某大型重吊船舭龙骨设计

刘相琪 郭培军

摘    要：舭龙骨是大型重吊船的主要减摇装置，对船舶航行和稳定作业起着重要作用。本文对某大型重吊船，分别采用V型和单板两种舭龙骨型式进行设计，并对两种型式舭龙骨在减摇性能、抗波浪砰击能力、制作安装工艺、整体成本等方面进行对比分析，最终确定V型舭龙骨作为某重吊船的减摇装置。

关键词：舭龙骨；减摇装置；重吊船；稳定性

中图分类号：U664.7                                文献标识码：A

Bilge Keel Design of a Large Heavy Crane Ship

LIU Xiangqi1，  GUO Peijun2，3

（ 1. Leicester International Institute， Dalian University of Technology，  Pan Jin 124221;

2. Shandong Offshore Research Institute CO.， Ltd.，  Qingdao 266555; 3. Shandong Lankun Offshore Co.， Ltd.，  Yantai  265503 ）

Abstract： Bilge keel is the main anti rolling device of large heavy crane ship， which plays an important role in the stability of ship navigation and operation. In this paper， two types of bilge keel， V-shaped and flat plate， are adopted for the design of a large heavy crane ship， and the two types of bilge keel are compared and analyzed in the aspects of anti-rolling capacity， anti wave slamming capacity， manufacturing and installation process and overall cost，  the V-shaped bilge keel is finally determined as the anti-rolling device of the heavy crane ship.

Key words： bilge keel;  anti-rolling device;  heavy crane ship;  stability

1     前言

大型重吊船在航行和作业过程中，船舶稳定性至关重要，而横摇运动是影响船舶稳定性的主要因素，是保证大型重吊船航行和作业安全的关键。目前大型重吊船大多采用舭龙骨作为减摇装置，即沿着船长方向在两舷舭部布置舭龙骨，船舶在水中横摇时依靠舭龙骨受到的流体动力作用产生稳定力矩，增加横摇阻尼起到减摇作用。减摇作用的大小由舭龙骨的形状、尺寸、安装位置等决定，而舭龙骨的形状、尺寸、安装位置则需要根据流线形状、减摇要求和结构强度等因素综合权衡确定。

傅华[1]对国内外7个规范中关于舭龙骨结构型式、尺寸、端部细节、位置要求等设计要求进行了比较；甘水来[2]对常规散货船和油船舭龙骨的典型结构、尺寸、安装和焊接要求等给出了建议；林绍昌[3]等阐述了船舶舭龙骨的设计要点，为船舶舭龙骨的设计和选型提供了参考；杨朕[4]等对带有舭龙骨的穿梭油船建立模型并进行计算分析，结果表明舭龙骨寬度对船舶粘性横摇阻尼的影响较大，而舭龙骨长度和安装角度的影响较小。

本文根据通用标准规范，为某大型重吊船设计两种舭龙骨型式，并选取舭龙骨制作安装工艺、整体成本、减摇性能、抗波浪砰击能力等4个评价指标，对两种舭龙骨进行分析，通过权衡最终确定舭龙骨设计。

2     舭龙骨设计

某型重吊船船长236.8 m、垂线间长228.2 m、船宽56 m、型深16 m，配备5 000 t重吊，可用于大型海工结构物吊装、大型海上风机安装等海工作业。由于海工作业的稳定性对作业精度和安全有很大的影响，舭龙骨又是船舶稳定性的关键因素之一，所以舭龙骨的设计对于重吊船的性能至关重要。

根据船舶设计实用手册等标准、规范[5]-[9]中的舭龙骨设计原则，对某重吊船舭龙骨设计如下。

2.1   舭龙骨结构型式

舭龙骨结构型式，一般可分为V型和单板型两种，如图1、2所示。

V型与单板型舭龙骨各有优劣，本文对两种型式进行设计并进行对比分析，所选V型舭龙骨为双板夹角为30°的结构型式，而单板舭龙骨则直接采用球扁钢型式。

2.2   舭龙骨尺寸

1）宽度

图3为某重吊船的中剖面图，舭龙骨的宽度要控制在折线DKF范围以内，据此得到舭龙骨宽度最大值为620 mm。对于V型舭龙骨，本船选用600 mm宽度；对于单板舭龙骨，由于常规球扁钢最大高度为430 mm，本船舭龙骨不期望通过焊接一段扁钢方式加高球扁钢，故单板舭龙骨宽度选用430 mm。

2）长度

舭龙骨的长度一般约为1/4～3/4 LBP，即57.05～171.15 m，本船舭龙骨长度可在此区间选取。

2.3   舭龙骨位置

某重吊船舭龙骨首端距首垂线距离至少为0.30 L，即0.3 LBP=0.3×228.2=68.46 m；舭龙骨尾端距艉垂线0.20 L以上，本船取舭龙骨首端位置在207号肋位，距离首垂线71.2 m；

舭龙骨尾部位置设在70号肋位，距离尾垂线56.0 m；

舭龙骨长度取为109.6 m。

3    不同类型舭龙骨比较

3.1   减摇性能

本船作业工况下，波浪周期为2～8 s、最大浪高为3 m；待命工况下，波浪周期为7～13 s、最大浪高5 m；航行工况波浪为25年一遇海况参数，可根据国际船级社协会（IACS）推荐的1年、25年、40年一遇海况图（见图4）取值。本文取航行工况下，对设计的V型舭龙骨与单板舭龙骨的减摇性能进行比较。

1）从图4中可得到25年一遇波浪参数，本文计算波浪周期为6 s～17 s，最大有义波高HS=15 m。

在船舶的首中尾部各选取3组点，共9个点进行分析：（见表1） 。

2）应用SESAM软件，分别对单板舭龙骨和V型舭龙骨的船舶在波浪中的运动进行分析，波浪入射角从0°开始每30°一个，共12个。其中：0°为船尾随浪；180°为船首迎浪。

响应幅值结果如图5、图6所示。

从图5、图6中可以看出：响应幅值在左右舷完全对称；在0°和180°时，横摇相应幅值为零；在横浪作用下，响应幅值明显比迎浪和斜浪要大；当波浪周期在12～20 s区间内，V型舭龙骨船舶相应幅值较单板舭龙骨有明显减小。

3）各数据点最大加速度情况，如表2所列。

从表2中可以看到：V型舭龙骨与单板舭龙骨相比，对X方向没有影响；对Z向影响很小，均在5%内；对Y向影响较大，横摇改善幅度可超过14%。说明设计的V型舭龙骨与单板舭龙骨相比，较大地提高了船舶抗横摇能力。

3.2   抗波浪砰击能力

假设舭龙骨面上受到的波浪砰击力为均布载荷，两种舭龙骨受到波浪砰击力模型可简化为如图7、图8所示。

根据GJB/Z119-99，沿舭龙骨宽度均布的水动压力计算公式为：

P=0.981 V2                                                                 （1）

式中：P为均布载荷，kPa；V为计算剖面的总线速度，m/s。

取计算剖面的总线速度V=10 m/s，应用ANSYS Workbench软件，分别对V型舭龙骨与单板舭龙骨进行有限元分析，结果如图9，图10所示。

从图9、图10可以看出：V型舭龙骨最大应力为157 MPa，而单板舭龙骨为264 MPa。根据CCS《钢质海船入级规范2022》第2篇第2章附录4，板架抨击强度许用相当应力为：

σe =180 / K MPa                                                        （2）

式中：K为材料系数，舭龙骨材料为AH36，K取值0.662，則σe=271.9 MPa，V型舭龙骨和单板舭龙骨最大应力均在许用应力范围内，V型舭龙骨抗波浪砰击能力较单板舭龙骨提高40%以上。在舭龙骨设计时，舭龙骨布置应尽量远离易遭遇波浪砰击区域，以避免造成舭龙骨端部撕裂。

3.3    安装工艺和成本

3.3.1 舭龙骨制作及安装

1）V型舭龙骨

V型舭龙骨制作和安装工艺比较复杂，沿船长方向划分多个舭龙骨分段，分别进行分段箱体制作，需要注意如下几点：

（1）控制上下两片面板夹角精度，避免合拢时错位；

（2）V型舭龙骨与船体连接的两条边线属于三维空间线，尤其在靠近首尾处空间曲率变化较大，需要用样板或样箱确保舭龙骨安装时与船体外板紧密贴合。

V型舭龙骨的安装工艺设计和精度控制要求也非常高，舭龙骨安装合拢处需要预留一片窗户板、一段圆钢调整段和一段垫板调整段，如图11所示；分段合拢顺序，如图12所示。

V型舭龙骨内部为封闭空间，舭龙骨长期浸泡在海水里，一旦透气透水很容易产生腐蚀，因此必须保证舭龙骨的密性，V型舭龙骨外部焊缝需进行UT无损探伤。

2）单板舭龙骨

单板舭龙骨为430 mm的球扁钢，仅在靠近船舶首尾处有纵向型线变化区域存在少量型钢加工制作；单板舭龙骨的安装相对于V型舭龙骨简单很多，而且不存在密封性要求。

3.3.2  舭龙骨整体成本

1）材料成本

V型舭龙骨钢结构重量为33.8 t，而单板舭龙骨钢结构重量仅为15.4 t，材料成本相差约12万元。

2）制作安装成本

V型舭龙骨的制作安装成本大大高于单板舭龙骨，预计高出15万元以上。综上所述，V型舭龙骨与单板舭龙骨对比，如表3所列。

對于重吊船来说，以上4项指标按重要性排列为：减摇性能>抗波浪砰击能力>制作安装工艺>整体成本。通过综合权衡，本船最终选择宽度600 mm V型舭龙骨作为减摇装置。

4     结论

1）本文的舭龙骨设计通用原则中，有些细节需要根据施工工艺技术的提高进一步完善，有些经验公式取值需要根据更多的船舶设计或船模试验进行修正；

2）舭龙骨设计影响因素很多，受力情况复杂，难以用理论计算方法进行设计，目前主要参考母型船或相似船型，并依靠船模试验、经验或半经验公式进行设计；

3）波浪砰击载荷是造成舭龙骨损坏的主要因素，尤其对于大型重吊船等海工作业船舶，舭龙骨布置应尽可能避开波浪砰击区域；

4）需要大力开展舭龙骨数值模拟方法在设计的应用研究[10]，通过数值模拟方法对舭龙骨减摇效果进行预报，对舭龙骨设计进行优化。

参考文献

[1]傅华. 舭龙骨结构设计合理性研究[J]. 船舶， 2015， 152（02）.

[2]甘水来. 舭龙骨结构设计及安装研究[J]. 船舶与海洋工程， 2012（2）.

[3]林绍昌，符传发. 船舶舭龙骨的设计与制造探讨[J]. 广东造船， 2013， 32（1）.

[4]杨朕，张利军，陈鸽. 舭龙骨设计对船舶粘性横摇阻尼的影响[J]. 船海工程， 2017（1）.

[5]中国船级社. 钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社， 2021.

[6]全国船舶标准化技术委员会专业标准.船体结构[S].北京：中国标准出版社， 1985.

[7]IACS. Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers[S].Oslo：IACS， 2012.

[8]IACS. Common Structural Rules for Bulk Carriers[S]. Oslo：IACS， 2012.

[9]中国造船工程学会，中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司. 船舶设计实用手册：结构分册（第3版）[M].北京：国防工业出版社， 2013.

[10]姜宜辰，赵晓杰，宗智.带舭龙骨船体的横摇自由衰减的数值研究[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2019.