過去這種船型多由日本船廠建造, 上海這傢研究所靠什麼拿下35%國際訂單
紐卡斯爾散貨船是21世紀的新船型，在2010年之前，該船型80％是由日本船廠建造。由中國船舶工業集團公司第七〇八研究所創新研制的“20萬噸級紐卡斯爾最大型散貨船”，贏得瞭74艘訂單，占同期國際市場份額35%以上，合同金額累計約250億元人民幣。日前榮獲2019年度上海科技進步獎一等獎。
[比過去的船型每天節省將近5噸重油]
新世紀以來，全球特別是亞洲地區鋼鐵工業的快速發展，帶動瞭全世界鐵礦石消費量的大幅提高，進而促進瞭全球鐵礦石的生產，也造就瞭鐵礦石海運貿易的繁榮。
紐卡斯爾散貨船的名稱，源於澳大利亞紐卡斯爾港口，該港口以運輸煤炭聞名，可以在這裡停靠的最大船載量約20.8萬噸。在礦石和煤炭運輸方面，紐卡斯爾散貨船的綜合經濟性比專用礦砂船更好，港口和航線適應性更高，單位重量的貨物運輸成本也更低，因此逐漸受到更多船東的青睞。七〇八所在2009年以節能、環保、安全、舒適為設計思路，開始研發20萬噸級紐卡斯爾散貨船。
“我們設計的這種船型節能性好，單位貨物能耗降低瞭10%。”七〇八民船部結構科高級工程師謝小龍告訴解放日報•上觀新聞記者。對於船舶設計來說，每降低1%的能耗都要付出巨大努力。該船型每天消耗48.8噸重油來運輸貨物，比過去的船型節省瞭將近5噸重油，能效設計指數較基準值降低瞭23%。按每噸船用重油3500元來計算，每天可以節省17500元。“此外，我們還采取瞭其他環保措施，在船上集成瞭專門的脫琉和脫氮排放設備。”
[一趟可以多拉1200噸貨物]
如果一艘船的自重降低，理論上可以多裝載一些貨物，但考慮到船舶在大海中航行，要經受得起“風吹雨打”，必須有一定的強度，船身一般由“很具分量”的鋼板制作而成。因此，船舶的“輕量化”一直是設計上的一個難題。“我們設計的紐卡斯爾散貨船節省瞭1200噸鋼材，這就意味著，一趟可以多拉1200噸貨物。算上采購加工成本，每噸鋼材大約1萬元，也為船廠節省瞭1200萬元的制造成本。”
整整1200噸鋼材，是怎麼節省下來的呢？謝小龍向記者娓娓道來。在船舶設計人員眼中，一艘船就像是一根大梁漂浮在海上，船自身重量、貨物重量以及水的壓力，會共同形成一個彎矩。彎矩越大，船承受的力就越大，這就必須把船做得更強，才能承受這一力量。一般的設計思路，是“逆”來順受，把船板做厚。七〇八所的研發人員，一改傳統的設計思路，主動去改變彎矩。“比如，改變貨物重量的分佈，也就是改變貨物的擺放位置，就能控制彎矩。”一般的船舶，會把船艙設計得長度一樣，結構相似，設計時的計算量也就大大減少，但七〇八所的研發人員通過大量計算，把長短不一的艙段組合在一起，得到瞭一個最小的彎矩。
人們在裝修房屋時都有這樣的認知，有些非承重墻可以敲掉重新設計，並不影響房屋的承重。同樣地，船舶也有不承重的加筋板，研發人員就把那些實心的、大質量的加筋板，用大開孔、輕量化的框架結構來替代。而且，一塊加筋板做成多厚也大有學問，通過計算可以優化“筋”的排放位置，減小板的厚度，從而減少加筋板的重量。
一般而言，對於船舶的關鍵易損部位，通常都是加厚處理，七〇八所的研發人員另辟蹊徑，反而在這些易損部位開孔，“這叫應力釋放孔，如果孔開得不好，就會更脆弱，但如果開得巧妙，反而把承受的力釋放瞭。”
[相當於給船做瞭一個“核磁共振”]
有人可能擔心，一艘船減重瞭，如何來確保安全性？
“我們通過大量有限元計算，既減少瞭船的重量，又能滿足設計規范，保證安全性。”謝小龍告訴解放日報•上觀新聞記者。所謂有限元計算，是利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬。有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元的概念早在幾個世紀前就已產生並得到瞭應用，隨著計算機技術的快速發展和普及，有限元計算迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域。
“比如，我們把一塊船板分成若幹單元，計算出每個單元的應力，這就像是給船板做CT醫學檢查。”據介紹，一般的散貨船隻需要做三個不同功能艙的有限元計算，但七〇八所的研發人員把9個大小不一的貨艙做瞭個遍，就連放置發動機的機艙也做瞭，相當於做瞭一個“全身CT”。“為瞭確保安全，我們在做艙段有限元計算時，還會做進一步的細化分析，一艘船我們就做瞭100多個點的細化分析，這相當於又給船做瞭一個‘核磁共振’。”
盡管如此一來，一個船艙的有限元計算就需要一個月的工作量，但由於絕大多數研發工作都是統籌並行的，七〇八所隻用瞭6個月的設計時間，就拿出瞭令人滿意的設計方案。
[振動和噪聲滿足國際上最嚴苛的適居性標準]
船員一出海，往往需要在海上漂泊很長時間，因此在船舶設計時，除瞭節能、環保、安全，舒適性也是需要考慮的重要因素。
無疑，振動和噪聲是一艘船是否舒適的兩個重要指標。七〇八所在設計時對全船做瞭一個“振動和噪聲響應預報”，一旦振動和噪聲超過國際標準，就會發出警報。研發人員通過計算頻率，對一些容易與發動機共振的結構進行瞭錯頻設計。根據已經交付的實船振動和測試反饋，七〇八所設計的20萬噸級紐卡斯爾散貨船，滿足瞭國際上最新公佈的適居性標準。該標準十分嚴苛，適合公務船和遊船，按此標準，差不多一半的貨船都無法達標。
發動機，是一艘船的主機，也是產生振動和噪聲的主要來源。如果發動機的功率太小，不足以產生驅動船舶的動力。但如果功率太大，等於“大馬拉小車”，既浪費燃料，也產生不必要的振動和噪聲。七〇八所的研發人員，經過詳細縝密的計算，采用最小推進功率方法對發動機功率進行校核，選擇瞭一個合理的功率，既降低瞭營運油耗，也減少瞭不必要的振動和噪聲。
該項目被專傢鑒定為“總體上達到國際先進水平”，已獲得國內外5傢船級社認可證書。在獲得“2019年度上海科技進步獎一等獎”之前，已獲得2018年中國造船工程協會科學技術獎一等獎、第九屆中國技術市場金橋獎等。
從2013年起，該項目共計獲得74艘訂單，占同期國際市場份額的35%，國內份額更是達到50%，船東來自於希臘、德國、日本、韓國及中國等地。該船型首制船於2016年1月交付，至今共交付50艘。該項目提升瞭我國在大型散貨船市場的競爭能力，對我國船舶工業的發展具有長遠的影響。
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