散货船舱口围板撑柱结构优化设计

摘要：考虑到现代造船的PSPC要求，对母型船的舱口围板撑柱结构进行优化，根据CSR共同规范对舱口围板撑柱结构的要求，通过规范计算和有限元分析校核撑柱优化方案的合理性。通过对撑柱结构的优化设计，选取更优的撑柱型式，以实现减少焊接长度，减少焊接工作量，减少顶边舱的涂层破损的目标，应对PSPC新标准的实施；优化撑柱的结构尺寸，减少钢料用量，降低船舶的建造成本。

关键词：舱口围板撑柱 焊接 CSR规范 顶边水舱 涂层破损 PSPC

1 背景

《所有类型船舶专用海水压载舱和散货船双舷侧处所保护涂层性能标准》，简称PSPC，该标准作为一项船舶涂层破损的考核标准，逐渐被船东作为评定造船质量、精度等方面的参考依据。根据PSPC的要求，压载舱的涂层破损面积不得超过压载舱总面积的2%。该标准的推出对船舶的设计和建造带来了重大影响，针对PSPC的新要求，船企必须从提高管理水平、改进建造工艺以及优化船舶设计等多方面，降低建造过程中压载舱的涂层破损。文中以76000DWT巴拿马型散货船的舱口围撑柱设计为例，阐述在前期产品设计源头中考虑降低船舶建造过程中压载舱涂层破损的思路和方法。船台搭载过程中的焊接会造成已有涂层的破损，如果焊接发生在压载舱等处，就会造成压载舱的涂层破损，这将不利于对PSPC要求的控制，这是船企需要尽力避免的。散货船是我国目前建造数量最多的船型。在散货船的建造过程中，舱口围分段是在货舱区主甲板搭载完毕后，再散吊上船台进行搭载的，见图1。这种船台散吊搭载的建造方式，会造成舱口围板和撑柱与甲板连接处的涂层在焊接时被破坏，由于建造场地和条件的限制却又无法避免。这些搭载焊缝大量位于顶边水压载舱上方，会造成顶边舱压载舱涂层的破坏。并且在船台搭载阶段较多的焊接工作量，重复的油漆工作，较大的结构厚度都会带来建造成本的增加。

因此本文基于76000DWT散货船的舱口围撑柱为设计母型，对其结构型式进行优化，并且使其能够满足CSR共同规范的要求。力图从设计源头改善建造过程中顶边舱压载舱图层破坏的问题，提高造船设计和建造水平，以应对PSPC新标准的实施，并实现降本增效的目标。

3 撑柱设计优化方法

3.1 原设计方案介绍

原设计方案中，选取了CSR规范提供的第4种范例型式。典型舱口围板撑柱高度为1330m，上缘长400mm，下缘与甲板面的对接长度为830mm，板厚为20mm，面板为FB150x12，内部开孔的加强面板为FB100x12。原方案典型舱口围板的详细数据见图3。原设计方案撑柱与甲板面的对接是连续的，故理论焊接长度为830mm，焊接区域较长，板厚较厚。此设计会带来较大的焊接工作量，造成甲板油漆的较大范围破坏，增加建造成本以及压载舱涂层的破坏。

3.2 优化设计方案

为减小撑柱与甲板的焊接长度，减少舱口围板撑柱与主甲板的搭载焊接工作量，提高PSPC工艺控制水平。文中选取CSR规范提供的第3种范例型式。该型式由于撑柱与甲板面的对接不连续，可以在中间减少一部分焊接区域。通过规范计算，确定围板撑柱的初步优化方案。优化后的撑柱主要由200x15+100x10的T型材和200x15+150x

10的工字钢组成。与甲板的对接区域长度约为430mm。初步优化方案典型舱口围板的详细数据见图4。其与甲板的连接处的净剖面模数W=2548cm3，净厚度tw=12.5mm，符合规范公式要求。该初步优化方案还需进行有限元验证。

4 优化方案的有限元分析

4.1 有限元模型

以风暴舱舱口围作为计算典型，使用有限元软件MSC.Patran/Nastran建立其模型。模型包括舱口围板、舱口面板、撑柱等结构。模型中舱口围板、撑柱、舱口面板等构件采用板单元模拟，扶强材采用梁单元模拟。模型见图5。

4.2 工况设定

由于舱口围承受舱口盖压力和作用在舱口围板上的波浪侧向压力，本文分为两种工况评估优化方案可行性。

LC1：舱口围面板承受舱口盖垂向压力，见图6。

LC2：舱口围板承受波浪侧向压力，见图7。

4.3 屈服强度结果与分析

根据MSC.Nastran计算结果，将舱口围结构最大应力进行汇总，见表1。舱口围结构的屈服强度均满足规范要求，高应力区主要集中在撑柱处且不超过许用应力，证明了优化方案的必要性与合理性。最大应力云图见图8。

5 效益分析

通过对舱口围撑柱的优化设计，可以实现舱顶边压载舱的焊接区域减少和结构板厚的降低。对于每一个典型舱口围撑柱结构，优化方案与原设计方案相比，理论上可以减少400mm的舱顶边压载舱焊接长度，并且减少了23.53kg的钢材用量。风暴舱舱口围有48根类似的撑柱，所以一个完整的舱口围结构，通过本文的优化，理论上减少的焊接长度有19.2m，起重位于舱顶边压载舱的焊接长度为8m。减少的钢材用量达到1.13T。全船有7个类似的舱口围，所以可以预见，舱口围撑柱的优化方案所带来的效益是相当可观的。

焊接长度的减少，不仅减少船台搭载焊接工作量，减少焊材和人工的使用，而且可以有效的减少涂层破损面积，有助于船企应对PSPC新标准的实施。

6 小结

本文对舱口围板撑柱的结构型式在规范允许的范围内进行了优化。根据PSPC的要求，选取的撑柱型式可以有效的减少撑柱与甲板的对接焊缝长度，每个撑柱在理论上可以减少400mm的焊接长度，与母型船相比焊接长度缩短了一半，对船舶满足的PSPC要求提供了相当大的帮助，同时减少了船台搭载焊接工作量。通过优化结构，有效的减小了撑柱的板厚和扶强材的尺寸，节省钢材用量，降低结构成本。本文对选定的优化方案进行了CSR规范校核和有限元分析，其结果均满足规范要求。并且应力水平和剖面模数与许用值比较接近，说明结构型式选取的合理性和经济性。

参考文献：

[1]散货船共同结构规范[S].

[2]陈铁云，陈伯真.船舶结构力学[M].上海：上海交通大学出版社，1991.

[3]赵阳.内河自卸砂船舱口围板结构的图纸审批和检验的建议[J].珠江水运，2010（04）.