VLCC結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究邱偉強(708研究所,上海20001)摘裏:著重介紹了VLCC中橫剖面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,涉及合理分艙、縱骨剖面及間距、支撐結(jié)構(gòu)等設(shè)計考慮。在保證結(jié)構(gòu)強度、剛度、疲勞壽命的前提下,追求最輕的空船重量、最簡單的工藝、最方便的施工。關(guān)鍵詞: VLCC;結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計;中橫剖面中團分類號: U674.13*3.1文獻標識碼: B文章編號: 1005 9962(2006 )040013-03Abstract: This paper introduces the design optimization of VLCC 's mid-transverse cross section, including the design con-sideration on reasonable subdivision, longitudinal profile and support structure. On the premise of ensuring structurestrength, rigidity and fatigue life, the minimun lightweight, the simplest technology and most convenient engineering arepersued.Key words: VLCC; optimization design of structures ; midship section(3)在增加重量不多的前提下,盡量減少不同1前言板厚、板寬的材料規(guī)格,以及型材和組合型材的規(guī)超大型原油船( VLCC)是當前世界油運市場上格,盡量少使用船廠難以定到的板厚規(guī)格、型材,以的主力船型,近10年來VLCC的需求量一直相當穩(wěn)減少定貨時間和費用。定。(4)在保證結(jié)構(gòu)強度和剛度的前提下,在橫向我國是一個石油進口大國。但是,目前進口油強框架結(jié)構(gòu).上開設(shè)足夠數(shù)量的通孔和工藝孔,方便的國輪運輸量還不足10%,因此提高國輪運輸量對工人施工和驗船師的檢驗。于確保我國的能源安全和經(jīng)濟發(fā)展具有戰(zhàn)略性的意(5)考慮吸口和壓載管系的布置。義。(6)考慮壓載艙內(nèi)和油艙內(nèi)縱向PMA通道的目前我國制造的VLCC的工業(yè)配套設(shè)施還多依設(shè)置等。賴進口,船廠利潤主要來源為主船體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的優(yōu)2.2 合理的分艙化設(shè)計成為我國VLCC設(shè)計中最具備競爭力的因素合理的油艙、壓載艙之間的容積比、形狀設(shè)計對之一。在保證結(jié)構(gòu)強度、剛度、疲勞壽命的前提下，VLCC 的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著極為重要的影響。追求最輕的空船重量、最簡單的工藝、最方便的施工縱向的貨油艙位置及長度劃分通常要兼顧到艙成為結(jié)構(gòu)設(shè)計者最大的目標。容、總縱強度、破艙穩(wěn)性、裝卸貨油方便等因素,本文2 VLCC 中橫剖面的優(yōu)化設(shè)計重點研究油艙、壓載艙之間的容積之比油水艙形狀設(shè)計等。2.1 優(yōu)化必須兼顧的因素根據(jù)不同的船舶用途,業(yè)主要求制定出合理的所謂最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅僅是指在保證船體結(jié)主尺度、貨油艙劃分方案對于結(jié)構(gòu)設(shè)計特別是空船構(gòu)強度的前提下最輕的空船重量,至少還應(yīng)考慮節(jié)重量的控制有著至關(guān)重要的影響,應(yīng)當在廣泛調(diào)研省工時和工藝上的可操作性。其中包括以下幾個方的基礎(chǔ)上,根據(jù)總體艙容、吃水、航區(qū)和業(yè)主的一些面:特殊要求具體分析,力求在滿足強度要求的前提下，(1)合理設(shè)計縱骨穿過強框架的節(jié)點,盡可能有效控制重量,合理分布板厚和構(gòu)件，簡化工藝,減減少補板、小肘板的數(shù)量,在滿足強度的前提下補板少工時。的形式盡量簡單。經(jīng)過反復(fù)比較已建和研發(fā)的VLCC分艙數(shù)據(jù),(2)在增加重量不多的前提下,盡量減少板縫,可給出設(shè)計VLCC貨油艙劃分的推薦初始比例系包括減少縱骨的數(shù)量,以及不同厚度的板之間、不同數(shù)。比如,大多VLCC的中間油艙與邊油艙寬度之相鄰構(gòu)件之間的焊縫數(shù)量。比在1 55大七創(chuàng)功艙艙辟俑斜角度在52°左右;作者簡介:邱偉強,男,工程師。1975 年生,2000年哈爾濱工常規(guī)中國煤化工壓載艙與油艙的程大學船舶設(shè)計制造專業(yè)碩士研究生畢業(yè),現(xiàn)從本租:YHCNMHG事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。在實際設(shè)計過程中,由于縱骨間距的限制和最上海造船2006 年第4期(總第68期)-13一小壓載艙容的要求等原因,以上幾個比例系數(shù)很有構(gòu)有限元分析,定性地給出隨著分艙不同,縱向強力可能不會同時滿足,應(yīng)根據(jù)實際情況,權(quán)衡利弊,再構(gòu)件和強框架結(jié)構(gòu)板厚分布的大致變化，給出一個做適當調(diào)整。最好是在設(shè)計的初期,多準備幾套方最佳的VLCC油、水艙大小分配比例系數(shù)。案,建立一系列總縱強度計算模型、細網(wǎng)格的強框架2.3縱骨 間距的優(yōu)化有限元模型,做初步的船梁剖面模數(shù)校核和橫向結(jié)2.3.1參考積累的統(tǒng)計數(shù)據(jù)( 見表1)表1 7艘VLCC的縱骨間距的統(tǒng)計數(shù)據(jù)VLCC編號甲板和底部縱骨間距/mm960920850910/84050900舷側(cè)縱骨間距/mm975850/9008402.3.2優(yōu)化必須滿足的要求的厚板規(guī)格相對少一些。而采用大的縱骨間距的主所有構(gòu)件滿足規(guī)范的局部強度、屈曲強度、腐蝕要目的是減少焊接工作量和方便管系布置。到底應(yīng)要求,甲板處船體梁剖面模數(shù)滿足總強度儲備的要該采用何種縱骨間距方案,應(yīng)根據(jù)單位工時費用、采購能力、分段吊裝能力等來綜合評定。2.3.3優(yōu)化方案的選擇2.4縱骨 剖面的優(yōu)化理想優(yōu)化設(shè)計的方法應(yīng)當是將縱骨間距視為可2.4.1縱骨剖面設(shè)計的基本要求連續(xù)變化的設(shè)計變量。而實際上由于受到工藝性、(1)最小厚度要求;(2)局部強度要求;(3)屈實用性船體縱艙壁位置、輪機管系及吸口大小的限曲強度要求;(4)疲勞強度的初步評估。制，縱骨間距是不可能連續(xù)變化的。根據(jù)經(jīng)驗及專2.4.2優(yōu)化目標 .業(yè)之間的協(xié)商,暫定備選方案為:850 mm、900 mm在各方案均滿足前面所設(shè)定的約束條件的前提和950 mm。下,追求縱骨腹板和面板面積之和最小,即:在其他2.3.4優(yōu)化目標條件相同的情況下,追求最輕的縱向構(gòu)件總重量。優(yōu)化目標是，在各方案均滿足前面所設(shè)定的約2.4.3縱骨剖面優(yōu)化方法束條件的前提下,追求中剖面縱向構(gòu)件面積之和VLCC的縱骨,由于承受的局部水壓頭大且跨(表征縱向構(gòu)件的重量)最小。距也大，多采用T型材。一個典型的縱骨剖面是由2.3.5優(yōu)化結(jié)果面板腹板和帶板構(gòu)成,增加剖面模數(shù)最有效的辦法在縱骨間距各方案計算分析過程中,為了便于是增加腹板高度,或者高度不變,增加面板面積。比較,對不同縱骨間距的相同區(qū)域,縱向構(gòu)件材料均剖面慣性矩正比于腹板高度的三次方和腹板厚采用相同等級的鋼種、相同的剖面模數(shù)裕量和板厚度的一次方,而有效剪切面積正比于腹板高度的一裕量;對于整體剖面模數(shù)的裕量的控制,也采用統(tǒng)一次方和腹板厚度的一次方。因此,從滿足構(gòu)件的剪的標準。切強度條件出發(fā),變化腹板高度和腹板厚度對于優(yōu)按照上述的優(yōu)化方法,針對某VLCC的中橫剖化構(gòu)件重量具有同樣效果;從滿足構(gòu)件的彎曲強度面進行優(yōu)化設(shè)計,對3種縱骨間距的方案分別進行的條件出發(fā),則是盡量把尺寸增加到腹板高度上,盡了設(shè)計與計算。計算的結(jié)果比較見表2。量減小腹板厚度,對于降低構(gòu)件重量最為有利。即:裹23種縱骨間距方案縱向構(gòu)件面積計算結(jié)果比較從構(gòu)件的剪切強度、彎曲強度的要求出發(fā),腹板厚度縱骨間距總強度儲備縱向構(gòu)件愈小,對于優(yōu)化構(gòu)件重量最有利;縱骨的面板面積對方案/mm甲板/(%)底部/(%)面積/cm2于縱骨的慣性矩影響也較明顯。A107123.9120 2312.4.4優(yōu)化結(jié)果 .126.4 .122 261假設(shè)縱骨腹板的最小厚度由規(guī)范要求已確定，950127.3122 429將縱骨剖面的總面積視為一個確定量,把縱骨的剖由表2可知,方案A的結(jié)構(gòu)重量最輕,其縱向面模數(shù)函數(shù)對腹板面積求導,當其-階導數(shù)為零時，構(gòu)件重量比方案B與C分別輕1.66%和1.80%?？v骨的剖而植粉計到如估佃沿帶板面積相對于縱但方案A的缺點是縱骨的數(shù)量相對較多。骨面YH中國煤化工可以得到解析由以上分析可以得出結(jié)論:對于VLCC船型,略解:腹C N M H G寸,縱骨剖面達到小的縱骨間距對于空船重量控制更為有利,所使用極值,單位縱骨面積的剖面模數(shù)最大。同樣,在其他一14一邱偉強:VLCC結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究區(qū)域,當帶板面積- -定時,也有最佳的腹板面積與縱厚度)最好不應(yīng)超過650 mm;另外在距離中和軸較骨總面積之比。遠處,考慮到縱骨腹板失穩(wěn)的問題，腹板高度也不能以上是基于彎曲強度條件的縱骨剖面優(yōu)化方取得太高;在底部為了給壓載管系騰出空間,縱骨尺法,此外還有基于屈曲強度、剪切強度的縱骨剖面優(yōu)寸也不宜取得過大。 為了船廠定貨和施工方便,縱化方法。這些方法不管開始的基本假設(shè)是基于何種骨的面板應(yīng)盡量使用已經(jīng)選用的板厚,并且縱骨的理論,最終都需要滿足縱骨的強度、剛度、疲勞壽命規(guī)格應(yīng)盡量少?？v骨的面板不宜過寬,以免縱骨穿等要求,所以得到的優(yōu)化結(jié)果比較接近,不同優(yōu)化方越孔過大影響肋板剪切強度。法得到的最優(yōu)縱骨尺寸相差在5%以內(nèi)。2.5主要支撐結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計當然,實際選用縱骨時受到很多條件的限制。2.5.1強框間距的選擇例如:對于底部縱骨,可能理想的腹板高度為750首先參考以往的經(jīng)驗,給出幾艘VLCC的強框mm,而實際上考慮施工方便,最大縱骨高度(含面板間距(見表3)。表37艘VLCC三種縱骨間距方案縱向構(gòu)件面積計算結(jié)果比較VLCC編號12467強框間距/mm5 7005 6405 6606 10056006 000VLCC貨油艙長度在250 ~260 m之間,強框間.減少縱骨最小剖面模數(shù)也是有貢獻的。比如某VL-距~般在5.6~6.1 m之間,應(yīng)當取多少與總縱強度CC,對挺筋的高度及其端部軟趾半徑做適當優(yōu)化有關(guān)。例如某VLCC中間設(shè)有中壓載艙時,靜水彎后,可節(jié)省結(jié)構(gòu)重量80多噸。矩相對較小,取強框間距為5.6 m左右比較合適,此2.5.3其他主要支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計時甲板構(gòu)件在滿足局部強度的同時也恰巧滿足了總其他主要支撐結(jié)構(gòu)，如強框架和水平桁的腹板縱強度(裕量小于5%)。但若強框間距取6.1 m,高度及厚度,面板寬度及厚度,強框和水平桁buck-局部強度下構(gòu)件尺寸增加很多,總縱強度的余量就ling siffener的間距及尺寸,開設(shè)通孔的位置及尺寸太大了些。反之取5. 0 m則需要特別增大甲板區(qū)域等參數(shù)主要是取決于三維艙段有限元計算的結(jié)果，的構(gòu)件尺寸才能滿足總縱強度。但如果沒有中壓載能否合理分布構(gòu)件尺寸與前面提到的油、水艙劃分艙,靜水彎矩稍大,則可以考慮取大一點的強框間及形狀有很大關(guān)系。計算過程應(yīng)以入級船級社規(guī)范距,縱骨在局部強度要求下尺寸加大,總的剖面模數(shù)為依據(jù)。也隨之增大。2.6其他應(yīng)考 慮的問題2.5.2縱骨穿過強框架時的節(jié) 點設(shè)計比如說船體梁整體、局部板架.骨材以及板格的在動載荷大的區(qū)域(如舷側(cè)外板水線附近)、舭穩(wěn)定性問題; 局部增加構(gòu)件強度和剛度儲備以提高部轉(zhuǎn)角處等應(yīng)特別注意縱骨穿過強框架時的節(jié)點設(shè)關(guān)鍵區(qū)域疲勞 壽命;合理調(diào)整高強度鋼的使用比例，計。同時也應(yīng)注意在使縱骨滿足屈服和疲勞強度的以求在更輕的空船重量和更長的構(gòu)件疲勞壽命之間同時,使縱骨穿過強框架的節(jié)點最簡單,盡量節(jié)省工尋求平衡點;為了工人施工的方便,有意改變艙壁縱藝要求。骨的位置和尺寸來代替腳手架等等。國外有一些事同時要注意:對于在底部和舷側(cè)，與縱骨在-一個實證明節(jié)省工藝的設(shè)計方案,可以借鑒參考,并綜合強框范圍內(nèi)形成閉合區(qū)域的縱骨間挺筋而言,實肋考慮各種因素,使得船舶的安全性、工藝性和經(jīng)濟性板_上:挺筋的高度適當提高對于減小縱骨跨距、進而都得到最大限度的保證。中國煤化工MYHCNMHG上海造船2006 年第4期(總第68期)一15一