大型散货船槽形舱壁设计研究

大型散货船槽形舱壁设计研究

陈富斌 张伟

上海外高桥造船有限公司研发设计所

【摘 要】 本文将基于散货船共同结构规范（以下简称散货船CSR），以SWS现行设计的186KBC为对象船，应用相应的规范计算软件，并结合生产实践，分析探讨货舱槽型舱壁的精益设计的关键和方法。

【关键词】 槽形舱壁、下座墩、结构重量

1 前言

目前，低迷的国际航运与船舶业未见复苏迹象，整个造船业都处于订单骤减、利润大幅下滑甚至负利润的境地。上海外高桥造船有限公司（以下简称SWS）也面临着前所未有的严峻形势。降本增效成为SWS当前生产经营工作的重中之重。

槽形舱壁是大型散货船主船体结构的重要组成部分。SWS设计的散货船，其货舱槽形舱壁约占结构重量的10%。以206K DWTBC为例，结构重量约26000吨，槽形舱壁的结构重量每优化5%，则可节省130吨的钢材。此外，在SWS生产实践中，槽形舱壁存在较多问题，例如垂直边板与内底板的疲劳裂纹，槽形冷弯加工过程中水平板缝的横向裂纹等问题。

对给定的目标船186K DWT BC，在前期的方案设计与详细设计过程中，在保证舱壁结构强度的前提下，如何合理地设计槽形舱壁的结构形式及尺度，从而得到结构重量更轻、施工难度更小的方案，这无疑对降低槽形舱壁的建造成本，提高生产效率有着非常实用的意义。

2 槽形舱壁的类型、载荷分析

2.1 槽型舱壁的类型

常见的槽形舱壁有三角形槽条、梯形槽条、矩形槽条等。根据槽条的方向可将槽形舱壁分为水平槽形舱壁和垂直槽形舱壁。槽条的结构形式通常可分为两种：（1）整体式：槽形舱壁翼板与腹板采用等厚度 ,翼板与腹板连接折角处采用冷弯成型; （2）组合式：槽条翼板与腹板可采用不等厚度，翼板与腹板连接处采用角接焊型式。

SWS设计的散货船的槽形舱壁均为梯形剖面的整体式垂向槽形舱壁。整个舱壁分为下座墩、垂向槽形、上座墩。其中，垂向槽形由两道水平板缝分为下部槽形、中部槽形和上部槽形三个部分。

本文将重点研究梯形剖面整体式垂向槽形舱壁的特性及其精益设计。

2.2 载荷分析与强度要求

垂向槽形舱壁承受的载荷有： 1）干散货引起的侧向压力及剪切载荷；

2）海水引起的侧向压力及剪切载荷； 3）进水工况下，舷外海水压力及剪切载荷；

相应的，垂向槽条的强度和稳定性要求如下：槽条梁的抗弯能力，槽条梁腹板的抗剪切能力，槽条翼板和腹板的屈曲能力。

3 槽条的尺度要素设计优化

3.1 槽条尺度要素及强度衡准

槽条的尺度要素如图1所示：

图（1）

其中：a——翼板宽度 ; d——槽形深度 ; φ——槽形夹角，φ≥55°; tw——腹板厚度 ; tf——翼板厚度; Sc——槽形宽度 ; c——腹板宽度 。

不难得出，c=√(Sc−a)2+d2 ，tgφ=d/(Sc-a)。因此，作者将a、d、Sc、t作为槽形的四个基本尺度要素。

散货船槽形舱壁的尺度要求与强度衡准比较繁杂，不同工况下的衡准公式也有差别。对于该目标船，经计算得出，满足弯曲能力和板格厚度要求的t值定能满足剪切和屈曲能力要求。因此，决定舱壁板厚t的主要因素有两个： 1） 横向承载板格的净板厚要求：

完整工况下，槽条梁净板厚公式：t≥15.8∗Ca∗Cr∗s√进水工况下，槽条梁净板厚公式：t≥14.9∗s√

1.05PRe

Ps+Pwλp∗Ry

其中，s为基本板格的宽度，对于整体型槽条， s=max(a,c) 2） 抗弯能力要求：

进水工况下，槽条的抗弯能力应满足以下要求：0.5Wle+Wm≥0.95Re

其中：M——槽条弯矩； Wle——槽条下端的净剖面模数；Wm——槽条跨距中点的净剖面模数，而M 、Wle和Wm的值与槽条的尺度要素a、d、Sc、t相关。

1000M

3.2 尺度要素的选定

槽条尺度要素的设计基本步骤如下：

1） 对a、d、Sc，初选一组大值（方案1）和一组小值（方案2），分别应用于典型水密舱壁与深舱舱壁，求得t。

在此，以206K DWT BC和82K DWT BC的槽条尺度要素分别选定为大值方案和小值方案。 2） 对以上两方案的结果进行分析、判定优化组合的方向。

3） 选取合适的组合方案，以舱壁最小结构重量为主要标准，对比择优。

各组合方案及结果如下： 对典型水密舱壁：

其中，t1——下部槽形总板厚；t2——中部槽形总板厚；t3——上部槽形总板厚；Wact/Wreq——槽形实际净剖面模数值与规范要求值之比；L——槽形垂向中点处半宽的横剖面轨迹线总长；Weight——与t1、t2、t3相关的槽形舱壁板材的估算重量（包括下座墩顶板和部分边板 ，上座墩底板和部分边板，具体要求见散货船CSR），钢板密度ρ=7.85t/m3。 Weight≈7.85*2*(h1*t1*L+h2*t2*L+h3*t3*L+3.9*t1*B1+1.3*t3*B2)/1000

h1——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——下座墩顶板半宽，21.7m； B2——上座墩顶板半宽，15m；

显然，方案6为最佳组合。 对深舱舱壁：

其中，方案2为最佳组合。

3.3 结果分析

对186K DWT BC，采用方案1与最佳尺度要素组合方案的槽形舱壁总重量差为： ΔWeight≈(194.677-184.4)*6+(247.823-200.313)*2=156.68t,按每吨钢料成本人民币

7000元计算，最佳方案可节省109万元，且减轻了空船重量，提高了船舶的载货量和经济性能。

针对某些船厂对垂向槽形取消水平板缝，采用同一板厚的做法，作者认为：虽然同一板厚的槽条形式能减少工序，且能彻底消除横向裂纹的顽疾，但是同一板厚方案明显会增加结构重量和建造成本，影响船舶的经济性能，降低其市场竞争力。若以最佳尺度组合，对槽条取消两道水平板缝，选用同一板厚与不取消水平板缝，非同一板厚的总重量差为：ΔWeight≈(203.3-184.4)*6+(216.895-200.313)*2=146.56T ，故不建议采用槽形上下同一板厚的方案。

4 下座墩的设计优化

下座墩的结构形式和布置历来是槽形舱壁设计优化的重点。在此，对SWS现有的散货船产品176K DWT BC、206K DWT BC、82K DWT BC的下座墩的结构形式的优缺点，进行简要分析和比较。

17 6KBC的下座墩设计方案如图2所示：

纹，即使将内底板局部加厚，也很难有效解决该节点处的疲劳问题。

此下座墩的主要缺陷在于：垂直的下座墩边板与内底板焊接处应力值较高，易产生疲劳裂

206K DWT BC设计初期，下座墩的结构形式有两个方案，如图（3）、图（4）所示：

两个方案都以双倾斜的边板来解决垂直边板带来的疲劳问题，方案1的优点是斜顶板兼作卸货板，省掉一侧卸货板，缺点则在于下座墩斜顶板与边板的夹角过小（<30°），不利于生产施工和保证焊接质量；方案2则是采用水平顶板与对称的封槽板与卸货板，增加了封槽板和卸货板的内部施工空间，且对增加槽条下端的剖面模数更有利。206K DWT BC

最终选择了方案2。

82K DWT BC的下座墩的结构形式如图5所示，此形式与206K DWT BC方案1所不同的是：斜顶板与边板连接处采用冷弯加工工艺。规范中没有对该节点形式的标准或注释，且圆弧加工处钢板的塑性变形产生的内应力与焊接残余应力的的相互作用是否会使焊缝产生裂纹也尚未可知，此下座墩在 SWS尚属首次，效果如何有待生产实践的检验。

在综合了现有几型散货船的槽形舱壁的设计和建造经验的基础上，经过仔细的研究和权衡，186K DWT BC的槽形舱壁下座墩的设计方案如图6所示。此下座墩形式较206K DWT BC的优点有：

1）采用对称的下座墩斜板，槽形舱壁分段在胎架上翻身后无需重新调整胎架，且同一个胎架适用除深舱舱壁之外的所有典型水密槽形舱壁，提高了胎架利用率，减少施工场地需求; 2）整体式封槽板和卸货板，可适量减少狭小空间内的焊接工作量。

5结论与建议

本文针对SWS新一代好望角型散货船——186K DWT BC槽形舱壁的尺度要素以及下座

墩的结构形式进行了研究分析，并提出了优化方案。作者认为，优化改进后的槽形舱壁在结构减重和便于生产建造两方面都更具优势。

此外，由于规范计算对槽条翼板和腹板的板厚要求不同，若采用翼板与腹板不等厚的组合式槽形舱壁，不仅对结构减重更有利，而且以腹板与翼板角接焊代替整体式槽条翼板的对接焊和折角处冷弯加工，将简化工艺流程，节约施工场地，大大提高槽形舱壁的制造精度，降低分段搭载的难度，整体提高生产效率。建议SWS工法将此纳入研究课题，进一步推行组合型槽形舱壁的精益设计。

【参考文献】

1. 2. 3.

散货船共同结构规范（2010）

赵耕贤 郑钧镐，《船舶设计实用手册》，国防工业出版社，2000-12

蔡莼、喻军，槽型舱壁弯曲加工裂纹产生原因分析和解决对策，《外高桥造船技术》［2011年第3期］

本文摘自：陈富斌、张伟 大型散货船槽型舱壁设计研究，外高桥长兴造船技术，2012年第3期