VLCC结构优化设计研究

VLCC结构优化设计研究邱伟强(708研究所,上海20001)摘裏:着重介绍了VLCC中横剖面结构优化设计,涉及合理分舱、纵骨剖面及间距、支撑结构等设计考虑。在保证结构强度、刚度、疲劳寿命的前提下,追求最轻的空船重量、最简单的工艺、最方便的施工。关键词: VLCC;结构优化设计;中横剖面中團分类号: U674.13*3.1文献标识码: B文章编号: 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,尽量减少不同1前言板厚、板宽的材料规格,以及型材和组合型材的规超大型原油船( VLCC)是当前世界油运市场上格,尽量少使用船厂难以定到的板厚规格、型材,以的主力船型,近10年来VLCC的需求量一直相当稳减少定货时间和费用。定。(4)在保证结构强度和刚度的前提下,在横向我国是一个石油进口大国。但是,目前进口油强框架结构.上开设足够数量的通孔和工艺孔,方便的国轮运输量还不足10%,因此提高国轮运输量对工人施工和验船师的检验。于确保我国的能源安全和经济发展具有战略性的意(5)考虑吸口和压载管系的布置。义。(6)考虑压载舱内和油舱内纵向PMA通道的目前我国制造的VLCC的工业配套设施还多依设置等。赖进口,船厂利润主要来源为主船体结构,结构的优2.2 合理的分舱化设计成为我国VLCC设计中最具备竞争力的因素合理的油舱、压载舱之间的容积比、形状设计对之一。在保证结构强度、刚度、疲劳寿命的前提下，VLCC 的结构设计有着极为重要的影响。追求最轻的空船重量、最简单的工艺、最方便的施工纵向的货油舱位置及长度划分通常要兼顾到舱成为结构设计者最大的目标。容、总纵强度、破舱稳性、装卸货油方便等因素,本文2 VLCC 中横剖面的优化设计重点研究油舱、压载舱之间的容积之比油水舱形状设计等。2.1 优化必须兼顾的因素根据不同的船舶用途,业主要求制定出合理的所谓最优的结构设计不仅仅是指在保证船体结主尺度、货油舱划分方案对于结构设计特别是空船构强度的前提下最轻的空船重量,至少还应考虑节重量的控制有着至关重要的影响,应当在广泛调研省工时和工艺上的可操作性。其中包括以下几个方的基础上,根据总体舱容、吃水、航区和业主的一些面:特殊要求具体分析,力求在满足强度要求的前提下，(1)合理设计纵骨穿过强框架的节点,尽可能有效控制重量,合理分布板厚和构件，简化工艺,减减少补板、小肘板的数量,在满足强度的前提下补板少工时。的形式尽量简单。经过反复比较已建和研发的VLCC分舱数据,(2)在增加重量不多的前提下,尽量减少板缝,可给出设计VLCC货油舱划分的推荐初始比例系包括减少纵骨的数量,以及不同厚度的板之间、不同数。比如,大多VLCC的中间油舱与边油舱宽度之相邻构件之间的焊缝数量。比在1 55大七创功舱舱辟俑斜角度在52°左右;作者简介:邱伟强,男,工程师。1975 年生,2000年哈尔滨工常规中国煤化工压载舱与油舱的程大学船舶设计制造专业硕士研究生毕业,现从本租:YHCNMHG事船舶结构设计工作。在实际设计过程中,由于纵骨间距的限制和最上海造船2006 年第4期(总第68期)-13一小压载舱容的要求等原因,以上几个比例系数很有构有限元分析,定性地给出随着分舱不同,纵向强力可能不会同时满足,应根据实际情况,权衡利弊,再构件和强框架结构板厚分布的大致变化，给出一个做适当调整。最好是在设计的初期,多准备几套方最佳的VLCC油、水舱大小分配比例系数。案,建立一系列总纵强度计算模型、细网格的强框架2.3纵骨 间距的优化有限元模型,做初步的船梁剖面模数校核和横向结2.3.1参考积累的统计数据( 见表1)表1 7艘VLCC的纵骨间距的统计数据VLCC编号甲板和底部纵骨间距/mm960920850910/84050900舷侧纵骨间距/mm975850/9008402.3.2优化必须满足的要求的厚板规格相对少一些。而采用大的纵骨间距的主所有构件满足规范的局部强度、屈曲强度、腐蚀要目的是减少焊接工作量和方便管系布置。到底应要求,甲板处船体梁剖面模数满足总强度储备的要该采用何种纵骨间距方案,应根据单位工时费用、采购能力、分段吊装能力等来综合评定。2.3.3优化方案的选择2.4纵骨 剖面的优化理想优化设计的方法应当是将纵骨间距视为可2.4.1纵骨剖面设计的基本要求连续变化的设计变量。而实际上由于受到工艺性、(1)最小厚度要求;(2)局部强度要求;(3)屈实用性船体纵舱壁位置、轮机管系及吸口大小的限曲强度要求;(4)疲劳强度的初步评估。制，纵骨间距是不可能连续变化的。根据经验及专2.4.2优化目标 .业之间的协商,暂定备选方案为:850 mm、900 mm在各方案均满足前面所设定的约束条件的前提和950 mm。下,追求纵骨腹板和面板面积之和最小,即:在其他2.3.4优化目标条件相同的情况下,追求最轻的纵向构件总重量。优化目标是，在各方案均满足前面所设定的约2.4.3纵骨剖面优化方法束条件的前提下,追求中剖面纵向构件面积之和VLCC的纵骨,由于承受的局部水压头大且跨(表征纵向构件的重量)最小。距也大，多采用T型材。一个典型的纵骨剖面是由2.3.5优化结果面板腹板和带板构成,增加剖面模数最有效的办法在纵骨间距各方案计算分析过程中,为了便于是增加腹板高度,或者高度不变,增加面板面积。比较,对不同纵骨间距的相同区域,纵向构件材料均剖面惯性矩正比于腹板高度的三次方和腹板厚采用相同等级的钢种、相同的剖面模数裕量和板厚度的一次方,而有效剪切面积正比于腹板高度的一裕量;对于整体剖面模数的裕量的控制,也采用统一次方和腹板厚度的一次方。因此,从满足构件的剪的标准。切强度条件出发,变化腹板高度和腹板厚度对于优按照上述的优化方法,针对某VLCC的中横剖化构件重量具有同样效果;从满足构件的弯曲强度面进行优化设计,对3种纵骨间距的方案分别进行的条件出发,则是尽量把尺寸增加到腹板高度上,尽了设计与计算。计算的结果比较见表2。量减小腹板厚度,对于降低构件重量最为有利。即:裹23种纵骨间距方案纵向构件面积计算结果比较从构件的剪切强度、弯曲强度的要求出发,腹板厚度纵骨间距总强度储备纵向构件愈小,对于优化构件重量最有利;纵骨的面板面积对方案/mm甲板/(%)底部/(%)面积/cm2于纵骨的惯性矩影响也较明显。A107123.9120 2312.4.4优化结果 .126.4 .122 261假设纵骨腹板的最小厚度由规范要求已确定，950127.3122 429将纵骨剖面的总面积视为一个确定量,把纵骨的剖由表2可知,方案A的结构重量最轻,其纵向面模数函数对腹板面积求导,当其-阶导数为零时，构件重量比方案B与C分别轻1.66%和1.80%。纵骨的剖而植粉计到如估佃沿带板面积相对于纵但方案A的缺点是纵骨的数量相对较多。骨面YH中国煤化工可以得到解析由以上分析可以得出结论:对于VLCC船型,略解:腹C N M H G寸,纵骨剖面达到小的纵骨间距对于空船重量控制更为有利,所使用极值,单位纵骨面积的剖面模数最大。同样,在其他一14一邱伟强:VLCC结构优化设计研究区域,当带板面积- -定时,也有最佳的腹板面积与纵厚度)最好不应超过650 mm;另外在距离中和轴较骨总面积之比。远处,考虑到纵骨腹板失稳的问题，腹板高度也不能以上是基于弯曲强度条件的纵骨剖面优化方取得太高;在底部为了给压载管系腾出空间,纵骨尺法,此外还有基于屈曲强度、剪切强度的纵骨剖面优寸也不宜取得过大。 为了船厂定货和施工方便,纵化方法。这些方法不管开始的基本假设是基于何种骨的面板应尽量使用已经选用的板厚,并且纵骨的理论,最终都需要满足纵骨的强度、刚度、疲劳寿命规格应尽量少。纵骨的面板不宜过宽,以免纵骨穿等要求,所以得到的优化结果比较接近,不同优化方越孔过大影响肋板剪切强度。法得到的最优纵骨尺寸相差在5%以内。2.5主要支撑结构的合理设计当然,实际选用纵骨时受到很多条件的限制。2.5.1强框间距的选择例如:对于底部纵骨,可能理想的腹板高度为750首先参考以往的经验,给出几艘VLCC的强框mm,而实际上考虑施工方便,最大纵骨高度(含面板间距(见表3)。表37艘VLCC三种纵骨间距方案纵向构件面积计算结果比较VLCC编号12467强框间距/mm5 7005 6405 6606 10056006 000VLCC货油舱长度在250 ~260 m之间,强框间.减少纵骨最小剖面模数也是有贡献的。比如某VL-距~般在5.6~6.1 m之间,应当取多少与总纵强度CC,对挺筋的高度及其端部软趾半径做适当优化有关。例如某VLCC中间设有中压载舱时,静水弯后,可节省结构重量80多吨。矩相对较小,取强框间距为5.6 m左右比较合适,此2.5.3其他主要支撑结构的设计时甲板构件在满足局部强度的同时也恰巧满足了总其他主要支撑结构，如强框架和水平桁的腹板纵强度(裕量小于5%)。但若强框间距取6.1 m,高度及厚度,面板宽度及厚度,强框和水平桁buck-局部强度下构件尺寸增加很多,总纵强度的余量就ling siffener的间距及尺寸,开设通孔的位置及尺寸太大了些。反之取5. 0 m则需要特别增大甲板区域等参数主要是取决于三维舱段有限元计算的结果，的构件尺寸才能满足总纵强度。但如果没有中压载能否合理分布构件尺寸与前面提到的油、水舱划分舱,静水弯矩稍大,则可以考虑取大一点的强框间及形状有很大关系。计算过程应以入级船级社规范距,纵骨在局部强度要求下尺寸加大,总的剖面模数为依据。也随之增大。2.6其他应考 虑的问题2.5.2纵骨穿过强框架时的节 点设计比如说船体梁整体、局部板架.骨材以及板格的在动载荷大的区域(如舷侧外板水线附近)、舭稳定性问题; 局部增加构件强度和刚度储备以提高部转角处等应特别注意纵骨穿过强框架时的节点设关键区域疲劳 寿命;合理调整高强度钢的使用比例，计。同时也应注意在使纵骨满足屈服和疲劳强度的以求在更轻的空船重量和更长的构件疲劳寿命之间同时,使纵骨穿过强框架的节点最简单,尽量节省工寻求平衡点;为了工人施工的方便,有意改变舱壁纵艺要求。骨的位置和尺寸来代替脚手架等等。国外有一些事同时要注意:对于在底部和舷侧，与纵骨在-一个实证明节省工艺的设计方案,可以借鉴参考,并综合强框范围内形成闭合区域的纵骨间挺筋而言,实肋考虑各种因素,使得船舶的安全性、工艺性和经济性板_上:挺筋的高度适当提高对于减小纵骨跨距、进而都得到最大限度的保证。中国煤化工MYHCNMHG上海造船2006 年第4期(总第68期)一15一