邱偉強(qiáng) 吳 俊 李留洋 高 處 王連成

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.北京中遠(yuǎn)海運(yùn)船舶貿(mào)易有限公司 北京100027）

引 言

傳統(tǒng)VLCC 的貨艙縱艙壁垂直桁之間一般設(shè)置水平橫撐［1］，水平橫撐雖然能夠有效減小縱艙壁垂直桁的跨距，但對于船廠的建造工藝造成很大麻煩。因此，韓國的結(jié)構(gòu)工程師就曾提出無水平橫撐的VLCC 設(shè)計方案［2］，他們所采用的技術(shù)方案要點是以加大的縱艙壁水平桁來代替水平橫撐支撐縱艙壁垂直桁，減小它的計算跨距。但這樣的設(shè)計造成了縱艙壁水平桁施工工程量和重量急劇增加，并不能顯著減輕貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)重量，也不能顯著減少貨艙區(qū)建造的工程量。

傳統(tǒng)VLCC 通常有4 對制蕩艙壁，制蕩艙壁的制作同樣增加了船廠較多工藝成本和材料成本。每對制蕩艙壁（不含雙底雙殼區(qū)域）重約150 t。以某傳統(tǒng)VLCC 為例，制蕩艙壁總長約116 m，總重約580 t。

另外，傳統(tǒng)VLCC 如果要滿足新的油船散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范［3］（以下簡稱CSR-H），則裝載手冊中所有工況的靜水彎矩包絡(luò)值將更大一些，對于船體結(jié)構(gòu)重量控制和船體安全性均不利。

如何取消VLCC 縱艙壁垂直桁間水平橫撐、減少貨艙制蕩艙壁的數(shù)量并盡量控制裝載手冊中所有工況的靜水彎矩包絡(luò)值，一直是VLCC 船型研發(fā)的需要注意的問題。本文旨在提出并設(shè)計一型無橫撐、少制蕩艙壁且船體更安全的VLCC。無橫撐設(shè)計實現(xiàn)的主要途徑是主要支撐構(gòu)件拓?fù)鋬?yōu)化［4］和形狀參數(shù)優(yōu)化。而要想實現(xiàn)少制蕩艙壁、控制靜水彎矩包絡(luò)值的目的，則主要依靠貨艙優(yōu)化布置。本文將著重研究這兩方面的問題。

1 VLCC 的貨艙布置方案分析

1.1 VLCC的貨艙縱向分艙

1.1.1 VLCC 貨艙區(qū)總長選定

根據(jù)已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)，VLCC 的貨艙長度一般為252～257 m，不同船型根據(jù)載重量、線型設(shè)計特征和機(jī)艙布置方案不同而略有不同。一般較大載重量（32 萬噸級）的VLCC 相對較小載重量（30 萬噸級）的VLCC 貨艙略長。首尾線型略瘦、方型系數(shù)略小的VLCC 貨艙長度相對較短，可能接近252 m。本文將針對貨艙總長254.6 m 這樣一個中間狀態(tài)進(jìn)行貨艙布置方案規(guī)劃。

1.1.2 橫艙壁位置的優(yōu)選

傳統(tǒng)VLCC 在橫向分為左、中、右3 個貨艙，在縱向一般劃分為5 組艙，且各組艙中貨艙的艙長基本相當(dāng)，通常在49～51 m。除第5 邊油艙之外，其他邊貨艙的長度超過了0.13 倍的結(jié)構(gòu)船長（用LS表示），根據(jù)CSR-H 要求，需要在每對邊貨艙的內(nèi)部設(shè)置制蕩艙壁，否則應(yīng)按照入級船級社的要求進(jìn)行特定的晃蕩載荷分析，對結(jié)構(gòu)重量控制不利（參見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)VLCC的貨艙布置方案

如果要想盡可能多的貨艙免于特定的晃蕩載荷分析，僅從滿足規(guī)范要求的角度，應(yīng)考慮盡可能將更多的邊油艙長度限制在0.13LS之內(nèi)，對于VLCC 而言，邊油艙長度應(yīng)小于42 m。這樣一來，如果還想保持5 組貨艙，則必然有些貨艙長于51 m。另外考慮到VLCC 的貨艙長度如果太長，則一方面可能超過Marpol 的硬性長度限制［5］（不超過0.2 倍兩柱間長），另外一方面也將使貨艙的橫向強(qiáng)度相對更難滿足。因此，單個貨艙的長度建議不超過58 m，在本文中考慮貨艙長度上限取為57.6 m。接下來，首先要確定首尾貨油艙的長度：

（1）考慮到首部第1 貨艙因為首部線型內(nèi)收的影響，單位長度的貨艙艙容更??；另外考慮到第1貨艙的底部區(qū)域因為需要滿足砰擊載荷下的強(qiáng)度要求已經(jīng)取為較大的構(gòu)件尺寸，整體剛度較大，船體底部整體橫向強(qiáng)度不成問題，所以可以考慮將首部第1 貨油艙設(shè)置為較長的貨艙，并在邊貨艙設(shè)置制蕩艙壁。但第1 貨油艙的長度也不宜過長，否則將對破艙穩(wěn)性和隔艙裝載下的浮態(tài)控制不利，經(jīng)過多方案比較，本船的第1 貨油艙的長度確定為55.6 m，比傳統(tǒng)VLCC 首部第1 艙長1 個強(qiáng)框間距左右。

（2）按照VLCC 的傳統(tǒng)布置方式，將Slop 艙布置在貨艙尾部區(qū)域，占3 檔強(qiáng)框間距。第5 中油艙的長度取57.6 m 或者52.4 m，比傳統(tǒng)VLCC 第5艙長1 個強(qiáng)框間距左右或者基本相當(dāng)。而第5 邊油艙的長度小于42 m，按照CSR-H 規(guī)定可在不加制蕩艙壁的情況下免于特定的晃蕩載荷分析。

（3）當(dāng)?shù)? 中油艙的長度取為57.6 m 時，從貨艙配載的便利性、破艙穩(wěn)性以及貨艙整體剛度均衡性的角度，與首尾兩個長貨艙相鄰的2、4 貨艙不宜再設(shè)置為長貨艙。第2 和第4 貨油艙均設(shè)置為長度不超過42 m 的相對較短貨艙，長約41.9 m（如圖2 方案1 所示）。如此一來，這一組貨艙可以在不加制蕩艙壁的情況下免于特定的晃蕩載荷分析。這樣一個貨艙長度約比傳統(tǒng)VLCC 短1.5 個強(qiáng)框間距。還有另外一種考慮方案是當(dāng)?shù)? 中油艙的長度取為52.4 m 時，將第2 組、第4 組貨油艙同設(shè)為52.4 m，比傳統(tǒng)VLCC 略長3%。第4 邊油艙設(shè)置制蕩艙壁。而第2 邊油艙考慮兩種設(shè)計方案，一種是設(shè)置制蕩艙壁（如圖3 方案2 所示）；另一種方案是將第2 邊油艙之后的2 個強(qiáng)框間距空間歸到邊第3 壓載艙（如圖4 方案3 所示）。

圖2 無橫撐少制蕩艙壁VLCC的貨艙縱向分艙方案1

圖3 無橫撐少制蕩艙壁VLCC的貨艙縱向分艙方案2

圖4 無橫撐少制蕩艙壁VLCC的貨艙縱向分艙方案3

（4）當(dāng)?shù)? 中油艙長57.6 m，而第2、4 組貨油艙長41.9 m 時，中間第3 貨油艙應(yīng)為長艙，考慮與第5 貨油艙同為57.6 m，比傳統(tǒng)VLCC 長1 個強(qiáng)框間距左右。第3 邊油艙的布置也有兩種方案，一種是可與中油艙同為57.6 m，這樣一來則需要在艙中設(shè)置制蕩艙壁（如圖2 所示）。另外，也可以考慮采用另外一種艙壁布置方案4，即將第3 邊油艙之前、第2 邊油艙之后的3 個強(qiáng)框間距空間歸到邊第3 壓載艙，與此同時，第5 壓載艙可以一直延伸到機(jī)艙前端壁，從而整個貨艙壓載艙可減少一對（如圖5 方案4 所示）。當(dāng)?shù)?、4、5 組貨油艙長同為52.4 m 時，第3 組貨油艙應(yīng)為長度約41.9 m 的短貨艙，第3 邊油艙可以免設(shè)制蕩艙壁。

圖5 無橫撐少制蕩艙壁VLCC的貨艙縱向分艙方案4

第3 邊油艙之前、第2 邊油艙之后的2 個或者3 個強(qiáng)框間距空間歸到邊第3 壓載艙的設(shè)計方案有以下幾項突出特征：將壓載艙的整體形心向船中拉近，而將貨油艙的整體重心稍微后移。突出優(yōu)點有4 個，一是有利于控制正常壓載狀態(tài)下的中拱靜水彎矩和船體應(yīng)力水平；二是有利于避免貨艙滿載出港狀態(tài)下的首傾和中垂彎矩過大；三是邊油艙少了一對制蕩艙壁；四是壓載水量比傳統(tǒng)VLCC 大1 500 m3以上，如果船東認(rèn)可的話，可以避開在貨艙內(nèi)再設(shè)置專門的重壓載艙。其主要缺點是：多了一對邊壓載艙水密橫艙壁，貨油艙的艙容略有損失；同時為補(bǔ)償邊油艙內(nèi)損失的2 檔或者3 檔強(qiáng)框間距的艙容，整船的雙層底高度和邊殼寬度均應(yīng)適當(dāng)減小。具體減小的量級將在下一節(jié)論述。除此之外，還要適當(dāng)優(yōu)化梁拱、貨艙總長或者型深，以保證貨艙艙容滿足船東使用要求。

VLCC 貨油艙配載的具體配載方案可以參見文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］，因涉及面較廣，本文不再詳述。其中，方案1 和方案4 在中油艙的布置方式完全相同，邊油艙布置方式相似；方案2 和方案3 在中油艙的布置方式完全相同，邊油艙布置方式相似；方案1 和方案2 的壓載艙布置方式相似；方案3 和方案4 的壓載艙布置方式相似，在整個貨艙重心靠前的一點位置設(shè)置了艙容較大的第3 壓載艙，更加適用于由于主機(jī)較大、尾部線型較瘦、機(jī)艙長度較長導(dǎo)致貨艙重心靠前、滿載出港容易產(chǎn)生首傾的VLCC。

四種貨艙縱向分艙方案相對傳統(tǒng)VLCC 分艙方案均有一定的技術(shù)優(yōu)勢，雖然形式上有些差異，但整體布置思想是一致的，通過貨艙長度的長短變化，控制裝載手冊中常用工況設(shè)計彎矩包絡(luò)值，同時減少制蕩艙壁的數(shù)量。這四種設(shè)計方案的共同特點是略微增加第1 組和第5 組貨艙的艙長，同時，第2、3、4 組貨艙中至少有一組艙的艙長相對略短。這樣的布局對于VLCC 的靜水彎矩控制較為有利，與文獻(xiàn)［8］中表4 所得結(jié)論有相似之處。至于哪一種貨艙布置方案更好，在不同的線型設(shè)計、機(jī)艙長度以及船東需求和偏好條件下，最佳設(shè)計方案可能會有不同，實際工程應(yīng)用時應(yīng)結(jié)合具體問題進(jìn)行具體分析。

1.2 VLCC的貨艙橫向分艙

1.2.1 縱艙壁的橫向位置

傳統(tǒng)VLCC 的橫向分為左、中、右三艙，一般中間艙的寬度相對較寬，縱艙壁間距大致在22.6～23.8 m；邊油艙的寬度相對較小，約15 m。縱艙壁的橫向位置優(yōu)選要考慮以下幾方面因素。

縱艙壁間距如果繼續(xù)增加，將帶來以下益處：

（1）邊油艙的寬度減小，同時制蕩艙壁的寬度也減小，可以節(jié)省一些水密艙壁、制蕩艙壁重量及其焊接工藝。

（2）更窄的邊油艙也更有利于滿足晃蕩載荷和一般設(shè)計載荷下的各種強(qiáng)度要求。例如，VLCC 主要支撐構(gòu)件在直接強(qiáng)度計算時的決定性工況往往是邊油艙為空艙，而中油艙裝滿，且達(dá)到0.9 倍結(jié)構(gòu)吃水的狀態(tài)，即CSR-H 第一部分第四章第八部分表2 中的A1 工況。如果邊油艙寬度適當(dāng)減小，則有利于降低該工況下的應(yīng)力峰值。

（3）邊油艙區(qū)域的雙層底跨距更小，在縱艙壁垂直桁背面的大肘板可以用小尺度的防疲勞肘板代替，大大有利于簡化建造工藝。

縱艙壁間距如果繼續(xù)增加帶來的缺點是：中部貨油艙的雙層底區(qū)域?qū)挾雀螅瑱M向強(qiáng)度更難滿足，可能導(dǎo)致中部貨油艙雙層底橫向應(yīng)力更大。但這個弊端可以通過中部貨艙區(qū)內(nèi)縱艙壁垂直桁的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化來較好解決。

綜上所述，相對于傳統(tǒng)設(shè)計，向舷外稍微移動縱艙壁的位置，增加中油艙的寬度且減小邊油艙寬度的設(shè)計方案利大于弊。不過，縱艙壁的位置也不宜過分靠近舷側(cè)，以避免中油艙的剛度太差、艙容過大。本文通過多方案試算可得出以下結(jié)論：邊油艙的寬度在14.0～14.5 m 時，更容易兼顧各方面的平衡，貨艙橫向分艙的經(jīng)濟(jì)性最好。新布置方案的縱艙壁間距較傳統(tǒng)VLCC 大了兩個縱骨間距左右。

1.2.2 舷側(cè)縱艙壁的折角線優(yōu)化設(shè)計

舷側(cè)縱艙壁內(nèi)殼折角線優(yōu)化需要與貨艙區(qū)域內(nèi)的船體線型輪廓特征相匹配，也需要與前文所述的貨艙縱向分艙方案相配合。前者主要指的是底邊艙斜板的角度及折角點位置；后者主要考慮貨艙艙容與壓載艙艙容之間的平衡，因此需要合理設(shè)計雙底高度和雙殼寬度。

底邊艙斜板的角度設(shè)計基本原則是盡量與首尾貨艙區(qū)的舭部區(qū)域外板線型主要切線方向相匹配，以盡可能增加首尾貨艙的艙容，減小靜水中垂彎矩；減小首尾壓載艙的艙容，對控制靜水中拱彎矩有利。在首尾貨艙的區(qū)域的舷側(cè)縱艙壁內(nèi)殼折角線形狀更接近滿足最小雙殼寬度條件下的最大內(nèi)接多邊形，如圖6 所示。根據(jù)最新版的VLCC 線型設(shè)計特征，底邊艙斜板的角度可以確定為45°。這樣一來，也有利于減小雙層底的跨距和緩解內(nèi)底折角處的應(yīng)力集中。

圖6 舷側(cè)縱艙壁折角線角度定位的原則

底邊艙斜板的折角點位置設(shè)計同樣要兼顧總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度的要求。45°的折角線意味著底邊艙斜板的高度和寬度跨距相同。一般說來，底邊艙斜板的高度和寬度應(yīng)盡可能大，以減小雙層底和舷側(cè)雙殼的跨距；同時也不能取值過大導(dǎo)致貨艙艙容損失太大，或者因為高度超過6 m 導(dǎo)致需額外增加PMA 通道。根據(jù)貨艙艙容的基本要求，對應(yīng)縱向分艙方案1 和方案2，底邊艙斜板的高度和寬度取為5.97 m，而對應(yīng)縱向分艙方案三和方案四，底邊艙斜板的高度和寬度取為5.75 m 和5.74 m，均小于6 m。

在貨艙總長確定之后，貨艙區(qū)域的總艙容僅與外板線型特征有關(guān)，貨艙艙容與壓載艙艙容將是一組矛盾。貨艙區(qū)雙底高度和雙殼寬度設(shè)計必須考慮這一組矛盾，同時兼顧雙底區(qū)域和雙殼區(qū)域的強(qiáng)度及剛度要求、Marpol 關(guān)于雙底雙殼的寬度要求、溢油指數(shù)的要求以及破艙穩(wěn)性的要求。在考慮了上述因素之后，對應(yīng)貨艙縱向分艙設(shè)計方案1 和方案2，雙底高度確定為2.88 m，雙殼寬度為3.28 m，均比傳統(tǒng)VLCC 略小。主要原因是底邊艙斜板的寬度方向達(dá)到5.97 m，占用更多的貨艙艙容，因此需要略微減小雙底雙殼的寬度來補(bǔ)償貨艙艙容的損失，如圖7 所示。

對應(yīng)貨艙縱向分艙設(shè)計方案3，雙底高度和雙殼寬度均取為2.78 m；對應(yīng)貨艙縱向分艙設(shè)計方案4，雙底高度和雙殼寬度均取為2.68 m，均比傳統(tǒng)VLCC 小較多。這是因為邊油艙內(nèi)有2～3 檔強(qiáng)框間距的空間歸于第3 壓載艙，占用了較大的貨艙艙容，因此需要適度減小雙底高度和雙殼的寬度來補(bǔ)償部分貨艙艙容的損失（如圖8 所示）。

圖7 無橫撐少制蕩艙壁VLCC舷側(cè)縱艙壁的折角方案1（對應(yīng)縱向分艙方案1、2）

圖8 無橫撐少制蕩艙壁VLCC舷側(cè)縱艙壁的折角方案（對應(yīng)縱向分艙方案3、4）

1.3 VLCC的貨艙分艙參數(shù)比較

由下頁表1 可以看出，相對于傳統(tǒng)VLCC，四個新設(shè)計方案的貨艙分艙有以下共同特點：部分貨艙長度較短，可以在不加制蕩艙壁的情況下免于特定的晃蕩載荷分析；雙層底高度和雙殼寬度普遍略??；邊油艙雙層底寬度普遍更小，邊油艙的剛度更大；中油艙的寬度略寬，如果還采用傳統(tǒng)設(shè)計方式，中油艙雙層底區(qū)域的整體剛度將略小，因此有必要對包括中油艙在內(nèi)的貨艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，以改善中油艙區(qū)域的整體剛度。

2 VLCC 貨艙拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化對象及強(qiáng)框間距的優(yōu)選

如前文所述，貨艙折角線、內(nèi)底高度、雙殼寬度、縱艙壁和橫艙壁位置的布置更多取決于總布置、艙容、溢油計算、破艙穩(wěn)性和設(shè)計彎矩優(yōu)化的要求，這些設(shè)計參數(shù)的決定都和拓?fù)鋬?yōu)化無關(guān)。強(qiáng)框間距和縱骨間距同樣不能作為拓?fù)鋬?yōu)化的對象。因為即便拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果是縱骨和強(qiáng)框不等間距布置，實船設(shè)計也不會采用這樣的方案，如此一來縱向構(gòu)件的尺寸將增加很多，不利于簡化工藝和船廠管理。

表1 不同設(shè)計方案下VLCC的貨艙分艙參數(shù)比較m

因此本文將以橫向強(qiáng)框為研究對象探討拓?fù)鋬?yōu)化的最佳構(gòu)型，根據(jù)前文所述的貨艙橫艙壁布置方案，中部貨艙（第2、3、4 艙）的強(qiáng)框間距取為5.24 m，比傳統(tǒng)的VLCC 小8%左右；最首貨艙的強(qiáng)框間距取為5.56 m；最尾貨艙的強(qiáng)框間距取為5.8 m 左右，比傳統(tǒng)的VLCC 大2%左右。之所以在中部貨艙區(qū)加密強(qiáng)框的布置，而在首尾貨艙區(qū)減少強(qiáng)框的數(shù)量，主要目的是因為中部貨艙區(qū)建造工藝成熟，自動化焊接設(shè)備利用率高，此處略微增加強(qiáng)框數(shù)量，增加的建造工作量有限，但節(jié)省的空船重量較為可觀；而在首尾貨艙區(qū)，由于線型劇變，自動化焊接設(shè)備利用率低，因此考慮犧牲重量控制來減少施工工程量?？偟恼f來，在建造便利的貨艙平行中體，強(qiáng)框數(shù)量比傳統(tǒng)VLCC 多2 個，而在建造工藝復(fù)雜的首尾區(qū)域強(qiáng)框數(shù)量比傳統(tǒng)VLCC 少1 個，考慮到首尾貨艙區(qū)域的施工難度更大，因此整體建造工作量基本持平，而在結(jié)構(gòu)重量控制方面略有優(yōu)勢，全船縱骨重量可以減輕200 t 左右。

對于橫艙壁水平桁和橫向制蕩艙壁的最佳拓?fù)錁?gòu)型也將得出類似于橫向強(qiáng)框拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)論，將另行論述。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)及應(yīng)用方法

貨艙橫向強(qiáng)框的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化是貨艙設(shè)計方案的重要部分。除實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的目的之外，貨艙橫向強(qiáng)框拓?fù)鋬?yōu)化還有兩個重要使命，一是取消中油艙的中間橫撐，二是增加中部貨油艙的整體剛度。

SIMP 法［9］以結(jié)構(gòu)的柔順度作為目標(biāo)函數(shù)，更為適合本文的目的。此外SIMP 法材料插值拓?fù)鋬?yōu)化模型簡單高效，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算中有獨特的優(yōu)勢。VLCC 艙段主要支撐構(gòu)件的拓?fù)鋬?yōu)化模型復(fù)雜，為提高優(yōu)化效率，降低優(yōu)化求解難度，因此本文采用SIMP 法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計算。采用SIMP 法結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

考慮到商業(yè)化的軟件平臺HYPERWORKS/OPTISTRUCT 已有多年應(yīng)用SIMP 法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的工程案例應(yīng)用經(jīng)驗，已經(jīng)在本院設(shè)計的阿芙拉型油船、蘇伊士型油船、紐卡斯?fàn)栕畲笮蜕⒇洿膶嵈Y(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用，而且它可以同時集成形狀參數(shù)優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，因此本文建議采用該軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化。

2.3 優(yōu)化的約束條件、計算工況和邊界條件

拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化的約束條件、計算工況和邊界條件來源于CSR-H 的要求。約束條件包括CSR-H 描述性規(guī)范和屈服、屈曲強(qiáng)度約束條件。例如，橫向強(qiáng)框的腹板最小高度和最小厚度要求、剖面模數(shù)要求、艙段有限元計算的粗網(wǎng)格單元許用屈服應(yīng)力要求、細(xì)網(wǎng)格單元許用屈服應(yīng)力要求、板格的屈曲強(qiáng)度、水平撐桿或者斜撐桿的屈曲強(qiáng)度要求等。除此之外，也要對可能出現(xiàn)的斜撐桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元極限強(qiáng)度分析。

優(yōu)化的計算工況和邊界條件也完全取自CSR-H. 其中計算工況則依據(jù)規(guī)范第一部分第四章第八節(jié)；邊界條件取自第一部分第七章第二節(jié)，具體技術(shù)細(xì)節(jié)不再贅述。

2.4 對應(yīng)兩種貨艙分艙方案的貨艙橫向強(qiáng)框拓?fù)鋬?yōu)化及形狀參數(shù)設(shè)計

應(yīng)用上述優(yōu)化技術(shù)方法，對本船中部貨艙區(qū)橫向強(qiáng)框結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，還要經(jīng)過關(guān)鍵工況試算、病態(tài)工況剔除。拓?fù)鋬?yōu)化的構(gòu)型也不能直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計，至少要經(jīng)過平直化工程處理和簡單的試算以剔除其中設(shè)計上不可行的拓?fù)錁?gòu)型，并以工程上可行的構(gòu)型代替。在設(shè)計域與非設(shè)計域連接的區(qū)域較容易出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域，需要對該區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀參數(shù)調(diào)整以及全工況條件下的強(qiáng)度校核。因為收斂于較小體積分?jǐn)?shù)的油船貨艙結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型總是有“桁架化、撐桿化”的趨勢［10］，因此還要進(jìn)行大撐桿屈曲強(qiáng)度篩選等，具體計算過程如圖9 所示，此處不再詳述。

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化的基本流程

經(jīng)過上述計算分析，可以得到對應(yīng)四種貨艙分艙方案的貨艙橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)，盡管分艙形式略有差異，但四種設(shè)計方案所得最佳形狀參數(shù)極為相似。收斂于較小體積分?jǐn)?shù)的油船貨艙結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化構(gòu)型接近骨架形式，均有明顯的拓?fù)鋬?yōu)化特征：類桁架化。不管是甲板強(qiáng)橫梁還是縱艙壁垂直桁均呈現(xiàn)出類似字母“K”的形狀。其基本原理是利用較大的類斜撐桿作為“K”型梁的支腿，減小了甲板強(qiáng)橫梁、縱艙壁垂直桁、底部雙層底和舷側(cè)雙殼的計算跨距，減少了它們在局部載荷下的變形。而在邊壓載艙的實肋板結(jié)構(gòu)則出現(xiàn)盡可能多、面積盡可能大的開孔。圖10 為對應(yīng)四種貨艙分艙方案的貨艙橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)與傳統(tǒng)VLCC 橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)的對比。

圖10 四種貨艙分艙方案的橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)與傳統(tǒng)VLCC橫向強(qiáng)框形狀參數(shù)的對比

如圖10 所示，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化之后，除了縱艙壁垂直桁之外，在貨油艙區(qū)的橫向強(qiáng)框剛度相對傳統(tǒng)VLCC 更大。如果傳統(tǒng)VLCC不設(shè)置中間橫撐，則彎曲計算跨距約為23.6 m，剪切計算跨距約為19.7 m。但經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化后的縱艙壁垂直桁由于在上下端設(shè)計了比傳統(tǒng)VLCC 大得多的類斜撐桿結(jié)構(gòu)，計算跨距大大減小，彎曲計算跨距約為18.6 m，剪切計算跨距約為14.3 m，因此縱艙壁垂直桁有條件取消中間橫撐。如此一來，可以大大減少VLCC 貨艙的建造工藝。

無橫撐少制蕩艙壁VLCC 貨艙橫向強(qiáng)框上的每一根類斜撐桿均在力學(xué)有重要價值，起到了傳承載荷、減小貨艙變形的重要作用，下面將結(jié)合圖11進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖11 貨艙橫向強(qiáng)框類斜撐桿的力學(xué)價值示意圖

如圖11 所示，圖示構(gòu)件左右對稱，僅給出左舷所示構(gòu)件的力學(xué)價值說明，右舷構(gòu)件相似。類斜撐桿1 的力學(xué)價值在于減小雙層底（double bottom，簡稱DB）和縱艙壁垂直桁（vertical girder of longitudinal BHD，簡稱VG）的計算跨距；類斜撐桿2 的力學(xué)價值在于減小縱艙壁垂直桁（VG）和中間貨艙甲板強(qiáng)橫梁（deck transverse in central tank，簡稱CDT）的計算跨距；類斜撐桿3 的力學(xué)價值在于作為縱艙壁垂直桁（VG）的背肘板加固它的邊界剛度和減小邊油艙甲板強(qiáng)橫梁（deck transverse in side tank，簡稱SDT）的計算跨距；類斜撐桿4 的力學(xué)價值在于減小邊油艙甲板強(qiáng)橫梁（SDT）和舷側(cè)雙殼（double side，簡稱DS）結(jié)構(gòu)的計算跨距；類斜撐桿5 的力學(xué)價值在于減小舷側(cè)雙殼（DS）和雙層底（DB）的計算跨距；小肘板6 的力學(xué)價值在于避免縱艙壁垂直桁根部過大的應(yīng)力集中，將原本在縱艙壁根部的極高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到小肘板的自由邊，避免在維修難度很大的地方出現(xiàn)疲勞裂紋，也就是俚語所說的“防疲勞肘板”或者“犧牲肘板”。單從力學(xué)優(yōu)化的角度，該小肘板的尺寸加大對于結(jié)構(gòu)輕量化更為有利，但在此處有意將類撐桿結(jié)構(gòu)“退化”成小肘板形式，是因為如果此結(jié)構(gòu)還是采用類斜撐桿形式，則不利于分段建造，因此相對于傳統(tǒng)VLCC 該區(qū)域的大型背肘板（如圖9 所示）該肘板的外形幾何尺寸一般較小，但厚度極厚，稍微犧牲一點結(jié)構(gòu)重量以換取更為簡便的建造工藝，屬于比較典型的以重量換工藝。

通過以上拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，整個貨艙區(qū)的橫向強(qiáng)框雖然數(shù)量增加了一個，但通過比較徹底的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，貨艙區(qū)的總重仍可減輕約3%～ 4%。其計算依據(jù)是：本所設(shè)計建造的某蘇伊士型油船的母型船滿足CSR-OT 的中貨艙結(jié)構(gòu)重量為79.1 t/m，在經(jīng)過較為徹底的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化優(yōu)化之后，滿足CSR-H 的中貨艙結(jié)構(gòu)重量減小為76.9 t/m。不僅沒有因滿足CSR-H導(dǎo)致貨艙變重，反而還相對減輕了2.8%；本所設(shè)計建造的某阿芙拉型油船，母型船滿足CSR-OT 的中貨艙結(jié)構(gòu)重量為67.2 t/m，在探索性采用符合拓?fù)鋬?yōu)化原理的構(gòu)型之后，滿足CSR-H 的中貨艙結(jié)構(gòu)重量減輕為63.0 t/m，相對減輕了6.3%；本所研發(fā)的單縱艙壁VLCC，每米中貨艙結(jié)構(gòu)重量相對傳統(tǒng)VLCC 可以減輕約11.5%，其中拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計在其中貢獻(xiàn)的比例約為3.5%。綜上所述，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在實船設(shè)計和課題研發(fā)中應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，且已得到船級社和船東的認(rèn)可。如果新型VLCC 僅通過較徹底的拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，貨艙區(qū)橫向強(qiáng)度相關(guān)的重量預(yù)計可減輕3%～ 4%，保守預(yù)期為900 ～1 000 t。

3 四種貨艙布置方案與傳統(tǒng)VLCC技術(shù)指標(biāo)比較

綜上所述，無橫撐、少制蕩艙壁VLCC 有以下區(qū)別于傳統(tǒng)VLCC 的明顯特征。

（1）縱艙壁垂直桁沒有水平橫撐，節(jié)省焊接工作量的同時有利于分段建造。

（2）制蕩艙壁的數(shù)量和長度減少，節(jié)省了較多空船重量和焊接工藝。

（3）部分油艙比傳統(tǒng)VLCC 略長；部分油艙長度略短，為41.9 m 左右。

（4）兩縱艙壁間距比傳統(tǒng)VLCC 大2 檔縱骨間距左右。

（5）縱艙壁垂直桁的和甲板強(qiáng)橫梁的輪廓形狀經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，呈現(xiàn)“K”字形，或者是主要支撐構(gòu)件根部設(shè)置的大肘板內(nèi)部大開孔的特征。大部分區(qū)域的橫向強(qiáng)框的剛度增加，橫向強(qiáng)框重量減輕較為明顯。

（6）縱艙壁垂直桁下緣背面僅設(shè)置小肘板，取代了原來的大型背肘板，大大簡化了工藝。

（7）舷側(cè)縱艙壁在底邊艙斜板的角度為45°左右，有利于減小雙層底的跨距和緩解內(nèi)底折角處的應(yīng)力集中。

（8）首尾貨艙的強(qiáng)框間距相對傳統(tǒng)VLCC 略大，而中部貨艙強(qiáng)框間距略小，以便于在工藝總量基本相當(dāng)?shù)那闆r下稍稍減輕空船重量。

（9）所有裝載工況的靜水彎矩包絡(luò)值較常規(guī)VLCC 有明顯的減小，船體結(jié)構(gòu)總強(qiáng)度的余量更大，有利于提高船體的安全性。

（10）為了更好地控制裝載手冊中常用工況設(shè)計彎矩包絡(luò)值以及滿載到港狀態(tài)下的浮態(tài)，在設(shè)計方案3 和方案4 中，在第2 邊油艙之后、第3 邊油艙之前的2～3 個強(qiáng)框空間可以歸于第3 壓載艙，形成壓載艙向船中凸起的形式。

四種貨艙布置方案與傳統(tǒng)VLCC 的技術(shù)指標(biāo)綜合比較參見下頁表2。由于高強(qiáng)度鋼比例不同情況下的空船結(jié)構(gòu)重量差異較大，此處給出的傳統(tǒng)VLCC 貨艙縱骨總重、貨艙橫向強(qiáng)度相關(guān)總重和貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)總重均為假定的約數(shù)，而方案1 至方案4的數(shù)據(jù)則是在相同比較條件下結(jié)構(gòu)重量的相對增減。四個設(shè)計方案的最大靜水中拱、中垂靜水彎矩均是在裝載手冊所有航行工況靜水彎矩的包絡(luò)值再加5%左右的裕度。

由表2 可以看出，四個設(shè)計方案的貨艙區(qū)空船結(jié)構(gòu)重量均較傳統(tǒng)VLCC 減輕1 500 t 左右，約5%。其中，通過拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化，可減輕結(jié)構(gòu)重量90～1 000 t，同時可以取消貨艙中間橫撐；通過減少制蕩艙壁和水密艙壁的總長度，并結(jié)合貨艙配載優(yōu)化，可減輕結(jié)構(gòu)重量50～350 t，同時可以簡化工藝；通過優(yōu)化強(qiáng)框間距，可減輕結(jié)構(gòu)重量約200 t；通過優(yōu)化配載，可減輕結(jié)構(gòu)重量130～180 t。設(shè)計時不能將港口許用靜水彎矩取值過小，以免影響配載的便利性，所以盡管通過優(yōu)化配載，裝載手冊中航行工況靜水彎矩的包絡(luò)值減小較多，但結(jié)構(gòu)重量不宜因此而減輕過多。

由于取消了縱艙壁垂直桁的水平橫撐，原來的縱艙壁垂直桁下緣的大型背肘板替換為建造方便的小肘板，加上制蕩艙壁的數(shù)量大大減少，預(yù)計整個貨艙區(qū)的建造工作量和建造成本可以減少5%以上?？紤]到VLCC 船體結(jié)構(gòu)建造的成本約占整個建造成本的30%左右，而貨艙區(qū)的建造成本占整個船體建造成本的70%左右，因此采用上述優(yōu)化設(shè)計方案之后，預(yù)計整個VLCC 的建造成本可以減少1%以上，這對于利潤率低且透明的造船業(yè)已經(jīng)算是比較可觀的改善了。

表2 四種貨艙布置方案與傳統(tǒng)VLCC的技術(shù)指標(biāo)綜合比較

圖12 阿芙拉型油船貨艙結(jié)構(gòu)的實船設(shè)計模型與對應(yīng)的分段圖

如果不考慮減少制蕩艙壁，所有單個貨艙的長度與傳統(tǒng)VLCC 基本保持相同，但是考慮其他優(yōu)化設(shè)計手段，如縱艙壁的位置和舷側(cè)縱艙壁折角線的優(yōu)選，應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化對貨艙區(qū)主要支撐構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，則改進(jìn)后的VLCC 相對傳統(tǒng)VLCC 在船體結(jié)構(gòu)重量和建造工藝方面仍可節(jié)省3.5%～ 4%。事實上，結(jié)構(gòu)工程師已經(jīng)在嘗試在某些尺寸較小的油船上應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，并且獲得了成功的設(shè)計經(jīng)驗。圖12 所示為本院設(shè)計并建造于2016 年的某阿芙拉型油船貨艙結(jié)構(gòu)的實船設(shè)計模型與對應(yīng)的分段圖，其中在縱艙壁垂直桁底部的大開孔實際上為將此處結(jié)構(gòu)做成類斜撐桿的形式，只是由于大斜撐桿的屈曲強(qiáng)度分析是CRS-H 條文要求的盲區(qū)，其屈曲模式與傳統(tǒng)VLCC 的水平橫撐還有一定的差異性，其受力特性更加復(fù)雜，還不能簡單套用水平橫撐的屈曲計算方法來指導(dǎo)工程師完成類斜撐桿的完整設(shè)計。因此在實船設(shè)計時有意避免將船體結(jié)構(gòu)做成大斜撐桿的形狀，僅讓它看起來形似一個大的減輕孔。

4 結(jié) 語

相對于傳統(tǒng)VLCC，無橫撐、少制蕩艙壁型VLCC 在船體結(jié)構(gòu)輕量化和工藝簡化方面均有一定的技術(shù)優(yōu)勢。它通過在橫向強(qiáng)框架上應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，不僅實現(xiàn)了VLCC 縱艙壁垂直桁無橫撐設(shè)計的目的，建造工藝也有一定程度的簡化。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計已經(jīng)在蘇伊士型油船、阿芙拉型油船、紐卡斯?fàn)栕畲笮蜕⒇洿膶嵈O(shè)計中有部分應(yīng)用，已經(jīng)證明可以較大程度地減輕空船結(jié)構(gòu)重量。通過合理布置貨艙的橫艙壁和縱艙壁，可以在實現(xiàn)制蕩艙壁數(shù)量和長度最小化的同時，明顯地減小裝載手冊所有工況的靜水彎矩包絡(luò)值，降低整體和局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，提高船體的安全性。在經(jīng)濟(jì)性方面，預(yù)計可以使得貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)重量最多可減輕1 500 t 左右，降低VLCC 貨艙區(qū)建造成本的5%以上，相當(dāng)于VLCC 整體造價的1%左右。

由于拓?fù)鋬?yōu)化的最佳構(gòu)型總是有“桁架化、撐桿化”的趨勢，而桁架中類斜撐桿的受力方式和邊界條件更加復(fù)雜，其屈曲模式與傳統(tǒng)VLCC 的水平橫撐還有一定的差異性，目前還是規(guī)范定義的盲區(qū)，希望未來船級社規(guī)范能有相應(yīng)的指導(dǎo)性文件或者指南來指導(dǎo)這樣的新型結(jié)構(gòu)的完整設(shè)計和強(qiáng)度校核。

近些年來，國內(nèi)船廠在VLCC 的市場訂單方面幾乎顆粒無收，國內(nèi)外的市場訂單多被韓國船廠收入囊中，其中一個很重要的原因就是國內(nèi)在VLCC設(shè)備配套方面的國產(chǎn)化率還不高，在綜合建造成本控制、建造進(jìn)度、市場口碑方面不如韓國船廠。韓國船廠在整個VLCC 設(shè)計建造的產(chǎn)業(yè)鏈全部實現(xiàn)國產(chǎn)化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化，而且在整個設(shè)計鏈經(jīng)過了數(shù)輪次迭代優(yōu)化，在重量控制和成本控制方面精益求精，已經(jīng)形成了市場接單的良性循環(huán)和廣告效應(yīng)。國內(nèi)如果不能積極創(chuàng)新，盡可能控制整船建造成本，則很難與之競爭。

本文中所設(shè)計的無橫撐少制蕩艙壁型VLCC就是這樣一種創(chuàng)新設(shè)計。但由于滿足CSR-H 的VLCC 艙段有限元分析工作量巨大，在暫無實船訂單可能性的情況下，設(shè)計院所很難冒險主動投入大量時間和人力去完成這樣一個創(chuàng)新船型的系統(tǒng)性研發(fā)。所以，雖然這些設(shè)計方案經(jīng)過了初步穩(wěn)性和完整穩(wěn)性計算、貨艙和壓載艙優(yōu)化配載等總體基本性能計算、貨艙拓?fù)鋬?yōu)化和形狀參數(shù)優(yōu)化、中貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計和規(guī)范計算，但尚未經(jīng)過完整的首中尾貨艙段有限元直接計算驗證。在取得船東對設(shè)計初步方案的認(rèn)可之后，我們將會彌補(bǔ)這部分缺失的內(nèi)容。