VLCC結構優(yōu)化設計研究

VLCC結構優(yōu)化設計研究邱偉強(708研究所,上海20001)摘裏:著(zhù)重介紹了VLCC中橫剖面結構優(yōu)化設計,涉及合理分艙、縱骨剖面及間距、支撐結構等設計考慮。在保證結構強度、剛度、疲勞壽命的前提下,追求最輕的空船重量、最簡(jiǎn)單的工藝、最方便的施工。關(guān)鍵詞: VLCC;結構優(yōu)化設計;中橫剖面中團分類(lèi)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、板寬的材料規格,以及型材和組合型材的規超大型原油船( VLCC)是當前世界油運市場(chǎng)上格,盡量少使用船廠(chǎng)難以定到的板厚規格、型材,以的主力船型,近10年來(lái)VLCC的需求量一直相當穩減少定貨時(shí)間和費用。定。(4)在保證結構強度和剛度的前提下,在橫向我國是一個(gè)石油進(jìn)口大國。但是,目前進(jìn)口油強框架結構.上開(kāi)設足夠數量的通孔和工藝孔,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)考慮壓載艙內和油艙內縱向PMA通道的目前我國制造的VLCC的工業(yè)配套設施還多依設置等。賴(lài)進(jìn)口,船廠(chǎng)利潤主要來(lái)源為主船體結構,結構的優(yōu)2.2 合理的分艙化設計成為我國VLCC設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、形狀設計對之一。在保證結構強度、剛度、疲勞壽命的前提下，VLCC 的結構設計有著(zhù)極為重要的影響。追求最輕的空船重量、最簡(jiǎn)單的工藝、最方便的施工縱向的貨油艙位置及長(cháng)度劃分通常要兼顧到艙成為結構設計者最大的目標。容、總縱強度、破艙穩性、裝卸貨油方便等因素,本文2 VLCC 中橫剖面的優(yōu)化設計重點(diǎn)研究油艙、壓載艙之間的容積之比油水艙形狀設計等。2.1 優(yōu)化必須兼顧的因素根據不同的船舶用途,業(yè)主要求制定出合理的所謂最優(yōu)的結構設計不僅僅是指在保證船體結主尺度、貨油艙劃分方案對于結構設計特別是空船構強度的前提下最輕的空船重量,至少還應考慮節重量的控制有著(zhù)至關(guān)重要的影響,應當在廣泛調研省工時(shí)和工藝上的可操作性。其中包括以下幾個(gè)方的基礎上,根據總體艙容、吃水、航區和業(yè)主的一些面:特殊要求具體分析,力求在滿(mǎn)足強度要求的前提下，(1)合理設計縱骨穿過(guò)強框架的節點(diǎn),盡可能有效控制重量,合理分布板厚和構件，簡(jiǎn)化工藝,減減少補板、小肘板的數量,在滿(mǎn)足強度的前提下補板少工時(shí)。的形式盡量簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)反復比較已建和研發(fā)的VLCC分艙數據,(2)在增加重量不多的前提下,盡量減少板縫,可給出設計VLCC貨油艙劃分的推薦初始比例系包括減少縱骨的數量,以及不同厚度的板之間、不同數。比如,大多VLCC的中間油艙與邊油艙寬度之相鄰構件之間的焊縫數量。比在1 55大七創(chuàng )功艙艙辟俑斜角度在52°左右;作者簡(jiǎn)介:邱偉強,男,工程師。1975 年生,2000年哈爾濱工常規中國煤化工壓載艙與油艙的程大學(xué)船舶設計制造專(zhuān)業(yè)碩士研究生畢業(yè),現從本租:YHCNMHG事船舶結構設計工作。在實(shí)際設計過(guò)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(gè)比例系數很有構有限元分析,定性地給出隨著(zhù)分艙不同,縱向強力可能不會(huì )同時(shí)滿(mǎn)足,應根據實(shí)際情況,權衡利弊,再構件和強框架結構板厚分布的大致變化，給出一個(gè)做適當調整。最好是在設計的初期,多準備幾套方最佳的VLCC油、水艙大小分配比例系數。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校核和橫向結2.3.1參考積累的統計數據( 見(jiàn)表1)表1 7艘VLCC的縱骨間距的統計數據VLCC編號甲板和底部縱骨間距/mm960920850910/84050900舷側縱骨間距/mm975850/9008402.3.2優(yōu)化必須滿(mǎn)足的要求的厚板規格相對少一些。而采用大的縱骨間距的主所有構件滿(mǎn)足規范的局部強度、屈曲強度、腐蝕要目的是減少焊接工作量和方便管系布置。到底應要求,甲板處船體梁剖面模數滿(mǎn)足總強度儲備的要該采用何種縱骨間距方案,應根據單位工時(shí)費用、采購能力、分段吊裝能力等來(lái)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)化設計的方法應當是將縱骨間距視為可2.4.1縱骨剖面設計的基本要求連續變化的設計變量。而實(shí)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(shí)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變化的。根據經(jīng)驗及專(zhuān)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(mǎn)足前面所設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,追求最輕的縱向構件總重量。優(yōu)化目標是，在各方案均滿(mǎn)足前面所設定的約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(表征縱向構件的重量)最小。距也大，多采用T型材。一個(gè)典型的縱骨剖面是由2.3.5優(yōu)化結果面板腹板和帶板構成,增加剖面模數最有效的辦法在縱骨間距各方案計算分析過(guò)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域,縱向構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;對于整體剖面模數的裕量的控制,也采用統一次方和腹板厚度的一次方。因此,從滿(mǎn)足構件的剪的標準。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的中橫剖化構件重量具有同樣效果;從滿(mǎn)足構件的彎曲強度面進(jìn)行優(yōu)化設計,對3種縱骨間距的方案分別進(jìn)行的條件出發(fā),則是盡量把尺寸增加到腹板高度上,盡了設計與計算。計算的結果比較見(jiàn)表2。量減小腹板厚度,對于降低構件重量最為有利。即:裹23種縱骨間距方案縱向構件面積計算結果比較從構件的剪切強度、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件愈小,對于優(yōu)化構件重量最有利;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)化結果 .126.4 .122 261假設縱骨腹板的最小厚度由規范要求已確定，950127.3122 429將縱骨剖面的總面積視為一個(gè)確定量,把縱骨的剖由表2可知,方案A的結構重量最輕,其縱向面模數函數對腹板面積求導,當其-階導數為零時(shí)，構件重量比方案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(diǎn)是縱骨的數量相對較多。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最大。同樣,在其他一14一邱偉強:VLCC結構優(yōu)化設計研究區域,當帶板面積- -定時(shí),也有最佳的腹板面積與縱厚度)最好不應超過(guò)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的問(wèn)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(guò)大。 為了船廠(chǎng)定貨和施工方便,縱化方法。這些方法不管開(kāi)始的基本假設是基于何種骨的面板應盡量使用已經(jīng)選用的板厚,并且縱骨的理論,最終都需要滿(mǎn)足縱骨的強度、剛度、疲勞壽命規格應盡量少?？v骨的面板不宜過(guò)寬,以免縱骨穿等要求,所以得到的優(yōu)化結果比較接近,不同優(yōu)化方越孔過(guò)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?xún)取?.5主要支撐結構的合理設計當然,實(shí)際選用縱骨時(shí)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(shí)際上考慮施工方便,最大縱骨高度(含面板間距(見(jiàn)表3)。表37艘VLCC三種縱骨間距方案縱向構件面積計算結果比較VLCC編號12467強框間距/mm5 7005 6405 6606 10056006 000VLCC貨油艙長(cháng)度在250 ~260 m之間,強框間.減少縱骨最小剖面模數也是有貢獻的。比如某VL-距~般在5.6~6.1 m之間,應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中間設有中壓載艙時(shí),靜水彎后,可節省結構重量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其他主要支撐結構的設計時(shí)甲板構件在滿(mǎn)足局部強度的同時(shí)也恰巧滿(mǎn)足了總其他主要支撐結構，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-局部強度下構件尺寸增加很多,總縱強度的余量就ling siffener的間距及尺寸,開(kāi)設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域等參數主要是取決于三維艙段有限元計算的結果，的構件尺寸才能滿(mǎn)足總縱強度。但如果沒(méi)有中壓載能否合理分布構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(diǎn)的強框間及形狀有很大關(guān)系。計算過(guò)程應以入級船級社規范距,縱骨在局部強度要求下尺寸加大,總的剖面模數為依據。也隨之增大。2.6其他應考 慮的問(wèn)題2.5.2縱骨穿過(guò)強框架時(shí)的節 點(diǎn)設計比如說(shuō)船體梁整體、局部板架.骨材以及板格的在動(dòng)載荷大的區域(如舷側外板水線(xiàn)附近)、舭穩定性問(wèn)題; 局部增加構件強度和剛度儲備以提高部轉角處等應特別注意縱骨穿過(guò)強框架時(shí)的節點(diǎn)設關(guān)鍵區域疲勞 壽命;合理調整高強度鋼的使用比例，計。同時(shí)也應注意在使縱骨滿(mǎn)足屈服和疲勞強度的以求在更輕的空船重量和更長(cháng)的構件疲勞壽命之間同時(shí),使縱骨穿過(guò)強框架的節點(diǎn)最簡(jiǎn)單,盡量節省工尋求平衡點(diǎn);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(lái)代替腳手架等等。國外有一些事同時(shí)要注意:對于在底部和舷側，與縱骨在-一個(gè)實(shí)證明節省工藝的設計方案,可以借鑒參考,并綜合強框范圍內形成閉合區域的縱骨間挺筋而言,實(shí)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(jìn)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