以找到槽条下部、中部和上部最佳的材料组合。

3.7普通横舱壁、第一货舱横舱壁和风暴压载舱横舱壁名义平均净厚度的比较

当φ=60°时，普通横舱壁、第一货舱横舱壁和压载舱横舱壁的名义平均净厚度（见图4）。从图4可知，压载舱壁的板厚要求最大，第一货舱后舱壁的板厚要求其次，普通舱壁的最小；名义平均净厚度均随着槽深d的增大而增大。

图3　不同槽深和夹角下的平均名义净厚度

图4　不同舱室的槽型舱壁平均名义净厚度

表2　槽条的最佳材料组合

3.8其他因素对槽型横舱壁重量的影响和最终设计参数的选取

从上文中可以看出，总体来说槽深越小名义平均净厚度越小，槽型舱壁的质量越轻。但是在实船设计时，槽条的几何要素会受到规范和船舶功能性要求的约束。针对于目标小灵便散货船，以下列举了一些需要额外考虑的因数。

3） 几何尺寸的限制。对于最后一列槽条需要一定面板宽度，往往需要微调夹角φ；

4） 卸货板或封槽板的影响。为了卸货方便，散货船要在槽条底部设置卸货板或槽封板；

5） 货舱通道的影响。澳梯和双层底管弄通道往往设置在槽型舱壁上，槽型横舱壁的局部区域通常需要特别考虑；

6） 管系布置。轮机专业需要在槽型舱壁槽条内围出若干个单独的空间来满足管系的布置要求。例如货舱破损进水的测深与报警管系的布置、机械通风或管弄通风需要特殊的封槽来满足。

4　HCSR与CSR的对比

图5　目标散货船的最佳设计剖面

图6　HCSR与CSR规范下平均名义净厚度的对比

5　结 语

基于将生效的CSR-H，以平均名义净厚度来衡量槽型横舱壁的质量为基础，运用参数离散点优化，得到针对目标散货船槽型横舱壁的最佳设计参数和结论。

2） 舱室的属性和位置的不同，舱壁板厚的差别也比较大。压载舱壁的板厚要求最大，第一货舱后舱壁的板厚要求其次，普通舱壁的最小；

3） 与原散货船共同规范相比，CSR-H对普通槽型横舱壁的要求更为保守，对于兼作压载舱的横舱壁反而宽松了。但总体上来看，对横舱壁的结构质量的影响不大。

目前主流的散货船船型的主尺度、隔舱装载情况以及单个货舱的载重量等基本设计参数都大致相同，望能给在确定各个类型散货船槽型横舱壁几何要素时提供帮助。

［1］ 史鹏飞. 灵便型散货船经营策略及实证研究［D］. 大连：大连海事大学，2012.

［2］ 赵耕贤，郑君镐. 船舶设计实用手册（结构分册）［S］. 北京：国防工业出版社，2000.

［3］ 马静敏，沈友微，李 华. 基于iSIGHT 的油船槽形横舱壁优化设计［J］. 船海工程， 2005， （1）： 35-37.

［4］ 康美泽. 槽型舱壁结构强度与设计优化研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

［5］ 甘水来，李国强，李 勇. 基于共同规范的散货船槽型横舱壁设计研究［J］. 船舶与海洋工程，2014， （1）： 32-38.

［6］ IACS. Harmonized Common Structure Rules for Bulk Carriers and Oil Tanks［S］. 2015.

［7］ IACS. Consequence Assessment （CA） for HCSR- Summary Report［R］. 2014.

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

［9］ 曾广武. 船舶结构优化设计［M］. 武汉：华中科技大学出版社，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

李文涛，男，工程师，1984年生。2008年毕业于武汉工业学院机械设计制造及其自动化专业，现于上海交通大学船舶与海洋工程专业读工程硕士。任职于欧登塞海事技术（上海）有限公司，从事船舶结构基本设计工作。