基于TRIZ理论的双燃料超大型油轮结构优化研究
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一 项目背景
超大型油船（VLCC）以载重量大、远洋航行能力强、安全性高等特点，一直是原油海上运输的主力船型，也是世界各个国家保证本土能源安全的重大装备。先进造船国家，都在积极开发满足国际节能减排规范规则要求的VLCC。大连船舶重工集团作为国内首家设计建造VLCC的企业，一直将VLCC作为重要产品，进行了持续的开发和创新，随时航运市场对于应用LNG作为推进燃料的呼声越来越高，集团提出开展“LNG动力超大型油船（VLCC）关键技术研发和应用”。
1 项目存在的问题
C型LNG燃料储备罐通过鞍座固定在甲板上，并在甲板下进行加强，因此双燃料VLCC的结构重量会较常规VLCC增加较多，导致建造成本增加。
2 常规解决途径及问题
通过有限元计算对结构进行优化，降低结构重量。
二 应用创新方法过程
1 系统功能分析
（1） 定义技术系统名称、主要功能、存在的问题
技术系统名称：LNG燃料罐结构。
主要功能：固定LNG燃料位置。
存在的问题：燃料罐结构系统重量大。
（2） 列出系统组件
（3）以矩阵形式列出组件关系
（4）建立组件功能类型列表
（5）绘出系统组件功能模型
确定要解决的技术问题：
a 甲板罐、鞍座、甲板、甲板下加强均会导致结构重量增加，因此需要考虑减轻这4部分的重量;
b 甲板罐的位置不同会改变甲板和甲板下加强的结构厚度，改变重量，寻找合适的位置使甲板和甲板下加强改变最小;
c 甲板罐会损坏鞍座，优化鞍座支撑甲板罐结构;
d 鞍座会传递力给甲板和甲板下加强，优化甲板及甲板下加强结构;
2 因果链分析，见图1
提出技术方案
3 最终理想解
提出技术方案
将LNG燃料舱布置在对船体局部和整体强度影响较小的位置，或将LNG燃料舱对船体的应力分散至较大的范围内。如：
将LNG燃料舱布置在船体内部;
（1）将LNG燃料及其围护系统与船体自身结构结合，参与船体梁总纵强度;
（2）将LNG燃料舱拆分为多个小燃料舱;
（3）增加LNG燃料罐基座面积，分散应力。
4 资源分析
提出技术方案：
（1）利用能量资源中的浮力场，引入可漂浮的组件放入水中或空气中，并将浮力作用于甲板罐上，减小甲板罐对鞍座的有害作用。
5 系统功能剪裁
确定裁剪组件
鞍座、甲板下加强结构、甲板罐
裁剪后的系统组件功能模型
对系统实施裁剪策略三
（1）剪掉甲板下加强结构，技术系统中其他组件完成支撑甲板的作用，或超系统组件完成支撑甲板的作用。
（2）剪掉鞍座，技術系统中其他组件完成固定甲板罐和改变甲板形状的作用，或超系统组件完成固定甲板罐的作用。
（3）剪掉甲板罐，技术系统中其他组件完成固定LNG燃料的作用，或超系统组件完成固定LNG燃料的作用。
提出技术方案：
a 剪掉甲板下加强结构，技术系统中组件完成支撑甲板的作用，或超系统组件完成支撑甲板的作用。
技术方案：
使用技术系统中的甲板自身完成支撑甲板的作用，如通过结构优化设计，在不增加船体结构构件的前提下，增加甲板局部构件强度，或在局部使用高强度钢或复合材料。
b 剪掉鞍座，技术系统中其他组件完成固定甲板罐和改变甲板形状的作用，或超系统组件完成固定甲板罐的作用。
技术方案：
通过将甲板局部设计为圆弧凹陷形式，替代鞍座完成改变甲板形状的功能以及支撑甲板罐的功能。
c 剪掉甲板罐，技术系统中其他组件完成固定LNG燃料的作用，或超系统组件完成固定LNG燃料的
技术方案：
使用超系统中的船体替代甲板罐完成固定LNG的功能
6 技术矛盾
（1）原问题技术矛盾的表述：
确定要解决的技术矛盾为 EC-1，它发生在（降低了甲板罐的重量）与（增加了甲板罐的制造成本）之间，发生在（改进甲板罐的材料（比强度））的时候。
确定要解决的技术矛盾为 EC-2，它发生在（增大了甲板罐与甲板间接触面积）与（降低了甲板罐的结构强度）之间，发生在（改进甲板罐的形状）的时候。
确定要解决的技术矛盾为 EC-3，它发生在（增大了甲板罐与甲板间接触面积）与（增加了甲板结构的重量）之间，发生在（改进甲板的形状）的时候。
确定要解决的技术矛盾为 EC-4，它发生在（增强了船体对罐体的支撑）与（减小了船舶的舱容）之间，发生在（将罐体转化为船体的一部分）的时候。
确定要解决的技术矛盾为 EC-5，它发生在（减小了甲板下加强的重量）与（增加了制造成本及结构复杂性）之间，发生在（改进甲板型材的材料（比强度）的时候。
（2）问题模型--对应的39个通用工程参数
改善的参数：26、11、11、27、26
恶化的参数：32、14、26、8、32
（3）解决方案模型
35物理或化学参数改变原理出现3次
1分割原理、27廉价替代品原理、29其他和液压结构原理各出现2次
提出技术方案：
利用35发明原理，改变罐体与船体支撑结构的柔性，使用柔性材料如弹簧或液压结构，分散船舶或罐体内部液舱晃荡时罐体对船体的动载荷，可降低结构设计安全余量，达到减轻支撑结构加强重量的目的。（同时应用了29发明原理） 利用1发明原理，将罐体分割为多个小型储罐，可有效利用船体内部舱容，实现将罐体布置在船体内部的技术方案。
7 物理矛盾
（1）确定物理矛盾：
（甲板下加强结构）应该（数量多），以满足（对甲板强度支撑）要求;
但是，（甲板下加强结构）应该（数量多），以满足（降低空船重量）要求;
（2）拟采用分离原理
时间分离：
提出技术方案：
a 寻找一种结构设计，当甲板罐内LNG较多时，甲板下加强结构数量多;甲板罐内LNG较少时，甲板下加强结构数量少。
条件分离：
提出技术方案：
b 利用复合材料原理，将甲板下加强使用复合材料替代，如在甲板下方衬上玻璃钢材料，加强甲板强度。
8 物场分析
现系统物-场模型：
物场模型改进方案1：
利用一般解法，将物质S1’替换，向超系统中寻找资源，利用船体内部强结构消除甲板罐对甲板产生的有害作用。
物场模型改进方案2：
利用一般解法，修改物质S1’，改进甲板形状，通过增大接触面积减轻甲板罐对甲板产生局部应力过大的有害作用。
物场模型改进方案3：
利用一般解法，替换场F1’，引入另一物质S4’，通过电磁场减轻甲板罐对甲板产生局部应力过大的有害作用。
物场模型改进方案4：
利用一般解法，替换场F1’，引入另一物质S5’，通过液压机械场减轻甲板罐对甲板产生局部应力过大的有害作用。
通过研究得到了适合VLCC的LNG燃料罐固定形式和位置，极大地降低了船体结构重量。
三 项目改进实施情况效果
国家工信部于2018年批复了集团申报的《满足EEDI第三阶段大型船舶（超大型油轮VLCC）开发关键技术应用研究》，大船集团将在2021年完成以LNG和燃油作为燃料的双燃料VLCC船型的示范应用。LNG燃料罐的结构安全是本项目的核心技术之一，将對该方案不断优化，得到最佳的LNG燃料舱在船舶上的安装位置和结构加强，降低结构重量，减少成本。该方案已通过专家评审，目前正基于本方案与中远海运船东洽谈在T300K-91号VLCC应用此方案完成双燃料VLCC的示范应用。
责编/李曼
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