王亞磊 馮國(guó)垠

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

近年來受全球金融危機(jī)影響，國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)持續(xù)低迷，船舶運(yùn)價(jià)不斷降低，造船訂單大幅度萎縮，短時(shí)間內(nèi)市場(chǎng)回升的可能性較小。面對(duì)如此低迷的大環(huán)境，如何在日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲取船東的信任并贏得訂單是設(shè)計(jì)者面臨的課題。只有通過技術(shù)創(chuàng)新不斷提高船舶經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)以減輕空船自重，降低油耗，開發(fā)出節(jié)能環(huán)保的綠色船舶，才能立足市場(chǎng)，引領(lǐng)市場(chǎng)。2014年，福建省海運(yùn)集團(tuán)有限責(zé)任公司需開發(fā)一型可以?？?0萬噸級(jí)碼頭的最大載重噸的散貨船，主要運(yùn)輸煤炭。為了滿足船東的需求及新的國(guó)際海事規(guī)則規(guī)范，以此為契機(jī)開發(fā)了105000 DWT新一代超巴拿馬型散貨船。

1 設(shè)計(jì)概況

該船為單機(jī)、單槳推進(jìn)的單舷側(cè)散貨船，國(guó)際航行無限航區(qū)，單層連續(xù)甲板、直立船首、方尾和7個(gè)貨艙。機(jī)艙及居住區(qū)域位于尾部，適裝貨品主要為煤炭、鐵礦石、谷物等散裝貨?？偛贾脠D如圖1所示。

主尺度及基本參數(shù)如下：

圖1 總布置圖

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

由于該船東運(yùn)營(yíng)航線較為固定，運(yùn)輸貨物多為煤炭。經(jīng)過多次調(diào)研，考慮到常用港口的吃水限制，最終將結(jié)構(gòu)吃水確定為13.99 m。

2.1 總體布置

該船貨艙區(qū)域設(shè)置7個(gè)貨艙，其中第4貨艙兼做風(fēng)暴壓載艙，以增加吃水提升壓載航行的安全性。考慮到該船型深高，第2和第6貨艙兼做港口壓載艙，以滿足部分港口對(duì)空氣吃水的要求。

舷側(cè)設(shè)置頂邊艙和底邊艙。其中，第1至第5壓載艙的頂、底邊艙連通，連通方式采用鋼結(jié)構(gòu)圍阱形式。第1、第2燃油艙布置在第6、第7貨艙區(qū)域的頂邊艙，與舷側(cè)設(shè)置有隔離空艙以滿足MARPOL燃油艙保護(hù)要求。洗艙水艙及污水艙對(duì)稱布置在第6貨艙區(qū)域的頂邊艙前端［1］。

由于該船螺旋槳直徑大，在線型開發(fā)、壓載水艙布置等方面綜合考慮螺旋槳浸沒、最小首吃水要求等，以平衡浮態(tài)與總縱強(qiáng)度。

2.2 快速性和操縱性

該船線型以上海船舶研究設(shè)計(jì)院散貨船數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)秀線型為母型，在保證載重量的前提下，對(duì)線型進(jìn)行了一系列優(yōu)化。

1）經(jīng)過CFD評(píng)估與優(yōu)化，設(shè)直立船首，從而增加水線長(zhǎng)度，有效地減小首部水線的進(jìn)流角和首肩部水線的變化率，改善首部和全船的壓力分布，減小船舶興波阻力、黏壓阻力。

2）優(yōu)化尾部線形，降低尾框，改善了尾部伴流，有效降低阻力，如圖2所示。

圖2 尾框線形優(yōu)化前后對(duì)比

3）采用低轉(zhuǎn)速的G型機(jī)，增大螺旋槳直徑，從而提高了螺旋槳推進(jìn)效率。通過加裝消渦鰭，消除尾渦，進(jìn)一步提高效率，設(shè)計(jì)槳水池船模試驗(yàn)達(dá)到規(guī)格書要求，最終實(shí)船試航航速超過了合同的要求。

3.5.3 口腔疾病防治措施 告知孕婦要定期檢查口腔，稍有不適立即就診。如早期齲要及時(shí)充填；急性牙髓炎可在局麻下無痛開髓，急性根尖炎要及時(shí)疏通根管；牙周炎要及時(shí)潔治；智齒冠周炎要早期沖洗等等，避免炎癥進(jìn)一步擴(kuò)散。一旦膿腫形成要及時(shí)切開引流，最大限度減少疼痛及不適，必要時(shí)在胎心監(jiān)護(hù)下進(jìn)行。需要注意的是妊娠晚期口腔治療要簡(jiǎn)單易行，不要讓孕婦長(zhǎng)時(shí)間仰臥于牙椅上，導(dǎo)致體位性低血壓，影響胎盤血供。

對(duì)于肥大粗短的超大船型，其航向穩(wěn)定性與應(yīng)舵性差。所謂航向不穩(wěn)定性，是指在直航中，當(dāng)受到外力作用原航向偏轉(zhuǎn)時(shí)，即使取消了外力，甚至給以相反方向的外力，船的偏轉(zhuǎn)也難以復(fù)原。這樣的船舶應(yīng)舵性很差。特別在低速航行時(shí)，其航向穩(wěn)定性和操縱性會(huì)進(jìn)一步下降。

該船在線型設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了操縱性能的需求。在盡可能不影響快速性能的前提下，增加了尾部水下側(cè)投影面積，提高船舶的航向穩(wěn)定性能；同時(shí)采用高效舵線型，改善船舶整體的操縱性。實(shí)船試航結(jié)果顯示該船具有良好的操縱性。

2.3 空船自重控制

105000 DWT散貨船與母型船的主要尺度參數(shù)及設(shè)備差別不大。為保證合同載重量指標(biāo)，需要對(duì)全船的空船自重進(jìn)行精確的控制，采取各種手段減輕自重。由于中拱最大彎矩出現(xiàn)在壓載工況，設(shè)計(jì)之初對(duì)空船自重和重心進(jìn)行逐項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化首尾尖艙容積達(dá)到既滿足浮態(tài)要求，又降低中拱彎矩。另外在滿足施工要求的前提下調(diào)整內(nèi)殼線形減少第1壓載艙的壓載水量，以達(dá)到降低中拱彎矩的目的。經(jīng)過調(diào)整，該船的中拱設(shè)計(jì)彎矩比母型船降低了11%。

通過前期設(shè)計(jì)的優(yōu)化布置及整個(gè)詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中對(duì)空船自重的嚴(yán)格控制，最終實(shí)船載重量滿足合同的要求。

2.4 振動(dòng)噪聲控制

國(guó)際海事組織頒布了MSC.337（91）決議。該決議旨在保護(hù)人員免受噪聲危害，對(duì)船舶噪聲等級(jí)提出的更為嚴(yán)格的要求。該決議已于2014年7月1日生效。雖然該船建造日期早于決議生效日期，并不需要滿足該決議。但考慮到船東對(duì)振動(dòng)噪聲的問題格外重視，因此在前期布置時(shí)進(jìn)行了綜合評(píng)估，詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下措施：

1）居住處所布置盡量遠(yuǎn)離噪聲源。

2）與機(jī)艙相鄰的上甲板局部艙室采用浮動(dòng)地板。

4）機(jī)艙平臺(tái)開口處的端部橫梁和縱桁適當(dāng)加強(qiáng)并增加支柱。

5）在主機(jī)一側(cè)設(shè)置橫撐。

6）上層建筑的縱橫鋼圍壁從上到下保持連續(xù)對(duì)齊。

7）羅經(jīng)甲板上的雷達(dá)桅采用門字桅并進(jìn)行了加強(qiáng)。

8）煙囪前端的左右端壁增加腹板，既降低煙囪振動(dòng)，也阻斷機(jī)艙風(fēng)機(jī)對(duì)上建的噪聲空氣傳播。

9）采用有限元方法對(duì)尾部機(jī)艙、上建、煙囪等進(jìn)行振動(dòng)分析（如圖3所示）。通過分析校核，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)振動(dòng)的潛在區(qū)域，并及時(shí)消除風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 振動(dòng)分析的有限元模型

實(shí)船試航測(cè)試結(jié)果顯示：所有艙室的測(cè)量值都低于IMO A.468（Ⅻ）要求的極限值。僅有2個(gè)艙室比MSC.337（91）決議要求的限值高2 dB。振動(dòng)測(cè)試結(jié)果滿足 ISO 6954∶2000（E）要求。

2.5 船體變形的實(shí)船驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，船舶的船長(zhǎng)越長(zhǎng)，船體的中垂、中拱的變形量越大。以該船為研究樣本，在投入營(yíng)運(yùn)后，采集了幾個(gè)航次拱垂變形量的實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)船體中拱中垂變形量的評(píng)估要求可以參照中國(guó)船級(jí)社 （CCS）《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第七分冊(cè)散貨船結(jié)構(gòu)（CSR）第7篇第2節(jié)。規(guī)范要求如下：通過有限元分析得到的船體外底板相對(duì)變形量不應(yīng)超過貨艙段長(zhǎng)度的1/150。但以上規(guī)范僅僅針對(duì)貨艙段撓度變形的限制，并沒有整船變形的要求。為找出該船的極限變形量，模擬了中垂變形最大的極限工況，即首尾兩端貨艙少裝貨，中間貨艙多裝貨。在船體剪力和彎矩達(dá)到極限強(qiáng)度的狀態(tài)下，通過NAPA軟件計(jì)算，中垂變形量約200 mm（如圖4所示）。該極限變形量跟采集的拱垂變形量數(shù)據(jù)相近，并繼續(xù)跟蹤對(duì)比了往返幾個(gè)航程的不同裝貨情況下的撓度變化，實(shí)船的變形量都在正常變形范圍內(nèi)，因此只要按照裝載手冊(cè)和裝載計(jì)算機(jī)的要求進(jìn)行操作，可以認(rèn)為其裝貨工況都是安全可靠的。

圖4 船體梁中垂極限變形工況下的變形量曲線

3 結(jié)語(yǔ)

該船在優(yōu)秀母型的基礎(chǔ)上優(yōu)化升級(jí)，滿足新的規(guī)范規(guī)則，提高了船舶的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，有效地控制了空船自重和船舶振動(dòng)噪聲等技術(shù)問題，且滿足新巴拿馬運(yùn)河通航要求。該船一經(jīng)交船，就投入運(yùn)營(yíng)，從天津港運(yùn)至福建鴻山電廠，實(shí)現(xiàn)大宗煤炭的北煤南運(yùn)，大大降低船東的營(yíng)運(yùn)成本，獲得了船東的好評(píng)，市場(chǎng)反饋良好。