CN110091960A - 一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构，涉及船舶制造技术领域，包括：双层底结构和舷侧双壳结构；中货油舱中包括至少两个中货油舱的舱长与船长之比小于0.13；边货油舱中包括至少三对边货油舱的舱长与船长之比小于0.13；横向强框包括第一类斜撑杆、第二类斜撑杆、第三类斜撑杆、第四类斜撑杆、第五类斜撑杆和小肘板。本发明无需设置水平横撑，节省了焊接工作量的同时有利于分段建造，大大减少了VLCC货舱的建造工艺；至少两对边货油舱无需设置制荡舱壁，节省了较多空船重量和焊接建造工作量，有效降低了船厂的工艺成本和材料成本。

Description

一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构

技术领域

本发明涉及船舶制造技术领域，尤其涉及一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构。

背景技术

传统的VLCC(Very Large Crude Carrier，超大型油船)的货舱纵舱壁垂直桁之间一般设有水平横撑，该水平横撑是VLCC特有的结构构件，用以减小纵舱壁垂直桁的跨距，优化纵舱壁垂直桁以及与其连接水平桁等相邻结构的尺寸,提高横向强框的整体承载能力。另外, 由于VLCC的单个货油舱较长,横撑的设置也有利于减小晃荡载荷。但水平横撑的设置对于船厂的分段划分和后续建造造成了很大麻烦。另外，传统的VLCC在横向分为左、中、右三个货舱，在纵向一般分割为五组舱，且各组舱中货舱的舱长基本相当，通常在49m至51m之间，除了第五组边货油舱之外，其他货舱的长度超过了0.13倍的结构船长，因此需要在每对舷侧货舱的中间位置需要设置如图1所示的四对制荡舱壁10，以降低液舱内液体剧烈晃动所产生的冲击力。每对制荡舱壁10的重量约为150吨，因此制荡舱壁10的制作同样增加了船厂较多的工艺成本和材料成本。

如何取消VLCC纵舱壁垂直桁间水平横撑，并减少货舱制荡舱壁 10的数量，一直是VLCC船型研发的一个焦点问题。现有技术中的取消水平横撑的设计方案为通过加大的纵舱壁水平桁来代替水平横撑支撑纵舱壁垂直桁，减小它的计算跨距。但这样的涉及方案造成了纵舱壁水平桁施工工作量和重量的急剧增加，并不能显著减轻货舱区结构重量，也不能显著减少货舱区建造的工作量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构，具体包括：

双层底结构，所述双层底结构的上方设置若干纵舱壁和若干横舱壁，每一所述纵舱壁与每一所述横舱壁垂直连接形成若干货油舱；

若干所述货油舱包括若干中货油舱和若干边货油舱；

若干所述中货油舱中包括至少两个所述中货油舱的舱长与船长之比小于0.13；

若干所述边货油舱中包括至少三对对称分布的所述边货油舱的舱长与所述船长之比小于0.13；

舷侧双壳结构，所述舷侧双壳结构与所述双层底结构之间设置一底边舱斜板；

若干所述货油舱按照分布位置分为：

最首货油舱区，分布于船体的首部；

最尾货油舱区，分布于所述船体的尾部；

中部货油舱区，分布于所述船体的中部，且位于所述最首货油舱区和所述最尾货油舱区之间；

横向强框，设置于所述中部货油舱区，所述横向强框包括：

第一类斜撑杆，设置于所述双层底结构与所述纵舱壁的所述垂直桁之间，用于减小所述双层底结构与所述纵舱壁的所述垂直桁之间的计算跨距；

第二类斜撑杆，设置于所述纵舱壁的所述垂直桁与所述中货油舱的甲板强横梁之间，用于减小所述纵舱壁的所述垂直桁与所述中货油舱的甲板强横梁之间的计算跨距；

第三类斜撑杆，设置于所述纵舱壁的所述垂直桁与所述边货油舱的甲板强横梁之间，用于减小所述纵舱壁的所述垂直桁与所述边货油舱的甲板强横梁之间的计算跨距；

第四类斜撑杆，设置于所述边货油舱的甲板强横梁与所述舷侧双壳结构之间，用于减小所述边货油舱的甲板强横梁与所述舷侧双壳结构之间的计算跨距；

第五类斜撑杆，设置于所述舷侧双壳结构与所述双层底结构之间，用于减小所述舷侧双壳结构与所述双层底结构之间的计算跨距；

小肘板，设置于所述纵舱壁的所述垂直桁的下缘背面，用于避免所述纵舱壁的所述垂直桁根部过大的应力集中。

优选的，若干所述中货油舱具体包括：

第一中货油舱，分布于所述最首货油舱区；

第二中货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第一中货油舱；

第三中货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第二中货油舱；

第四中货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第三中货油舱；

第五中货油舱，分布于所述最尾货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第四中货油舱；

所述第一中货油舱和所述第五中货油舱的强框间距大于所述第二中货油舱、所述第三中货油舱和所述第四中货油舱的强框间距。

优选的，所述第二中货油舱和所述第四中货油舱的舱长与船长之比均小于0.13，且所述第一中货油舱、所述第三中货油舱和所述第五中货油舱的舱长与船长之比均大于0.13。

优选的，若干所述边货油舱具体包括：

第一组边货油舱，分布于所述最首货油舱区；

第二组边货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第一组边货油舱；

第三组边货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第二组边货油舱；

第四组边货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第三组边货油舱；

第五组边货油舱，分布于所述最尾货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第四组边货油舱；

所述第一组边货油舱和所述第五组边货油舱的强框间距大于所述第二组边货油舱、所述第三组边货油舱和所述第四组边货油舱的强框间距。

优选的，所述第二组边货油舱和所述第四组边货油舱的舱长与船长之比均小于0.13，且所述第一组边货油舱、所述第三组边货油舱和所述第五组边货油舱的舱长与船长之比均大于0.13。

优选的，所述第二组边货油舱、所述第三组边货油舱和所述第四组边货油舱的舱长与船长之比均小于0.13，且所述第一组边货油舱和所述第五组边货油舱的舱长与船长之比均大于0.13。

优选的，所述第三组边货油舱的与所述第二组边货油舱相邻位置的两个强框间距的空间划分至所述第三组边货油舱与舷侧双壳之间形成一凸型第三压载舱，以减小所述第三组边货油舱的舱长。

优选的，所述第三组边货油舱的与所述第二组边货油舱相邻位置的三个强框间距的空间划分至所述第三组边货油舱与舷侧双壳之间形成一凸型第三压载舱，以减小所述第三组边货油舱的舱长。

优选的，所述底边舱斜板的角度为45度。

优选的，所述中货油舱的舱宽为24.9米。

优选的，所述横向强框的结构通过采用SIMP法进行拓扑优化和形状参数优化得到。

优选的，所述拓扑优化和形状参数优化的约束条件、计算工况和边界条件来源于CSR-H的要求。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

1)通过对横向强框的拓扑优化和形状参数优化，在横向强框中设置类斜撑杆，无需设置水平横撑，节省了焊接工作量的同时有利于分段建造，大大减少了VLCC货舱的建造工艺；

2)通过将至少三对对称分布的边货油舱的舱长设置为小于船长的0.13倍，使得至少两对边货油舱无需设置制荡舱壁，节省了较多空船重量和焊接建造工作量，有效降低了船厂的工艺成本和材料成本；

3)通过合理布置货舱的横舱壁和纵舱壁，可以在实现制荡舱壁数量和长度最小化的同时，降低整体和局部结构的应力水平，提高船体的安全性。

附图说明

图1为传统VLCC的货舱分布示意图；

图2为本发明的一个较佳的实施例中，一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构示意图；

图3为本发明的另一个较佳的实施例中，一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构示意图；

图4为传统VLCC的横剖图；

图5为本发明的一个较佳的实施例中，一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构的横剖图；

图6为本发明的一个较佳的实施例中，横向强框的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构，如图3至图6 所示，具体包括：

双层底结构1，双层底结构1的上方设置若干纵舱壁2和若干横舱壁3，每一纵舱壁2与每一横舱壁3垂直连接形成若干货油舱；

若干货油舱包括若干中货油舱和若干边货油舱；

若干中货油舱中包括至少两个中货油舱的舱长与船长之比小于 0.13；

若干边货油舱中包括至少三对对称分布的边货油舱的舱长与船长之比小于0.13；

舷侧双壳结构4，舷侧双壳结构4与双层底结构1之间设置一底边舱斜板5；

若干所述货油舱按照分布位置分为：

最首货油舱区，分布于船体的首部；

最尾货油舱区，分布于所述船体的尾部；

中部货油舱区，分布于所述船体的中部，且位于所述最首货油舱区和所述最尾货油舱区之间；

横向强框，设置于中部货油舱区，横向强框包括：

第一类斜撑杆61，设置于双层底结构1与纵舱壁2的垂直桁之间，用于减小双层底结构1与纵舱壁2的垂直桁之间的计算跨距；

第二类斜撑杆62，设置于纵舱壁2的垂直桁与中货油舱的甲板强横梁7之间，用于减小纵舱壁2的垂直桁与中货油舱的甲板强横梁 7之间的计算跨距；

第三类斜撑杆63，设置于纵舱壁2的垂直桁与边货油舱的甲板强横梁8之间，用于减小纵舱壁2的垂直桁与边货油舱的甲板强横梁 8之间的计算跨距；

第四类斜撑杆64，设置于边货油舱的甲板强横梁8与舷侧双壳结构4之间，用于减小边货油舱的甲板强横梁8与舷侧双壳结构4之间的计算跨距；

第五类斜撑杆65，设置于舷侧双壳结构4与双层底结构1之间，用于减小舷侧双壳结构与4双层底结构1之间的计算跨距；

小肘板66，设置于纵舱壁2的垂直桁的下缘背面，用于避免纵舱壁2的垂直桁根部过大的应力集中。

具体地，本实施例中，上述横向强框的每一根类斜撑杆均在力学有重要价值，起到了传承载荷、减小货舱变形的重要作用。本实施例中的类斜撑杆也可以理解为在横向强框的端部设置了大肘板，但要在大肘板的内部设置大的减轻孔。上述横向强框除设置于中部货油舱区外，在最首货油舱区和最尾货油舱区也有设置，具体设置方式类似，并根据最首货油舱区和最尾货油仓区的线性结构略有调整，具体结构此处不再赘述。图示构件左右对称，仅给出左舷所示构件的力学价值说明，右舷构件相似。

其中，第一类斜撑杆61的力学价值在于减小双层底结构1 (Double Bottom，简称DB)和纵舱壁2的垂直桁(Vertical Girder of Longitudinal BHD，简称VG)的计算跨距；第二类斜撑杆62的力学价值在于减小纵舱壁2的垂直桁(VG)和中货油舱甲板强横梁7 (DeckTransverse in Central tank，简称CDT)的计算跨距；第三类斜撑杆63的力学价值在于作为纵舱壁2的垂直桁(VG)的背肘板，以加固它的边界刚度和减小边货油舱甲板强横梁8(Deck Transverse in Side tank，简称SDT)的计算跨距；第四类斜撑杆 64的力学价值在于减小边货油舱甲板强横梁8(SDT)和舷侧双壳结构4(Double Side，简称DS)的计算跨距；第五类斜撑杆65的力学价值在于减小舷侧双壳结构4(DS)和双层底结构1(DB)的计算跨距；小肘板66的力学价值在于避免纵舱壁2的垂直桁根部过大的应力集中，将原本在纵舱壁2根部的极高应力转移到小肘板66的自由边，避免在维修难度很大的地方出现疲劳裂纹，也就是俚语所说的“防疲劳肘板”或者“牺牲肘板”。单从力学优化的角度，该小肘板66 的尺寸加大对于结构轻量化更为有利，但在此处有意将；类撑杆结构“退化”成小肘板形式，是因为如果但此结构还是了用类斜撑杆形式，则不利于分段建造，因此相对于传统VLCC该区域的大型背肘板，该肘板的外形尺寸一般较小，但厚度极厚，稍微牺牲一点结构重量以换取更为简便的建造工艺，属于比较典型的用重量换工艺。

本发明的较佳的实施例中，若干中货油舱具体包括：

第一中货油舱21，分布于最首货油舱区；

第二中货油舱22，分布于中部货油舱区，且通过横舱壁3连接第一中货油舱21；

第三中货油舱23，分布于中部货油舱区，且通过横舱壁3连接第二中货油舱22；

第四中货油舱24，分布于中部货油舱区，且通过横舱壁3连接第三中货油舱23；

第五中货油舱25，分布于最尾货油舱区，且通过横舱壁3连接第四中货油舱24；

第一中货油舱21和第五中货油舱25的强框间距大于第二中货油舱22、第三中货油舱23和第四中货油舱24的强框间距。

本发明的较佳的实施例中，第二中货油舱22和第四中货油舱24 的舱长与船长之比均小于0.13，且第一中货油舱21、第三中货油舱 23和第五中货油舱25的舱长与船长之比均大于0.13。

本发明的较佳的实施例中，若干边货油舱具体包括：

第一组边货油舱11，分布于最首货油舱区；

第二组边货油舱12，分布于中部货油舱区，且通过横舱壁3连接第一组边货油舱11；

第三组边货油舱13分布于中部货油舱区，且通过横舱壁3连接第二组边货油舱12；

第四组边货油舱14，分布于中部货油舱区，且通过横舱壁3连接第三组边货油舱13；

第五组边货油舱15，分布于最尾货油舱区，且通过横舱壁3连接第四组边货油舱14；

第一组边货油舱11和第五组边货油舱15的强框间距大于第二组边货油舱12、第三组边货油舱13和第四组边货油舱14的强框间距。

本发明的较佳的实施例中，第二组边货油舱12和第四组边货油舱14的舱长与船长之比均小于0.13，且第一组边货油舱11、第三组边货油舱13和第五组边货油舱15的舱长与船长之比均大于0.13。

本发明的较佳的实施例中，第二组边货油舱12、第三组边货油舱13和第四组边货油舱14的舱长与船长之比均小于0.13，且第一组边货油舱11和第五组边货油舱15的舱长与船长之比均大于0.13。

本发明的较佳的实施例中，第三组边货油舱13的与第二组边货油舱12相邻位置的两个强框间距的空间划分至第三组边货油舱13与舷侧双壳结构4之间形成一凸型第三压载舱33，以减小第三组边货油舱13的舱长。

本发明的较佳的实施例中，第三组边货油舱13的与第二组边货油舱12相邻位置的三个强框间距的空间划分至第三组边货油舱13与舷侧双壳结构4之间形成一凸型第三压载舱33，以减小第三组边货油舱13的舱长。

本发明的较佳的实施例中，底边舱斜板5的角度51为45度。

本发明的较佳的实施例中，中货油舱的舱宽为24.9米。

本发明的较佳的实施例中，横向强框的结构通过采用SIMP法进行拓扑优化和形状参数优化得到。

本发明的较佳的实施例中，拓扑优化和形状参数优化的约束条件、计算工况和边界条件来源于CSR-H的要求。

本发明的一个较佳的实施例中，根据已有统计数据，VLCC的货舱长度一般为252m～257m之间，本实施例中将针对货舱总长254.6m 这样一个中间状态的方案进行货舱布置方案规划，其他总长的货舱布置与之类似。如图2所示，具体货舱结构的布置方案如下：

1)通过重新设置横舱壁3的位置实现尽可能多的货舱免加制荡舱壁10；

具体地，单从满足规范要求的角度，应考虑尽可能将更多的货舱长度限制在0.13倍的船长之内，对于VLCC而言相当于0.1261倍水线总长，约为42m。这样一来，如果还想与传统VLCC一样保持五组货舱，则必然有些货舱长于51m。考虑多方面因素，单个货舱的长度建议不超过58m，在本实施例中考虑货舱长度上限取为57.6m。各个货舱长度分配如下：

长度长于42m的边货油舱数量为两对，分别为第一组边货油舱 11和第三组边货油舱13；

长度接近0.126倍水线总长(～42m)的边货油舱数量为三对，分别为第二组边货油舱12、第四组边货油舱14和第五组边货油舱15；

长度长于42m的中货油舱数量为三个，分别为第一中货油舱21、第三中货油舱23和第五中货油舱25，且长度在55.6m～57.6m之间；

长度接近0.126倍水线总长(～42m)的中货油舱数量为两个，分别为第二中货油舱22和第四中货油舱24。

其中，在货舱尾部还设置有Slop舱16，且位于第五组边货油舱 15的尾部，占三档强框间距，每档强框间距为5.76mm。由于第五中货油舱25的舱长在55.6m～57.6m之间，而第五组边货油舱15的舱长小于40m，按照规范规定可以免加制荡舱壁10。

本实施例中，静水弯矩包络值为6,750,000kN-m，比传统VLCC 小12.5％；在船体结构的许用静水弯矩还是7,600,000kN-m，为船体结构保留足够的强度余量。

2)通过重新设置纵舱壁2的位置实现货舱横向分舱的经济性最好；

具体地，相对于传统设计，向舷外稍微移动纵舱壁2的位置，增加中货油舱的宽度、且减小边货油舱的宽度的设计方案利大于弊。但是纵舱壁2的位置也不宜过分靠近舷侧，以避免中货油舱的刚度太差、舱容过大。在本实施例中，通过多方案试算可以得出以下结论，边货油舱的宽度在14.0m～14.5m时，更容易兼顾到各方面的平衡，货舱横向分舱的经济性最好。相对传统VLCC而言，纵舱壁间距大两个纵骨间距(1.6m～1.9m)。综上，最终选定纵舱壁2的横向位置是距中12450mm。

3)如图4和图5所示，通过重新设置底边舱斜板5的角度51以及折角点位置以减小双层底结构1的跨距和缓解内底折角处的应力集中；

具体地，传统VLCC的底边舱斜板5的角度51为52度左右。底边舱斜板5的角度51以及折角点位置的设置，即舷侧纵舱壁内壳折角线的设置需要与货舱区域内的船体线型轮廓特征相匹配，也需要与货舱的纵向分舱方案相配合。前者主要指的是底边舱斜板5的角度51及折角点位置；后者主要考虑货舱舱容与压载舱舱容之间的平衡，因此需要合理设计双底高度和双壳宽度。

底边舱斜板5的角度51设计基本原则是尽量与首尾货舱区的舭部区域外板线型主要切线方向相匹配，以尽可能增加首尾货舱的舱容，减小静水中垂弯矩；减小首尾压载舱的舱容，对控制静水中拱弯矩有利。在本实施例中，最终选定舷侧纵舱壁在底边斜板的折角角度是45度。

底边舱斜板5的折角点位置设计同样要兼顾总纵强度和局部强度的要求。45度的折角线意味着底边舱斜板5的高度和宽度跨距相同。一般说来，底边舱斜板5的高度和宽度应尽可能大，以减小双层底结构1和舷侧双壳结构4的跨距；同时也不能取值过大导致货舱舱容损失太大，或者因为高度方向超过6m导致需要额外增加PMA通道。本实施例中，底边舱斜板5的高度和宽度取为5.97m。

在货舱总长确定之后，货舱区域的总舱容仅与外板线型特征有关，货舱舱容与压载舱舱容将是一组矛盾。货舱区双底高度和双壳宽度设计必须考虑这一组矛盾，同时兼顾双底区域和双壳区域的强度及刚度要求、Marpol关于双底双壳的宽度要求、溢油指数的要求以及破舱稳性的要求。本实施例中，将双底高度确定为2.88m，双壳宽度为3.28m。均比传统VLCC略小。主要原因是底边舱斜板5的宽度方向达到了5.97m，占用了更多的货舱舱容，因此需要略微减小双底双壳的宽度来补偿货舱舱容的损失。

4)通过对横向强框进行拓扑优化和形状参数优化以实现取消设置水平横撑；

具体地，在进行拓扑优化和形状参数优化之前，首先需要选取合适的优化对象。如前文所述，货舱折角线、内底高度、双壳宽度、纵舱壁和横舱壁位置的布置更多取决于总布置的要求、舱容的要求，溢油计算、破舱稳性的要求，以及弯矩剪力设计载荷控制的要求。而这些设计参数的决定都和拓扑优化无关，主要是由结构力学原理之外的布置性因素决定的。所以，横向和纵向的分舱不作为拓扑优化论证的对象。纵向构件的空间位置由油船的总布置特性决定，所以不作为优化的对象。强框间距和纵骨间距同样不能作为拓扑优化的对象。因为即便拓扑优化的结果是纵骨和强框不等间距布置，实船设计也不会采用这样的方案，因为如此一来纵向构件的尺寸将增加很多，不利于简化工艺和船厂管理。

本实施例中，最终选择中部货舱区，即第二中货油舱22、第三中货油舱23、第四中货油舱24以及第二组边货油舱12、第三组边货油舱13、第四组边货油舱14的强框间距取为5.24m，比传统的VLCC 小8％左右；最首货舱区，即第一中货油舱21和第一组边货油舱11 的强框间距取为5.56m；最尾货舱区，即第五中货油舱25和第五组边货油舱15的强框间距取为5.76m，比传统的VLCC大2％左右。之所以在中部货舱区加密强框的布置，而在首尾货舱区减少强框的数量，主要目的是因为中部货舱区建造工艺成熟，自动化焊接设备利用率高，此处略微增加强框数量，增加的建造工作量有限，但节省的空船重量较为可观；而在首尾货舱区，由于线型剧变，自动化焊接设备利用率低，因此考虑牺牲重量控制来减少施工工作量。总的说来，建造便利的平行中体强框数量比传统VLCC多2个，而建造工艺复杂的首尾区域强框数量比传统VLCC少1个，整体建造工作量基本持平，而在结构重量控制方面略有优势。

本实施例中，优化对象选定为货舱的横向强框，横舱壁水平桁的最优构型也能得到与之相似的结果。除了实现结构轻量化的目的之外，货舱横向强框还有两个重要使命，一是取消中货油舱的中间横撑，二是增加中货油舱的整体刚度。

SIMP法材料插值拓扑优化模型简单高效，在复杂结构优化计算中有独特的优势。VLCC船舱段主要支撑构件的拓扑优化模型复杂，为提高优化效率，降低优化求解难度，因此本实施例中采用SIMP法进行拓扑优化计算。

拓扑优化和形状参数优化的约束条件、计算工况和边界条件来源于CSR-H的要求。

其中，约束条件包括CSR-H描述性规范和屈服、屈曲强度约束条件。例如，横向强框的腹板最小高度和最小厚度要求、剖面模数要求；舱段有限元计算的粗网格单元许用屈服应力要求、细网格单元许用屈服应力要求、板格的屈曲强度、水平撑杆或者斜撑杆的屈曲强度要求等。除此之外，也要对可能出现斜撑杆结构进行非线性有限元极限强度分析。优化的计算工况和边界条件完全取自CSR-H.其中计算工况则依据规范第一部分第四章第八节；边界条件取自第一部分第七章第二节，具体技术细节不再赘述。

在优化过程中，还要经过关键工况试算、病态工况剔除。拓扑优化的构型也不能直接应用于结构设计，至少要经过平直化工程处理和简单的试算以剔除其中设计上不可行的拓扑构型，并以工程上可行的构型代替。在设计域与非设计域连接的区域较为容易出现高应力区域，需要对该区域结构进行形状参数调整，以及全工况条件下的强度校核。因为收敛于较小体积分数的油船货舱结构的拓扑优化构型总是有“桁架化、撑杆化”的趋势，因此还要进行大撑杆屈曲强度筛选。

经过上述计算分析，可以得到对应两种货舱分舱方案的货舱横向强框形状参数，尽管分舱形式略有差异，但两种设计方案所得最佳形状参数极为相似。收敛于较小体积分数的油船货舱结构的拓扑优化构型接近骨架形式；但拓扑优化的构型不能直接应用于结构设计，至少要经过平直化工程处理和简单的试算以剔除其中设计上不可行的拓扑构型，并以工程上可行的构型代替货油舱区的横向强框均有明显的拓扑优化特征：类桁架化。不管是甲板强横梁还是纵舱壁垂直桁均呈现出类似字母“K”的形状。它的基本原理是利用较大的类斜撑杆作为“K”型梁的支腿，减小了甲板强横梁、纵舱壁垂直桁、底部双层底和舷侧双壳的计算跨距，减少了它们在局部载荷下的变形。而在边压载舱的实肋板结构则出现尽可能多、面积尽可能大的开孔。

经过拓扑优化和形状参数优化之后，除了纵舱壁垂直桁，在货油舱区的横向强框刚度相对传统VLCC更大。纵舱壁垂直桁由于在上下端设计了比传统VLCC大得多的类斜撑杆结构，计算跨距大大减小，弯曲计算跨距约为18.6m，剪切计算跨距约为14.3m。如果传统VLCC 不设置中间横撑，则弯曲计算跨距约为23.6m，剪切计算跨距约为 19.7m。由此可见，采用类斜撑杆之后，纵舱壁垂直桁有条件取消中间横撑。如此一来，可以大大减少VLCC货舱的建造工艺。

通过以上拓扑优化和形状参数优化，整个货舱区的横向强框虽然数量增加了一个，但通过比较彻底的拓扑优化和形状参数优化，总重量仍可减轻重量约940吨。双层底结构和舷侧双壳结构的刚度略有增强，由于横向屈曲引起的板厚加厚可以减少约70吨；由于取消了水平横撑，纵舱壁垂直桁的刚度有所减弱，导致纵舱壁因为横向屈曲强度要求需要加厚约30吨。综合平衡下来，在理想状态下，货舱横向强度及相关构件重量将减轻约980吨。

本发明的另一个较佳的实施例中，针对货舱总长254.6m这样一个中间状态的方案进行货舱布置方案规划，其他总长的货舱布置与之类似。具体货舱结构的布置方案如下：

1)如图3所示，通过重新设置横舱壁的位置实现尽可能多的货舱免加制荡舱壁；

具体地，各个货舱长度分配如下：

长度长于42m的边货油舱数量为一对，即第一组边货油舱11；

长度接近0.126倍水线总长(～42m)的边货油舱数量为四对，分别为第二组边货油舱12、第三组边货油舱13、第四组边货油舱14 和第五组边货油舱15；

长度长于42m的中货油舱数量为三个，分别为第一中货油舱21、第三中货油舱23和第五中货油舱25，且长度在55.6m～57.6m之间；

长度接近0.126倍水线总长(～42m)的中货油舱数量为两个，分别为第二中货油舱22和第四中货油舱24。

其中，在货舱尾部还设置有Slop舱16，且位于第五组边货油舱15的尾部，占三档强框间距，每档强框间距为5.76mm。由于第五中货油舱25的舱长在55.6m～57.6m之间，而第五组边货油舱15的舱长小于40m，按照规范规定可以免加制荡舱壁10。

进一步具体地，通过将第三组边货油舱13的与第二组边货油舱 12相邻位置的两个或三个强框间距的空间划分至第三组边货油舱13 与舷侧双壳结构4之间形成一凸型第三压载舱33，以减小上述第三组边货油舱13的舱长。这样的设计方案的突出特征是将压载舱的整体形心向船中拉近，而将货油舱的整体重心稍微后移。突出优点有四个，一是有利于控制正常压载状态(Normal ballast)下的中拱静水弯矩和船体结构应力水平；二是有利于避免货舱满载出港状态下的首倾和中垂弯矩过大，也有有利于货舱总长度的适度增加；三是边货油舱少了一对制荡舱壁；四是压载水量比传统VLCC大1500m3以上，可以避开在货舱内再设置专门的重压载舱。它的主要缺点是：多了一对边压载舱水密横舱壁，同时为了补偿边油舱内损失的两档或三档强框间距的舱容，整船的双层底高度和边壳宽度均应适当减小。

由于在整个货舱重心靠前的一点位置设置了舱容较大的第三压载舱33，在货油舱隔舱装载和正常压载配载时减小中拱静水弯矩起到显著的作用，可以将VLCC装载手册中所有常用装载工况的静水弯矩和剪力控制在一个较低的水平。当然，此举并不是为了降低设计许用静水弯矩和剪力。控制许用静水弯矩和剪力以达到减小结构重量的设计方案历来为船东所诟病。设计师在确定许用静水弯矩和剪力时，还是应根据船东用船的习惯，保留足够的余量。通过合理优化配载，减小装载手册中常用工况设计弯矩包络值的主要目的还是为了降低 VLCC在多数工况下的总纵应力水平，提高船体的安全性。

本实施例中，静水弯矩包络值为6,500,000kN-m，比传统VLCC 小14.5％。在船体结构的许用静水弯矩还是7,600,000kN-m，为船体结构保留足够的强度余量。

2)通过重新设置纵舱壁2的位置实现货舱横向分舱的经济性最好；

具体地，本实施例中，最终选定纵舱壁2的横向位置是距中 12450mm。

3)通过重新设置底边舱斜板5的角度51以及折角点位置以减小双层底的跨距和缓解内底折角处的应力集中；

具体地，本实施例中，最终选定舷侧纵舱壁在底边斜板的折角角度是45度，且底边舱斜板5的高度和宽度取为5.74m。同时双底高度和双壳宽度均设置为2.68m，比传统VLCC小较多。由于在第三组边货油舱13内有两档或三档强框间距的空间归于第三压载舱33，占用了较大的货舱舱容，因此需要适度减小双底双壳的宽度来补偿货舱舱容的损失，如图5所示。

4)通过对横向强框进行拓扑优化和形状参数优化以实现取消设置水平横撑；具体方法与上述实施例中相同，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种无横撑少制荡舱壁的超大型油船的货舱结构，其特征在于，具体包括：

双层底结构，所述双层底结构的上方设置若干纵舱壁和若干横舱壁，每一所述纵舱壁与每一所述横舱壁垂直连接形成若干货油舱；

若干所述货油舱包括若干中货油舱和若干边货油舱；

若干所述中货油舱中包括至少两个所述中货油舱的舱长与船长之比小于0.13；

若干所述边货油舱中包括至少三对对称分布的所述边货油舱的舱长与所述船长之比小于0.13；

舷侧双壳结构，所述舷侧双壳结构与所述双层底结构之间设置一底边舱斜板；

若干所述货油舱按照分布位置分为：

最首货油舱区，分布于船体的首部；

最尾货油舱区，分布于所述船体的尾部；

中部货油舱区，分布于所述船体的中部，且位于所述最首货油舱区和所述最尾货油舱区之间；

横向强框，设置于所述中部货油舱区，所述横向强框包括：

第一类斜撑杆，设置于所述双层底结构与所述纵舱壁的垂直桁之间，用于减小所述双层底结构与所述纵舱壁的所述垂直桁之间的计算跨距；

第二类斜撑杆，设置于所述纵舱壁的所述垂直桁与所述中货油舱的甲板强横梁之间，用于减小所述纵舱壁的所述垂直桁与所述中货油舱的甲板强横梁之间的计算跨距；

第三类斜撑杆，设置于所述纵舱壁的所述垂直桁与所述边货油舱的甲板强横梁之间，用于减小所述纵舱壁的所述垂直桁与所述边货油舱的甲板强横梁之间的计算跨距；

第四类斜撑杆，设置于所述边货油舱的甲板强横梁与所述舷侧双壳结构之间，用于减小所述边货油舱的甲板强横梁与所述舷侧双壳结构之间的计算跨距；

第五类斜撑杆，设置于所述舷侧双壳结构与所述双层底结构之间，用于减小所述舷侧双壳结构与所述双层底结构之间的计算跨距；

小肘板，设置于所述纵舱壁的所述垂直桁的下缘背面，用于避免所述纵舱壁的所述垂直桁根部过大的应力集中。

2.根据权利要求1所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，若干所述中货油舱具体包括：

第一中货油舱，分布于所述最首货油舱区；

第二中货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第一中货油舱；

第三中货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第二中货油舱；

第四中货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第三中货油舱；

第五中货油舱，分布于所述最尾货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第四中货油舱；

所述第一中货油舱和所述第五中货油舱的强框间距大于所述第二中货油舱、所述第三中货油舱和所述第四中货油舱的强框间距。

3.根据权利要求2所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，所述第二中货油舱和所述第四中货油舱的舱长与船长之比均小于0.13，且所述第一中货油舱、所述第三中货油舱和所述第五中货油舱的舱长与船长之比均大于0.13。

4.根据权利要求1所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，若干所述边货油舱具体包括：

第一组边货油舱，分布于所述最首货油舱区；

第二组边货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第一组边货油舱；

第三组边货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第二组边货油舱；

第四组边货油舱，分布于所述中部货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第三组边货油舱；

第五组边货油舱，分布于所述最尾货油舱区，且通过所述横舱壁连接所述第四组边货油舱；

所述第一组边货油舱和所述第五组边货油舱的强框间距大于所述第二组边货油舱、所述第三组边货油舱和所述第四组边货油舱的强框间距。

5.根据权利要求4所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，所述第二组边货油舱和所述第四组边货油舱的舱长与船长之比均小于0.13，且所述第一组边货油舱、所述第三组边货油舱和所述第五组边货油舱的舱长与船长之比均大于0.13。

6.根据权利要求4所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，所述第二组边货油舱、所述第三组边货油舱和所述第四组边货油舱的舱长与船长之比均小于0.13，且所述第一组边货油舱和所述第五组边货油舱的舱长与船长之比均大于0.13。

7.根据权利要求4所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，所述第三组边货油舱的与所述第二组边货油舱相邻位置的两个强框间距的空间划分至所述第三组边货油舱与所述舷侧双壳结构之间形成一凸型第三压载舱，以减小所述第三组边货油舱的舱长。

8.根据权利要求4所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，所述第三组边货油舱的与所述第二组边货油舱相邻位置的三个强框间距的空间划分至所述第三组边货油舱与所述舷侧双壳结构之间形成一凸型第三压载舱，以减小所述第三组边货油舱的舱长。

9.根据权利要求1所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，所述底边舱斜板的角度为45度。

10.根据权利要求1所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，所述中货油舱的舱宽为24.9米。

11.根据权利要求1所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，所述横向强框架的结构通过采用SIMP法进行拓扑优化和形状参数优化得到。

12.根据权利要求11所述的超大型油船的货舱结构，其特征在于，所述拓扑优化和形状参数优化的约束条件、计算工况和边界条件来源于CSR-H的要求。