大型散貨船槽形艙壁設(shè)計(jì)研究

1、大型散貨船槽形艙壁設(shè)計(jì)研究陳富斌 張偉上海外高橋造船有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)所【摘 要】 本文將基于散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（以下簡(jiǎn)稱(chēng)散貨船CSR），以SWS現(xiàn)行設(shè)計(jì)的186KBC為對(duì)象船，應(yīng)用相應(yīng)的規(guī)范計(jì)算軟件，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，分析探討貨艙槽型艙壁的精益設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和方法。 【關(guān)鍵詞】 槽形艙壁、下座墩、結(jié)構(gòu)重量1 前言 目前，低迷的國(guó)際航運(yùn)與船舶業(yè)未見(jiàn)復(fù)蘇跡象，整個(gè)造船業(yè)都處于訂單驟減、利潤(rùn)大幅下滑甚至負(fù)利潤(rùn)的境地。上海外高橋造船有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SWS）也面臨著前所未有的嚴(yán)峻形勢(shì)。降本增效成為SWS當(dāng)前生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)工作的重中之重。槽形艙壁是大型散貨船主船體結(jié)構(gòu)的重要組成部分。SWS設(shè)計(jì)的散貨船，其貨艙槽形艙

2、壁約占結(jié)構(gòu)重量的10%。以206K DWTBC為例，結(jié)構(gòu)重量約26000噸，槽形艙壁的結(jié)構(gòu)重量每?jī)?yōu)化5%，則可節(jié)省130噸的鋼材。此外，在SWS生產(chǎn)實(shí)踐中，槽形艙壁存在較多問(wèn)題，例如垂直邊板與內(nèi)底板的疲勞裂紋，槽形冷彎加工過(guò)程中水平板縫的橫向裂紋等問(wèn)題。對(duì)給定的目標(biāo)船186K DWT BC，在前期的方案設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在保證艙壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，如何合理地設(shè)計(jì)槽形艙壁的結(jié)構(gòu)形式及尺度，從而得到結(jié)構(gòu)重量更輕、施工難度更小的方案，這無(wú)疑對(duì)降低槽形艙壁的建造成本，提高生產(chǎn)效率有著非常實(shí)用的意義。 2 槽形艙壁的類(lèi)型、載荷分析2.1 槽型艙壁的類(lèi)型常見(jiàn)的槽形艙壁有三角形槽條、梯形槽條、矩形槽條等

3、。根據(jù)槽條的方向可將槽形艙壁分為水平槽形艙壁和垂直槽形艙壁。槽條的結(jié)構(gòu)形式通?？煞譃閮煞N：（1）整體式：槽形艙壁翼板與腹板采用等厚度 ,翼板與腹板連接折角處采用冷彎成型; （2）組合式：槽條翼板與腹板可采用不等厚度，翼板與腹板連接處采用角接焊型式。SWS設(shè)計(jì)的散貨船的槽形艙壁均為梯形剖面的整體式垂向槽形艙壁。整個(gè)艙壁分為下座墩、垂向槽形、上座墩。其中，垂向槽形由兩道水平板縫分為下部槽形、中部槽形和上部槽形三個(gè)部分。本文將重點(diǎn)研究梯形剖面整體式垂向槽形艙壁的特性及其精益設(shè)計(jì)。2.2 載荷分析與強(qiáng)度要求垂向槽形艙壁承受的載荷有：1）干散貨引起的側(cè)向壓力及剪切載荷；2）海水引起的側(cè)向壓力及剪切載荷；

4、3）進(jìn)水工況下，舷外海水壓力及剪切載荷；相應(yīng)的，垂向槽條的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求如下：槽條梁的抗彎能力，槽條梁腹板的抗剪切能力，槽條翼板和腹板的屈曲能力。3 槽條的尺度要素設(shè)計(jì)優(yōu)化3.1 槽條尺度要素及強(qiáng)度衡準(zhǔn)槽條的尺度要素如圖1所示：圖（1）其中：a翼板寬度 ; d槽形深度 ; 槽形夾角，55° tw腹板厚度 ; tf翼板厚度; Sc槽形寬度 ; c腹板寬度 。不難得出，c=(Sc-a)2+d2，tg=d/(Sc-a)。因此，作者將a、d、Sc、t作為槽形的四個(gè)基本尺度要素。散貨船槽形艙壁的尺度要求與強(qiáng)度衡準(zhǔn)比較繁雜，不同工況下的衡準(zhǔn)公式也有差別。對(duì)于該目標(biāo)船，經(jīng)計(jì)算得出，滿(mǎn)足彎曲能力和

5、板格厚度要求的t值定能滿(mǎn)足剪切和屈曲能力要求。因此，決定艙壁板厚t的主要因素有兩個(gè)：1） 橫向承載板格的凈板厚要求：完整工況下，槽條梁凈板厚公式：t15.8*Ca*Cr*sPs+Pwp*Ry 進(jìn)水工況下，槽條梁凈板厚公式：t14.9*s1.05PRe 其中，s為基本板格的寬度，對(duì)于整體型槽條， s=max(a,c)2） 抗彎能力要求：進(jìn)水工況下，槽條的抗彎能力應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：0.5Wle+Wm1000M0.95Re 其中：M槽條彎矩； Wle槽條下端的凈剖面模數(shù)；Wm槽條跨距中點(diǎn)的凈剖面模數(shù)，而M 、Wle和Wm的值與槽條的尺度要素a、d、Sc、t相關(guān)。3.2 尺度要素的選定槽條尺度要素的設(shè)計(jì)

6、基本步驟如下：1） 對(duì)a、d、Sc，初選一組大值（方案1）和一組小值（方案2），分別應(yīng)用于典型水密艙壁與深艙艙壁，求得t。在此，以206K DWT BC和82K DWT BC的槽條尺度要素分別選定為大值方案和小值方案。2） 對(duì)以上兩方案的結(jié)果進(jìn)行分析、判定優(yōu)化組合的方向。3） 選取合適的組合方案，以艙壁最小結(jié)構(gòu)重量為主要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比擇優(yōu)。各組合方案及結(jié)果如下：對(duì)典型水密艙壁：其中，t1下部槽形總板厚；t2中部槽形總板厚；t3上部槽形總板厚；Wact/Wreq槽形實(shí)際凈剖面模數(shù)值與規(guī)范要求值之比；L槽形垂向中點(diǎn)處半寬的橫剖面軌跡線(xiàn)總長(zhǎng)；Weight與t1、t2、t3相關(guān)的槽形艙壁板材的估算重量（包

7、括下座墩頂板和部分邊板 ，上座墩底板和部分邊板，具體要求見(jiàn)散貨船CSR），鋼板密度=7.85t/m3。Weight7.85*2*(h1*t1*L+h2*t2*L+h3*t3*L+3.9*t1*B1+1.3*t3*B2)/1000h1下部槽形高度，2.9m; h2中部槽形高度，7.595m; h3上部槽形高度，4.4m; B1下座墩頂板半寬，21.7m； B2上座墩頂板半寬，15m；顯然，方案6為最佳組合。對(duì)深艙艙壁：其中，方案2為最佳組合。3.3 結(jié)果分析對(duì)186K DWT BC，采用方案1與最佳尺度要素組合方案的槽形艙壁總重量差為：Weight(194.677-184.4)*6+(247.8

8、23-200.313)*2=156.68t,按每噸鋼料成本人民幣7000元計(jì)算，最佳方案可節(jié)省109萬(wàn)元，且減輕了空船重量，提高了船舶的載貨量和經(jīng)濟(jì)性能。針對(duì)某些船廠(chǎng)對(duì)垂向槽形取消水平板縫，采用同一板厚的做法，作者認(rèn)為：雖然同一板厚的槽條形式能減少工序，且能徹底消除橫向裂紋的頑疾，但是同一板厚方案明顯會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量和建造成本，影響船舶的經(jīng)濟(jì)性能，降低其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。若以最佳尺度組合，對(duì)槽條取消兩道水平板縫，選用同一板厚與不取消水平板縫，非同一板厚的總重量差為：Weight(203.3-184.4)*6+(216.895-200.313)*2=146.56T ，故不建議采用槽形上下同一板厚的方案。

9、4 下座墩的設(shè)計(jì)優(yōu)化下座墩的結(jié)構(gòu)形式和布置歷來(lái)是槽形艙壁設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)。在此，對(duì)SWS現(xiàn)有的散貨船產(chǎn)品176K DWT BC、206K DWT BC、82K DWT BC的下座墩的結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和比較。17 6KBC的下座墩設(shè)計(jì)方案如圖2所示： 此下座墩的主要缺陷在于：垂直的下座墩邊板與內(nèi)底板焊接處應(yīng)力值較高，易產(chǎn)生疲勞裂紋，即使將內(nèi)底板局部加厚，也很難有效解決該節(jié)點(diǎn)處的疲勞問(wèn)題。206K DWT BC設(shè)計(jì)初期，下座墩的結(jié)構(gòu)形式有兩個(gè)方案，如圖（3）、圖（4）所示： 兩個(gè)方案都以雙傾斜的邊板來(lái)解決垂直邊板帶來(lái)的疲勞問(wèn)題，方案1的優(yōu)點(diǎn)是斜頂板兼作卸貨板，省掉一側(cè)卸貨板，缺點(diǎn)則在于

10、下座墩斜頂板與邊板的夾角過(guò)?。?lt;30°），不利于生產(chǎn)施工和保證焊接質(zhì)量；方案2則是采用水平頂板與對(duì)稱(chēng)的封槽板與卸貨板，增加了封槽板和卸貨板的內(nèi)部施工空間，且對(duì)增加槽條下端的剖面模數(shù)更有利。206K DWT BC最終選擇了方案2。 82K DWT BC的下座墩的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，此形式與206K DWT BC方案1所不同的是：斜頂板與邊板連接處采用冷彎加工工藝。規(guī)范中沒(méi)有對(duì)該節(jié)點(diǎn)形式的標(biāo)準(zhǔn)或注釋?zhuān)覉A弧加工處鋼板的塑性變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力的的相互作用是否會(huì)使焊縫產(chǎn)生裂紋也尚未可知，此下座墩在 SWS尚屬首次，效果如何有待生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn)。在綜合了現(xiàn)有幾型散貨船的槽形艙壁

11、的設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的研究和權(quán)衡，186K DWT BC的槽形艙壁下座墩的設(shè)計(jì)方案如圖6所示。此下座墩形式較206K DWT BC的優(yōu)點(diǎn)有：1）采用對(duì)稱(chēng)的下座墩斜板，槽形艙壁分段在胎架上翻身后無(wú)需重新調(diào)整胎架，且同一個(gè)胎架適用除深艙艙壁之外的所有典型水密槽形艙壁，提高了胎架利用率，減少施工場(chǎng)地需求;2）整體式封槽板和卸貨板，可適量減少狹小空間內(nèi)的焊接工作量。5結(jié)論與建議 本文針對(duì)SWS新一代好望角型散貨船186K DWT BC槽形艙壁的尺度要素以及下座墩的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究分析，并提出了優(yōu)化方案。作者認(rèn)為，優(yōu)化改進(jìn)后的槽形艙壁在結(jié)構(gòu)減重和便于生產(chǎn)建造兩方面都更具優(yōu)勢(shì)。 此外，由于規(guī)范計(jì)算對(duì)槽條翼板和腹板的板厚要求不同，若采用翼板與腹板不等厚的組合式槽形艙壁，不僅對(duì)結(jié)構(gòu)減重更有利，而且以腹板與翼板角接焊代替整體式槽條翼板的對(duì)接焊和折角處冷彎加工，將簡(jiǎn)化工藝流程，節(jié)約施工場(chǎng)地，大大提高槽形艙壁的制造精度，降低分段搭載的難度，整體提高生產(chǎn)效率。建議SW