無橫撐、少制蕩艙壁的VLCC 貨艙優化設計

邱偉強 吳 俊 李留洋 高 處 王連成

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.北京中遠海運船舶貿易有限公司 北京100027）

引 言

傳統VLCC 的貨艙縱艙壁垂直桁之間一般設置水平橫撐［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，韓國的結構工程師就曾提出無水平橫撐的VLCC 設計方案［2］，他們所采用的技術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結構重量，也不能顯著減少貨艙區建造的工程量。

傳統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（不含雙底雙殼區域）重約150 t。以某傳統VLCC 為例，制蕩艙壁總長約116 m，總重約580 t。

另外，傳統VLCC 如果要滿足新的油船散貨船共同結構規范［3］（以下簡稱CSR-H），則裝載手冊中所有工況的靜水彎矩包絡值將更大一些，對于船體結構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量并盡量控制裝載手冊中所有工況的靜水彎矩包絡值，一直是VLCC 船型研發的需要注意的問題。本文旨在提出并設計一型無橫撐、少制蕩艙壁且船體更安全的VLCC。無橫撐設計實現的主要途徑是主要支撐構件拓撲優化［4］和形狀參數優化。而要想實現少制蕩艙壁、控制靜水彎矩包絡值的目的，則主要依靠貨艙優化布置。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 貨艙區總長選定

根據已有統計數據，VLCC 的貨艙長度一般為252～257 m，不同船型根據載重量、線型設計特征和機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 這樣一個中間狀態進行貨艙布置方案規劃。

1.1.2 橫艙壁位置的優選

傳統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，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 倍的結構船長（用LS表示），根據CSR-H 要求，需要在每對邊貨艙的內部設置制蕩艙壁，否則應按照入級船級社的要求進行特定的晃蕩載荷分析，對結構重量控制不利（參見圖1）。

圖1 傳統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，僅從滿足規范要求的角度，應考慮盡可能將更多的邊油艙長度限制在0.13LS之內，對于VLCC 而言，邊油艙長度應小于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貨艙的底部區域因為需要滿足砰擊載荷下的強度要求已經取為較大的構件尺寸，整體剛度較大，船體底部整體橫向強度不成問題，所以可以考慮將首部第1 貨油艙設置為較長的貨艙，并在邊貨艙設置制蕩艙壁。但第1 貨油艙的長度也不宜過長，否則將對破艙穩性和隔艙裝載下的浮態控制不利，經過多方案比較，本船的第1 貨油艙的長度確定為55.6 m，比傳統VLCC 首部第1 艙長1 個強框間距左右。

（2）按照VLCC 的傳統布置方式，將Slop 艙布置在貨艙尾部區域，占3 檔強框間距。第5 中油艙的長度取57.6 m 或者52.4 m，比傳統VLCC 第5艙長1 個強框間距左右或者基本相當。而第5 邊油艙的長度小于42 m，按照CSR-H 規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）當第5 中油艙的長度取為57.6 m 時，從貨艙配載的便利性、破艙穩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 貨艙不宜再設置為長貨艙。第2 和第4 貨油艙均設置為長度不超過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VLCC 短1.5 個強框間距。還有另外一種考慮方案是當第5 中油艙的長度取為52.4 m 時，將第2 組、第4 組貨油艙同設為52.4 m，比傳統VLCC 略長3%。第4 邊油艙設置制蕩艙壁。而第2 邊油艙考慮兩種設計方案，一種是設置制蕩艙壁（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）當第5 中油艙長57.6 m，而第2、4 組貨油艙長41.9 m 時，中間第3 貨油艙應為長艙，考慮與第5 貨油艙同為57.6 m，比傳統VLCC 長1 個強框間距左右。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）。當第2、4、5 組貨油艙長同為52.4 m 時，第3 組貨油艙應為長度約41.9 m 的短貨艙，第3 邊油艙可以免設制蕩艙壁。

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 個強框間距空間歸到邊第3 壓載艙的設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。突出優點有4 個，一是有利于控制正常壓載狀態下的中拱靜水彎矩和船體應力水平；二是有利于避免貨艙滿載出港狀態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VLCC 大1 500 m3以上，如果船東認可的話，可以避開在貨艙內再設置專門的重壓載艙。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；同時為補償邊油艙內損失的2 檔或者3 檔強框間距的艙容，整船的雙層底高度和邊殼寬度均應適當減小。具體減小的量級將在下一節論述。除此之外，還要適當優化梁拱、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［6］和文獻［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置了艙容較大的第3 壓載艙，更加適用于由于主機較大、尾部線型較瘦、機艙長度較長導致貨艙重心靠前、滿載出港容易產生首傾的VLCC。

四種貨艙縱向分艙方案相對傳統VLCC 分艙方案均有一定的技術優勢，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計彎矩包絡值，同時減少制蕩艙壁的數量。這四種設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［8］中表4 所得結論有相似之處。至于哪一種貨艙布置方案更好，在不同的線型設計、機艙長度以及船東需求和偏好條件下，最佳設計方案可能會有不同，實際工程應用時應結合具體問題進行具體分析。

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?？v艙壁的橫向位置優選要考慮以下幾方面因素。

縱艙壁間距如果繼續增加，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計載荷下的各種強度要求。例如，VLCC 主要支撐構件在直接強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，且達到0.9 倍結構吃水的狀態，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減小，則有利于降低該工況下的應力峰值。

（3）邊油艙區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增加帶來的缺點是：中部貨油艙的雙層底區域寬度更大，橫向強度更難滿足，可能導致中部貨油艙雙層底橫向應力更大。但這個弊端可以通過中部貨艙區內縱艙壁垂直桁的拓撲優化和形狀參數優化來較好解決。

綜上所述，相對于傳統設計，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計方案利大于弊。不過，縱艙壁的位置也不宜過分靠近舷側，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，貨艙橫向分艙的經濟性最好。新布置方案的縱艙壁間距較傳統VLCC 大了兩個縱骨間距左右。

1.2.2 舷側縱艙壁的折角線優化設計

舷側縱艙壁內殼折角線優化需要與貨艙區域內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，因此需要合理設計雙底高度和雙殼寬度。

底邊艙斜板的角度設計基本原則是盡量與首尾貨艙區的舭部區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。在首尾貨艙的區域的舷側縱艙壁內殼折角線形狀更接近滿足最小雙殼寬度條件下的最大內接多邊形，如圖6 所示。根據最新版的VLCC 線型設計特征，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底折角處的應力集中。

圖6 舷側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計同樣要兼顧總縱強度和局部強度的要求。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盡可能大，以減小雙層底和舷側雙殼的跨距；同時也不能取值過大導致貨艙艙容損失太大，或者因為高度超過6 m 導致需額外增加PMA 通道。根據貨艙艙容的基本要求，對應縱向分艙方案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，貨艙區域的總艙容僅與外板線型特征有關，貨艙艙容與壓載艙艙容將是一組矛盾。貨艙區雙底高度和雙殼寬度設計必須考慮這一組矛盾，同時兼顧雙底區域和雙殼區域的強度及剛度要求、Marpol 關于雙底雙殼的寬度要求、溢油指數的要求以及破艙穩性的要求。在考慮了上述因素之后，對應貨艙縱向分艙設計方案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VLCC 略小。主要原因是底邊艙斜板的寬度方向達到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償貨艙艙容的損失，如圖7 所示。

對應貨艙縱向分艙設計方案3，雙底高度和雙殼寬度均取為2.78 m；對應貨艙縱向分艙設計方案4，雙底高度和雙殼寬度均取為2.68 m，均比傳統VLCC 小較多。這是因為邊油艙內有2～3 檔強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舷側縱艙壁的折角方案1（對應縱向分艙方案1、2）

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

1.3 VLCC的貨艙分艙參數比較

由下頁表1 可以看出，相對于傳統VLCC，四個新設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，如果還采用傳統設計方式，中油艙雙層底區域的整體剛度將略小，因此有必要對包括中油艙在內的貨艙結構進行拓撲優化和形狀參數優化，以改善中油艙區域的整體剛度。

2 VLCC 貨艙拓撲優化和形狀參數優化

2.1 優化對象及強框間距的優選

如前文所述，貨艙折角線、內底高度、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、破艙穩性和設計彎矩優化的要求，這些設計參數的決定都和拓撲優化無關。強框間距和縱骨間距同樣不能作為拓撲優化的對象。因為即便拓撲優化的結果是縱骨和強框不等間距布置，實船設計也不會采用這樣的方案，如此一來縱向構件的尺寸將增加很多，不利于簡化工藝和船廠管理。

表1 不同設計方案下VLCC的貨艙分艙參數比較m

因此本文將以橫向強框為研究對象探討拓撲優化的最佳構型，根據前文所述的貨艙橫艙壁布置方案，中部貨艙（第2、3、4 艙）的強框間距取為5.24 m，比傳統的VLCC 小8%左右；最首貨艙的強框間距取為5.56 m；最尾貨艙的強框間距取為5.8 m 左右，比傳統的VLCC 大2%左右。之所以在中部貨艙區加密強框的布置，而在首尾貨艙區減少強框的數量，主要目的是因為中部貨艙區建造工藝成熟，自動化焊接設備利用率高，此處略微增加強框數量，增加的建造工作量有限，但節省的空船重量較為可觀；而在首尾貨艙區，由于線型劇變，自動化焊接設備利用率低，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，強框數量比傳統VLCC 多2 個，而在建造工藝復雜的首尾區域強框數量比傳統VLCC 少1 個，考慮到首尾貨艙區域的施工難度更大，因此整體建造工作量基本持平，而在結構重量控制方面略有優勢，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撲構型也將得出類似于橫向強框拓撲優化的結論，將另行論述。

2.2 優化目標及應用方法

貨艙橫向強框的拓撲優化和形狀參數優化是貨艙設計方案的重要部分。除實現結構輕量化的目的之外，貨艙橫向強框拓撲優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］以結構的柔順度作為目標函數，更為適合本文的目的。此外SIMP 法材料插值拓撲優化模型簡單高效，在復雜結構優化計算中有獨特的優勢。VLCC 艙段主要支撐構件的拓撲優化模型復雜，為提高優化效率，降低優化求解難度，因此本文采用SIMP 法進行拓撲優化計算。采用SIMP 法結構拓撲優化數學模型如下：

考慮到商業化的軟件平臺HYPERWORKS/OPTISTRUCT 已有多年應用SIMP 法進行拓撲優化的工程案例應用經驗，已經在本院設計的阿芙拉型油船、蘇伊士型油船、紐卡斯爾最大型散貨船的實船結構設計中應用，而且它可以同時集成形狀參數優化和尺寸優化，因此本文建議采用該軟件進行拓撲優化和形狀參數優化。

2.3 優化的約束條件、計算工況和邊界條件

拓撲優化和形狀參數優化的約束條件、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 描述性規范和屈服、屈曲強度約束條件。例如，橫向強框的腹板最小高度和最小厚度要求、剖面模數要求、艙段有限元計算的粗網格單元許用屈服應力要求、細網格單元許用屈服應力要求、板格的屈曲強度、水平撐桿或者斜撐桿的屈曲強度要求等。除此之外，也要對可能出現的斜撐桿結構進行非線性有限元極限強度分析。

優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規范第一部分第四章第八節；邊界條件取自第一部分第七章第二節，具體技術細節不再贅述。

2.4 對應兩種貨艙分艙方案的貨艙橫向強框拓撲優化及形狀參數設計

應用上述優化技術方法，對本船中部貨艙區橫向強框結構進行拓撲優化和形狀參數優化。在優化過程中，還要經過關鍵工況試算、病態工況剔除。拓撲優化的構型也不能直接應用于結構設計，至少要經過平直化工程處理和簡單的試算以剔除其中設計上不可行的拓撲構型，并以工程上可行的構型代替。在設計域與非設計域連接的區域較容易出現高應力區域，需要對該區域結構進行形狀參數調整以及全工況條件下的強度校核。因為收斂于較小體積分數的油船貨艙結構的拓撲優化構型總是有“桁架化、撐桿化”的趨勢［10］，因此還要進行大撐桿屈曲強度篩選等，具體計算過程如圖9 所示，此處不再詳述。

圖9 拓撲優化和形狀參數優化的基本流程

經過上述計算分析，可以得到對應四種貨艙分艙方案的貨艙橫向強框形狀參數，盡管分艙形式略有差異，但四種設計方案所得最佳形狀參數極為相似。收斂于較小體積分數的油船貨艙結構的拓撲優化構型接近骨架形式，均有明顯的拓撲優化特征：類桁架化。不管是甲板強橫梁還是縱艙壁垂直桁均呈現出類似字母“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，減小了甲板強橫梁、縱艙壁垂直桁、底部雙層底和舷側雙殼的計算跨距，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構則出現盡可能多、面積盡可能大的開孔。圖10 為對應四種貨艙分艙方案的貨艙橫向強框形狀參數與傳統VLCC 橫向強框形狀參數的對比。

圖10 四種貨艙分艙方案的橫向強框形狀參數與傳統VLCC橫向強框形狀參數的對比

如圖10 所示，經過拓撲優化和形狀參數優化之后，除了縱艙壁垂直桁之外，在貨油艙區的橫向強框剛度相對傳統VLCC 更大。如果傳統VLCC不設置中間橫撐，則彎曲計算跨距約為23.6 m，剪切計算跨距約為19.7 m。但經過拓撲優化和形狀參數優化后的縱艙壁垂直桁由于在上下端設計了比傳統VLCC 大得多的類斜撐桿結構，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 貨艙橫向強框上的每一根類斜撐桿均在力學有重要價值，起到了傳承載荷、減小貨艙變形的重要作用，下面將結合圖11進行詳細說明。

圖11 貨艙橫向強框類斜撐桿的力學價值示意圖

如圖11 所示，圖示構件左右對稱，僅給出左舷所示構件的力學價值說明，右舷構件相似。類斜撐桿1 的力學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 的力學價值在于減小縱艙壁垂直桁（VG）和中間貨艙甲板強橫梁（deck transverse in central tank，簡稱CDT）的計算跨距；類斜撐桿3 的力學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橫梁（deck transverse in side tank，簡稱SDT）的計算跨距；類斜撐桿4 的力學價值在于減小邊油艙甲板強橫梁（SDT）和舷側雙殼（double side，簡稱DS）結構的計算跨距；類斜撐桿5 的力學價值在于減小舷側雙殼（DS）和雙層底（DB）的計算跨距；小肘板6 的力學價值在于避免縱艙壁垂直桁根部過大的應力集中，將原本在縱艙壁根部的極高應力轉移到小肘板的自由邊，避免在維修難度很大的地方出現疲勞裂紋，也就是俚語所說的“防疲勞肘板”或者“犧牲肘板”。單從力學優化的角度，該小肘板的尺寸加大對于結構輕量化更為有利，但在此處有意將類撐桿結構“退化”成小肘板形式，是因為如果此結構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VLCC 該區域的大型背肘板（如圖9 所示）該肘板的外形幾何尺寸一般較小，但厚度極厚，稍微犧牲一點結構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。

通過以上拓撲優化和形狀參數優化，整個貨艙區的橫向強框雖然數量增加了一個，但通過比較徹底的拓撲優化和形狀參數優化，貨艙區的總重仍可減輕約3%～ 4%。其計算依據是：本所設計建造的某蘇伊士型油船的母型船滿足CSR-OT 的中貨艙結構重量為79.1 t/m，在經過較為徹底的拓撲優化和形狀參數優化優化之后，滿足CSR-H 的中貨艙結構重量減小為76.9 t/m。不僅沒有因滿足CSR-H導致貨艙變重，反而還相對減輕了2.8%；本所設計建造的某阿芙拉型油船，母型船滿足CSR-OT 的中貨艙結構重量為67.2 t/m，在探索性采用符合拓撲優化原理的構型之后，滿足CSR-H 的中貨艙結構重量減輕為63.0 t/m，相對減輕了6.3%；本所研發的單縱艙壁VLCC，每米中貨艙結構重量相對傳統VLCC 可以減輕約11.5%，其中拓撲優化設計在其中貢獻的比例約為3.5%。綜上所述，拓撲優化技術在實船設計和課題研發中應用已經較為成熟，且已得到船級社和船東的認可。如果新型VLCC 僅通過較徹底的拓撲優化和形狀參數優化，貨艙區橫向強度相關的重量預計可減輕3%～ 4%，保守預期為900 ～1 000 t。

3 四種貨艙布置方案與傳統VLCC技術指標比較

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

（1）縱艙壁垂直桁沒有水平橫撐，節省焊接工作量的同時有利于分段建造。

（2）制蕩艙壁的數量和長度減少，節省了較多空船重量和焊接工藝。

（3）部分油艙比傳統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VLCC 大2 檔縱骨間距左右。

（5）縱艙壁垂直桁的和甲板強橫梁的輪廓形狀經過拓撲優化和形狀參數優化，呈現“K”字形，或者是主要支撐構件根部設置的大肘板內部大開孔的特征。大部分區域的橫向強框的剛度增加，橫向強框重量減輕較為明顯。

（6）縱艙壁垂直桁下緣背面僅設置小肘板，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底折角處的應力集中。

（8）首尾貨艙的強框間距相對傳統VLCC 略大，而中部貨艙強框間距略小，以便于在工藝總量基本相當的情況下稍稍減輕空船重量。

（9）所有裝載工況的靜水彎矩包絡值較常規VLCC 有明顯的減小，船體結構總強度的余量更大，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計彎矩包絡值以及滿載到港狀態下的浮態，在設計方案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VLCC 的技術指標綜合比較參見下頁表2。由于高強度鋼比例不同情況下的空船結構重量差異較大，此處給出的傳統VLCC 貨艙縱骨總重、貨艙橫向強度相關總重和貨艙區結構總重均為假定的約數，而方案1 至方案4的數據則是在相同比較條件下結構重量的相對增減。四個設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值再加5%左右的裕度。

由表2 可以看出，四個設計方案的貨艙區空船結構重量均較傳統VLCC 減輕1 500 t 左右，約5%。其中，通過拓撲優化和形狀參數優化，可減輕結構重量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，并結合貨艙配載優化，可減輕結構重量50～350 t，同時可以簡化工藝；通過優化強框間距，可減輕結構重量約200 t；通過優化配載，可減輕結構重量130～180 t。設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，所以盡管通過優化配載，裝載手冊中航行工況靜水彎矩的包絡值減小較多，但結構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，加上制蕩艙壁的數量大大減少，預計整個貨艙區的建造工作量和建造成本可以減少5%以上?？紤]到VLCC 船體結構建造的成本約占整個建造成本的30%左右，而貨艙區的建造成本占整個船體建造成本的70%左右，因此采用上述優化設計方案之后，預計整個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已經算是比較可觀的改善了。

表2 四種貨艙布置方案與傳統VLCC的技術指標綜合比較

圖12 阿芙拉型油船貨艙結構的實船設計模型與對應的分段圖

如果不考慮減少制蕩艙壁，所有單個貨艙的長度與傳統VLCC 基本保持相同，但是考慮其他優化設計手段，如縱艙壁的位置和舷側縱艙壁折角線的優選，應用拓撲優化和形狀參數優化對貨艙區主要支撐構件進行優化設計，則改進后的VLCC 相對傳統VLCC 在船體結構重量和建造工藝方面仍可節省3.5%～ 4%。事實上，結構工程師已經在嘗試在某些尺寸較小的油船上應用拓撲優化技術，并且獲得了成功的設計經驗。圖12 所示為本院設計并建造于2016 年的某阿芙拉型油船貨艙結構的實船設計模型與對應的分段圖，其中在縱艙壁垂直桁底部的大開孔實際上為將此處結構做成類斜撐桿的形式，只是由于大斜撐桿的屈曲強度分析是CRS-H 條文要求的盲區，其屈曲模式與傳統VLCC 的水平橫撐還有一定的差異性，其受力特性更加復雜，還不能簡單套用水平橫撐的屈曲計算方法來指導工程師完成類斜撐桿的完整設計。因此在實船設計時有意避免將船體結構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 語

相對于傳統VLCC，無橫撐、少制蕩艙壁型VLCC 在船體結構輕量化和工藝簡化方面均有一定的技術優勢。它通過在橫向強框架上應用拓撲優化和形狀參數優化技術，不僅實現了VLCC 縱艙壁垂直桁無橫撐設計的目的，建造工藝也有一定程度的簡化。拓撲優化設計已經在蘇伊士型油船、阿芙拉型油船、紐卡斯爾最大型散貨船的實船設計中有部分應用，已經證明可以較大程度地減輕空船結構重量。通過合理布置貨艙的橫艙壁和縱艙壁，可以在實現制蕩艙壁數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值，降低整體和局部結構的應力水平，提高船體的安全性。在經濟性方面，預計可以使得貨艙區結構重量最多可減輕1 500 t 左右，降低VLCC 貨艙區建造成本的5%以上，相當于VLCC 整體造價的1%左右。

由于拓撲優化的最佳構型總是有“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雜，其屈曲模式與傳統VLCC 的水平橫撐還有一定的差異性，目前還是規范定義的盲區，希望未來船級社規范能有相應的指導性文件或者指南來指導這樣的新型結構的完整設計和強度校核。

近些年來，國內船廠在VLCC 的市場訂單方面幾乎顆粒無收，國內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在VLCC設備配套方面的國產化率還不高，在綜合建造成本控制、建造進度、市場口碑方面不如韓國船廠。韓國船廠在整個VLCC 設計建造的產業鏈全部實現國產化、精細化、標準化，而且在整個設計鏈經過了數輪次迭代優化，在重量控制和成本控制方面精益求精，已經形成了市場接單的良性循環和廣告效應。國內如果不能積極創新，盡可能控制整船建造成本，則很難與之競爭。

本文中所設計的無橫撐少制蕩艙壁型VLCC就是這樣一種創新設計。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新船型的系統性研發。所以，雖然這些設計方案經過了初步穩性和完整穩性計算、貨艙和壓載艙優化配載等總體基本性能計算、貨艙拓撲優化和形狀參數優化、中貨艙區結構設計和規范計算，但尚未經過完整的首中尾貨艙段有限元直接計算驗證。在取得船東對設計初步方案的認可之后，我們將會彌補這部分缺失的內容。