VLCC直立艏结构优化设计

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(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

近年来，船舶艏部结构设计有较大的发展变化，越来越多的低速肥大型运输船艏部采用直立艏线型设计。所谓直立艏，即艏柱侧轮廓体现为竖直的直线，但在横剖面上还是有一定的球艏特征，见图1。直立艏通过增加两柱间长，可大幅减小艏部水线的进流角和艏肩部水线的变化率，从而改善首部和全船的压力分布，减小剩余阻力，提高阻力性能[1]。

图1 传统球艏与直立艏

对于VLCC而言，直立艏还能增加艏部浮力，改善船舶航行时的浮态，避免艏倾。更有利于匹配超长冲程低速柴油机和大直径螺旋桨，从而降低油耗。本单位首次在国际上将直立艏线性设计应用于VLCC船型，结合线型优化等多种手段，完成各项设计指标并顺利交船，该系列船目前运行良好[2]。为此，总结VICC直立艏结构设计中的相关问题如下。

1 直立艏结构设计的相关问题

1.1 总纵强度计算

由于两柱间长增长导致结构水线增加，而船体梁总纵强度计算受结构船长的影响很大，如式(1)～式(6)所示，结构船长的增加会导致HCSR要求航行工况下最小中拱静水弯矩、中垂静水弯矩、中拱波浪弯矩、中垂波浪弯矩、中垂波浪剪力、中拱波浪剪力等设计参数均有不同程度的增加。

航行工况最小中拱静水弯矩为

Msw-h-min=fsw(171CwL2B·

(CB+0.7)10-3-Mwv-hog)

(1)

航行工况最小中垂静水弯矩为

Msw-s-min=-0.85fsw(171CwL2B·

(CB+0.7)10-3+Mwv-sag)

(2)

中拱波浪弯矩为

Mwv-hog=0.19fnl-vhfmfpCwL2BCB

(3)

中垂波浪弯矩为

Mwv-sag=-0.19fnl-vsfmfpCwL2BCB

(4)

中拱波浪剪力为

Qwv-pos=0.52fqwv-posfpCwvLBCB

(5)

中垂波浪剪力为

Qwv-neg=-0.52fqwv-negfpCwvLBCB

(6)

式中：L为结构船长。

结构船长的增加对各设计参数和结构质量的影响统计见表1。

由表1可知，虽然CSR要求的最小中拱静水弯矩和最小中垂静水弯矩增加幅度较大，但是仍小于装载手册中各装载工况静水弯矩包络值，对结构质量不会产生不利影响。影响较大的主要是垂向波浪弯矩和垂向波浪剪力。受影响的还有水平波浪弯矩、波浪转矩等参数，对结构质量也造成了一定的增加。

表1 结构船长增加对各设计参数的影响

1.2 艏部波浪冲击载荷

HCSR认为，对于散货船和油船等艏部较为饱满的船型，当艏部横剖线切向角度γWL(见图2)大于50°且水线切向角度αWL(见图2)大于35°时，首部外板受到的外部载荷类型为波浪冲击载荷而非外飘砰击载荷。通常外飘砰击载荷随着横剖线切向角度γWL的变大而相应变小[3-4]，而波浪冲击载荷与横剖线切向角度γWL的变化关系与此恰恰相反。HCSR首部冲击载荷计算如下[5]。

(7)

式(7)表明，γWL越大，冲击载荷就越大，所以理论上直立艏的冲击载荷会大于球鼻艏。

某VLCC直立艏和球艏线型方案见图3。直立艏方案中各横剖线切向角γWL角度普遍在60°以上，且角度变化较为缓和，而球艏方案γWL角度变化范围较大，球鼻艏处γWL角度在20°～60°之间急剧过渡。HCSR中规定，γWL角的计算值不得小于50°。

图2 艏部冲击载荷几何参数示意

图3 船艏冲击加强的要求范围

HCSR规定需考虑船艏冲击载荷的区域见图3。式(7)分别计算图4所示2种线型对应的冲击载荷。纵向计算范围取为距离艏柱0.1L，垂向范围取为艏部压载吃水(12 m)以上至主甲板。计算结果见表2、3。

图4 某VLCC2种首部线型方案

kN/m2

表3 球鼻艏方案冲击载荷值 kN/m2

为方便对比，将表2、3数据生成冲击载荷云图见图5。由图5可见，冲击载荷值由艉向艏逐渐增大，随着γWL角度的变大逐渐增大。结构吃水(21 m)以上的首部前端是冲击载荷高压区。直立艏的冲击载荷极值和范围都比球艏型更大。

图5 2种艏部线型对应冲击载荷对比

2 直立艏结构优化设计的方法

为解决直立艏线型特点带来的结构增重问题，必须有针对性地采取一些结构设计优化方法以减小其负面影响。

2.1 艏尖舱类型

如1.1所述，采用直立艏线型会导致总纵强度计算相关的设计参数偏大。为了减少这一影响，将艏尖舱设置为空舱，这样布置可减小压载工况下的中拱静水弯矩，从而避免设计弯矩增加过多。同时，中纵、横向位置不再需设置制荡舱壁，而改为开放的框架式结构，以减轻结构重量。

艏尖舱设为空舱还可以减少构件的腐蚀余量，减少PSPC工作量，减少作为压载舱必备的管系、阀门、液位遥测等系统，从而减少船厂的建造成本。

2.2 线型设计

艏部压载吃水以上的舷侧结构的构件尺寸主要由艏部冲击加强要求决定。如1.2所述，艏部波浪冲击载荷与横剖线切向角γWL密切相关。在结构水线以上的线型可以适当外飘，既可以避免冲击载荷增大过多，还能减少甲板上浪，也有利于收、抛锚作业。

2.3 冲击载荷计算

准确计算艏部冲击载荷是选取构件尺寸及减轻结构质量的关键。如式(7)所示，冲击载荷的规范计算公式调用参数多，且不同位置的参数取值区别很大。横剖线切向角γWL和水线切向角αWL一般通过作图量取，比较繁琐。为了避免构件尺寸的过度冗余，必须尽可能多地计算不同位置的载荷，计算工作量非常大，而且容易出错。为此，总结一套计算规范要求加强区域所有位置冲击载荷的计算方法，通过采集艏部线型型值计算出横剖线切向角γWL和水线切向角αWL，从而快速准确计算相应位置所承受的冲击载荷。

从首部压载吃水以上按相等间距取一定数量的水线，并采集其在各档肋位处的距中心线距离，见表4。根据线型的外飘程度确定水线间距，通常以1 m为宜。通过编制LISP程序在CAD中快速完成型值采集。

得到如表4中的水线型值后，即可根据同一水线相邻肋位采集点的相对坐标计算两档肋位之间的水线切向角αWL；根据同一肋位相邻水线采集点的相对坐标计算两水线高度之间的横剖线切向角γWL，代入其他参数，最终计算出相应位置的冲击载荷值。

表4 型值输入表 m

得到加强区域的冲击载荷后，可生成冲击载荷云图，便于高效准确地对外板构件尺寸进行分组。对于云图显示载荷较大的区域，进行相应的结构构件加密布置。

2.4 结构优化布置

为减轻质量，艏部开孔平台在保证强度的基础上设计为一定程度上的开敞式框架结构，两舷平台部分类似于高腹板的舷侧纵桁，见图6。在上甲板支柱下端采用高腹板纵桁作为支撑，替代需每层平台设置支柱的常规做法。

图6 艏部平台开敞式结构示例

舷侧纵骨由强肋骨提供支撑。随着往艏外板线型的变化，强肋骨如仍按一定的肋位间距布置，展开的强框间距会不断变大，同时强肋骨与外板的夹角过小，均不利于抵御首部冲击载荷。因此，艏端的强肋骨通常配合甲板构件设计为放射状布置。这种形式的构件布置既可以控制纵骨的跨距，又可使强肋骨腹板与外板的夹角控制在较为理想的范围内，见图7。

图7 艏部主要构件放射状布置

加强区域内舷侧外板的厚度随着冲击载荷向艏增加而增加。采用高强度钢对减小冲击区域的船底板厚度十分有效。适当在纵向位置增加船底板的横向板缝，减小板厚增加的梯度，有利于减轻冲击区域船底板的质量。

对于冲击加强区域的舷侧纵骨，针对冲击加强的模数要求是基于塑性剖面模数的，在选取纵骨尺寸时应避免误用弹性剖面模数，造成骨材重量不必要的增加。在舷侧纵骨穿过强框处双面设置加大的肘板，减小纵骨跨距，可有效减小纵骨尺寸。采用高强度钢对减小冲击加强区域舷侧纵骨尺寸非常有效。

3 结论

通过将艏尖舱设置为空舱，可减小压载工况下的中拱静水弯矩,减少因结构船长变长后波浪弯距增加带来的负面影响。结构水线以上的线型适当外飘，可以避免冲击载荷增大过多。通过采集首部线型型值计算出横剖线切向角γWL和水线切向角αWL，进而准确计算所有加强区域的冲击载荷，可帮助合理选取艏部构件尺寸，避免结构冗余。通过采用开敞式平台结构、放射状强肋骨布置等结构布置方法也可减轻结构重量。根据实船统计结果，经过优化设计的直立型首部结构重量甚至比母型船的球鼻型艏部结构重量更轻，达到了优化目标。