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28 200 DWT 散货船结构设计 白玉刚 大连造船厂船研所 摘 要 本文通过对 28 200 DWT 散货船结构设计的介绍 着重就典型横剖面设计 典型横舱壁设计和总纵 强度等问题进行了讨论 关键词 散货船 结构设计 横剖面设计 横舱壁设计 总纵强度 1 前 言 由于散货船是运载固体货物的主要船种之一 因此在世界商船队的保有量中一直名列前茅 而且 订单在诸船种中也仅次于油船 名列第二 散货船一 般可分为大湖型 灵便型 巴拿马型和好望角型等几 种型式 1995 年渤海造船厂与美国 LASCO 航运公司 签定了 1 1 艘 28 200 DWT 散货船的建造合同 其 设计任务由大连造船厂船研所承担 该船属小灵便 型散货船 2 船舶概况 2 1 主尺度 本船为单桨柴油机驱动的远洋散货船 主尺度 如下 总 长约 169 00 m 垂线间长160 30m 型 宽27 20 m 型 深13 60 m 设计吃水9 65 m 结构吃水9 692 m 木材吃水10 028 m 方型系数0 82 服务航速14 4 kn 2 2 船级 ABS A1 E BULK CARRIER strengthened for heavy cargoes hold 2 and 4 may be empty hold 3 may be hallast hold AMS ACCU 2 3 主要货品 本船运载的货品主要有 散装谷物 煤 锯材 圆 木 钢卷板和大尺寸的钢材等货物 2 4 分舱 在上甲板下的船体由水密舱壁划分成 艏尖舱 干货舱 机舱 艉尖舱 在长度为 128 8 m 的货舱区域中分 5 个货舱 1 3 5 舱可装载重货 2 4 舱为一般货舱并允 许空舱 3 货舱也兼作应急压载舱 2 5 设计载荷 1 货舱区上甲板舱口以外区域的设计载荷 为 4 1 t m 2 2 货舱区域内底的设计载荷为 1 3 5 货舱 20 t m 2 2 4 货舱 15 t m2 3 货舱盖的设计载荷为 3 3 t m 2 本船的总布置见图 1 3 典型横剖面设计 3 1 结构型式 本船双层底区域和顶边舱区域的结构型式为纵 骨架式 双层底和顶边舱区域之外的货舱舷侧结构 型式和货舱口之间的甲板结构型式为横骨架式 其 典型横剖面见图 2 12 船舶 1998 年第 2 期 图 1 28 200 DWT 散货船总布置 图 2 典型横剖面结构 13 船舶 1998 年第 2 期 3 2 材料 像散货船之类的大舱口船 从总纵强度角度来 看 甲板强度往往不足 因此必须增加甲板结构材料 的强度以满足总纵强度要求 增加强度可以有两种 考虑 一种是甲板结构材料采用普通碳素钢并增加 结构构件的厚度 但此种考虑一般都因厚度增加较 多相应造成空船重量加重 使得载重量减少而被放 弃 另一种考虑是甲板结构材料采用高强度钢 这种 考虑目前已广泛地应用于像散货船之类的大舱口货 船 但采用具有什么样拉伸强度的高强度钢要根据 总纵强度来确定 本船在船中 0 4 L 区域货舱口以 外处以甲板结构材料采用 HT 36 高强度钢 其中甲 板边板和舷顶列板采用 D 级高强度钢 其他区域一 般都采用普通碳钢 3 3 高强度钢的应用范围 甲板区域的结构材料使用高强度钢后 高强度 钢的垂向应用范围怎样确定呢 下面介绍两种方法 来确定高强度钢的使用范围 1 方法一 对于散货船而言 使用了高强度钢甲板的弯曲 应力一般都大于 175 N mm 2 由图 3 a 的应力三角 形可看出 从甲板往下找出弯曲应力等于 175 N mm 2 处即为高强度钢的最小使用范围 Min h 2 方法二 在设计初期阶段就先确定高强度钢的应用范 围 设计完横剖面之后 再核算这个应用范围 如图 3 b 所示 先假定高强度钢的垂向范围为 h 剖面的 惯性矩为 I 中和轴距甲板边线的距离为 D 那么 高 强度钢最低点的剖面模数为 Z I D h 由该剖面所能承受的最大静水弯矩 就能得出 高强度钢最低处的弯曲应力 MS MW Z 如果 不超过 175 N mm 2 那么 事先假定的 高强度钢使用范围 h 符合要求 如果 超过 175 N mm 2 就要加大高强度钢的使用范围 图 3 图 4 3 4 纵骨跨距 双层底区域的纵骨跨距为 3 个肋距即 2 4 m 而顶边舱区域的甲板和舷侧纵骨跨距一般为 4 8 m 这样做的原因是 诸如散货船之类的大舱口船 舶 对于甲板结构而言 总纵强度的要求占主导地 位 局部强度要求次之 只要总纵强度要求得到满 足 局部强度要求一般均能满足要求 为此 把甲板 和舷侧纵骨的跨距加大 尽量使局部强度要求趋近 总纵强度的要求 从而达到节省材料之目的 3 5 舱口角隅 由于近年来散货船舱口角隅发生裂纹的事故屡 见不鲜 因此对于大舱口船舶来讲 舱口角隅的设计 更是非常重要 要求设计出的舱口角隅应能有效地 传递力以避免应力集中 从而达到减少疲劳之目的 为此 我们把舱口角隅设计成如图 4 所示的较优型 式 同时我们把舱口角隅处的甲板板设定为厚度 t 23 mm D 级 HT 36 高强度钢 以增加强度 14 船舶 1998 年第 2 期 3 6 节点设计 现代船舶营运实践表明 疲劳破坏是不容忽视 的 随着人们对这个问题认识的越深入 人们对这个 问题更加重视 在现代船舶设计中 设计者往往从设 计一开始就要考虑疲劳的影响 船体结构的疲劳往 往是从节点开始的 为此 人们重视对节点的设计 本船的一些节点采用了近几年散货船的研究成果 如典型横剖面 参见图 2 中的节点 a b c 和 d 等的 处理方法 详见图 5 3 7 构件尺寸的确定 ABS 美国船级社 的 SAFEHULL 系数分两个 部分 PHASE A 是结构规范设计程序 PHASE B 是结构动力基础有限元分析程序 本船有 5 个货舱 其中 1 5 货舱为重货舱 2 4 货舱为一般货舱 3 货舱既是重货舱又兼 做应急压载舱 对于这 3 种货舱型式 应用 SAFE HULL 系统中的PHASE A 设计出构件的尺寸 表 1和表 2 为纵桁与肋板的部分计算结果 3 8 双层底分析 应用 SAFEHULL 系统的 PHASE A 设计出构 件尺寸之后 往往还需要作进一步的结构分析 本船 对货船双层底结构进行了结构分析 分析结果是内 底板的局部需要加厚以满足强度要求 图 5 15 船舶 1998 年第 2 期 表 1 材 料 fromx m tox m Ls m Bs m S3S2x m z1 m 压力 Pa 要求厚度 mm 给出净厚 度 mm 给出厚度 mm 旁桁材 距舯 7 20 m 10 0002 40025 6020 802 332 8012 807 20134 6528 6411 0013 00 12 4004 80025 6020 802 332 8010 407 20134 6528 6411 0013 00 14 8007 20025 6020 802 332 808 007 20134 6528 6411 0013 00 17 2009 60025 6020 802 332 805 607 20134 6528 6411 0013 00 19 60012 00025 6020 802 332 803 207 20134 6528 6411 0013 00 112 00014 40025 6020 802 332 801 607 20134 6528 6411 0013 00 114 44016 80025 6020 802 332 804 007 20134 6528 6411 0013 00 116 80019 20025 6020 802 332 806 407 20134 6528 6411 0013 00 119 20021 60025 6020 802 332 808 807 20134 6528 6411 0013 00 121 60024 00025 6020 802 332 8011 207 20134 6528 6411 0013 00 124 00025 60025 6020 802 332 8012 807 20134 6528 6411 0013 00 表 2 材 料 fromy m tox m Ls m Bs m S3 m xz2 m 压力 Pa 要求厚度 mm 给出净厚度 mm 给出厚度 mm 肋板 距 Ls后端 2 40 m 10 0002 40025 6020 802 4010 402 40134 6528 6410 0012 00 12 4004 80025 6020 802 4010 404 80134 6528 6410 0012 00 14 8007 20025 6020 802 4010 407 20134 6528 6410 0012 00 17 20010 40025 6020 802 4010 4010 40134 6528 6410 0012 00 4 典型横舱壁设计 典型横舱壁的设计主要考虑三个因素 1 舱壁型式 为了便于清洁散装货物 把货舱区域的横舱壁 设计成垂直槽型舱壁 2 强度方面考虑 由于采用了垂直槽型舱壁 就要考虑是否设上 下壁墩的问题 对于本船来讲 如果不设上墩或下 墩 由于垂直槽型跨距较大 槽型舱壁将需要较厚的 板 板厚加大则不便于压槽 因此需设上墩或下墩 对于 1 2 货舱和 4 5 货舱之间的横舱壁来说 仅设上墩就可以了 而就 3 货舱而言 因其兼作 应急压载舱 所以只设上墩 其垂直槽型横舱壁板必 然较厚 因此上 下壁墩都需设置以减少垂直槽型跨 距 从而使舱壁板厚适中 所有货舱的上 下壁墩面板都采用了含硫量小 于0 01 的Z 向板 以避免层状撕裂 另外 把垂直 槽形的深度与宽度均设计为 800 mm 即与纵骨间 距和肋骨间距相同 因此 垂直槽型舱壁与内底直接 相交后的过渡顺理成章 很好处理 3 考虑货舱梯的设计 根据本船的技术说明书 本船的货舱梯要满足 澳大利亚联邦运输部海事指令第 32 篇 货物及货物 转运设备以及安全措施 的要求 因此 横舱壁上墩 在梯子上下口处的局部区域高度为 2 15 m 但横舱 壁有一段为平面舱壁 在平面舱壁上设置垂直桁 而 垂直桁在局部区域的尺寸加大以便开孔使人与梯子 通过 图 6 为 3 货舱的前后横舱壁 16 船舶 1998 年第 2 期 图 6 5 总纵强度 船舶结构尤其是船中 0 4 L 区域的结构既要满 足局部强度要求 又要满足总纵强度要求 总纵强度 包括弯曲强度和剪切强度两上方面 下面对本船的 这两者情况作一简要介绍 5 1 弯曲强度 船中 0 4 L 区域的最小剖面模数要不小于 1 规范要求的最小剖面模数 SM C1C2L 2B Cb 0 7 式中 C1 C 2为系数 C1 10 75 300 L 100 1 5 C 2 0 01 L 为规范船长 B 为型宽 Cb为方型系数 2 SM Mt fp 式中 Mt Ms Mw M t为总弯矩 Ms为静水弯矩 根据装载状态选取最大值 Mw为波浪弯矩 根据规 范计算 fp为额定许用弯曲应力 其值为 175 N mm 2 此公式的关键是根据装载状态确定最大静水弯 矩 本船的主要装载状态有 轻压载出 到港 重压载出 到港 谷物装载出 到港 木材装载出 到港 重货装载 2 4 货舱可以空舱 出 到 港 在设计和结构吃水的均质装载出 到港 两港装载状态 1 3 5 货舱满而 2 4 货舱空的情况下 平均吃水不应大于 7 78 m 2 4 货舱满而 1 3 5 货舱空的情况下 平均吃水不应大于 5 94 m 在上述装载状态中 最大静水弯矩发生在 中拱 轻压载出港 Ms 70049 tm 中垂 谷物装载到港 Ms 52934 tm 根据 1 计算的最小 SM 95169 mcm 2 根据 2 计算的最小 SM 95041 mcm2 本船甲板结构材料采用 HT 36 高强度钢 所以 典型横剖面的最小剖面模数为 SM 73273 0 72 101768 mcm2 因此 弯曲强度是足够的 5 2 剪切强度 17 船舶 1998 年第 2 期 表 3 为根据规范计算的各主要横舱壁许用静水 剪力值 但根据装载计算 一些装载状态在某些横舱 壁处的静水剪力超过了许用值 因此 需对横舱壁处的外板进行加厚 增加后的 厚度与范围详见图 7 经过加强后各横舱壁所能承 受的许用静水剪力见表 4 表 3 位 置 距艉垂线距离 m 前 后 材料标识 mm 厚 度 mm 总剪力 kN 波浪剪力 kN 静水剪力 kN Fr 32 28023 38前113 50 37066 4 37066 4 10788 3 11577 7 26278 1 25488 7 Fr63 680 48 68后113 50 37066 4 37066 4 15360 4 16484 3 21706 1 20582 2 Fr 65 68050 28前113 50 37066 4 37066 4 15111 5 16136 1 21955 0 20930 4 Fr94 30 72 83后113 50 37066 4 37066 4 12542 4 12542 4 24524 0 24524 0 Fr 135 680106 28前113 50 37066 4 37066 4 15801 8 15061 0 21264 7 22005 5 Fr164 280 129 08后114 00 37066 4 37066 4 17917 7 16696 1 19148 7 20370 4 Fr 167 280131 48前113 50 37066 4 37066 4 17917 7 16696 1 20521 6 21743 3 Fr169 80 132 88前113 50 37066 4 37066 4 17917 7 16696 1 19148 7 20370 4 Fr 194 80152 68后113 50 37066 4 37066 4 5718 2 5328 4 31348 2 31738 2 表 4 位 置 静水弯距静水剪力 海 上港 内海 上港 内 中 拱中 垂中拱和中垂正负 Bhd34 40688 37054675792392 23103234 Fr34 200 41031 37367681502382 23003234 Fr65 200 82053 747251362822215 21003465 Bhd67 82053 747251362822511 24053696 Fr67 200 82053 747251362822242 21373465 Fr 95 20082053 747251362822504 25043465 Bhd 10082053 747251362822766 27663696 Bhd 13382053 747251362822551 26003696 Fr 138 10082053 747251362822154 22343465 Fr 165 20052406 47726870421955 20803465 Bhd 16651375 46787853302228 23533696 Fr 171 10044330 40372736291954 20793465 Fr 195 20011856 10797196913028 30703350 Bhd 19511512 10484191213043 30843350 图 7 6 结束语 本船属标准型散货船 在本船的结构设计中 我 们首次应用了美国的 ABS SAFEHULL 系统 从该 船目前的施工进展情况看 船舶的结构设计还是合 理的 但一艘船舶结构设计成功与否 还有待实船营 运来检验 本船在不久的将来就要交船 让我们拭目 以待吧 18 船舶 1998 年第 2 期 SHIP BOAT No 2 1998 T otal No 50 CONTENT S GENERAL World ship market in 1997Yu Zhongde 4 Abstract T he paper anayzed the world ship market in1997from five sectors of world cargo ship fleet newbuilding or ders newbuilding orderbook lay off ship amount and demolition the paper provides 6 statistic tables Key Words Ship market Market economy SHIP PERFORMANCE A review of the general design of the 150 000 DWT tankerSong Dehua 8 Abstract T he paper presents the basic design ideas followed in developing this twin skin tanker introducing how the lines are defined and how the separation between cargo tanks and special ballast tanks are defined It is proved the designed performances of the tanker are in full compliance with the latest requirements set forth in M ARPOL 13F and OPA90 Key Words Twin skin tanker General design SHIP STRUCTURE A review of structure design of the 28 200 DWT bulk carrierBai Yugang 12 Abstract Based on a general review of the structure design of the bulker detailed discussion is made of the design of typical cross section typical transverse bulkhead and overall longitudinal strength Key Words Bulk carrier Structure design Design of cross section Design of transverse bulkhead Overall longitu dinal strength MARINE ENGINEERING An analysis on the vibration of pipelines of ship s steam propulsional plant and the study on the counter measuresJian Yanjun Wang yi etc 19 Abstract A comprehens