10300 DWT（紙/拖車）滾裝船船體設(shè)計中的若干問題

張敏健 鄭莎莎

（上海船舶研究設(shè)計院,上海 200032）

0 概 述

10300 DWT（紙/拖車）滾裝船是上海船舶研究設(shè)計院為芬蘭FINNLINE公司設(shè)計，并由南京金陵船廠建造的現(xiàn)代化滾裝船。該船掛芬蘭旗，主要航行于波羅的海和北歐海區(qū)（按無限航區(qū)設(shè)計），按照勞氏1A級冰區(qū)加強，服務(wù)航速為20 kn。其首制船已于2002年2月順利交付使用。

本船為尾機型、雙機雙舵，設(shè)置球鼻。船舶設(shè)置有四層縱向連通甲板，即：貨艙甲板、主甲板、上甲板和頂甲板。主船體內(nèi)設(shè)置雙層底，并在雙層底與主甲板間的兩舷各設(shè)置一道旁縱水密艙壁。船舶尾部設(shè)置有兩個進(jìn)出通道，并分別為進(jìn)入主甲板及固定式斜道通向上甲板。另外，在主甲板靠近船尾處設(shè)置一通向底貨艙的固定斜道；為滿足抗沉性要求，該通道口設(shè)置水密艙蓋。由于本船頂甲板上的貨物裝卸由岸吊完成，船體內(nèi)沒有設(shè)置進(jìn)入頂甲板的車輛固定車道。但根據(jù)船東要求，對上甲板與頂甲板間的斜置車道進(jìn)行了預(yù)留設(shè)計，包括車道位置及船體結(jié)構(gòu)加強。為防止裝卸貨物過程中船舶產(chǎn)生過大的橫傾及船舶航行中產(chǎn)生過大的橫搖，本船設(shè)置了防橫傾艙和減搖鰭。本船的上層建筑位于船舶首部，額定船員17人，可乘載旅客12人。如圖1、圖2所示船舶總布置圖。

船舶主要尺度：

入級：LR+100A1,Roll on-Roll off Cargo Ship,Ice Class 1A,★IWS,+LMC,UMS,NAV1,SCM

圖1 10300 DWT滾裝船船舶總布置圖

圖2 10300 DWT滾裝船船舶總布置圖

1 總縱強度

為了達(dá)到較高的航速，一般滾裝船較常規(guī)散貨船選取較小的方形系數(shù)。因而本船首、尾部水線以下部分的線型瘦削，浮力減小較常規(guī)散貨船大。同時，該船的斜置通道、跳板升降機、絞車及上層建筑等設(shè)備的重量又較多集中在船舶兩端。又由于其載貨方式的限制，該類型船舶的貨載部位一般都會向兩端集中；特別是尾置跳板的船舶，通常在船尾放置重型車輛和特重件貨物，這也使整船重量分布向船舶首、尾兩端偏移。并且，為使船舶具有良好的浮態(tài)，以保證跳板的正常工作，通常需要船舶首、尾部設(shè)置壓載水艙，調(diào)整首、尾吃水。而另一方面，該型船的水線以上具多層車輛甲板和寬大的上層建筑，其運輸車輛等貨物的特殊需求，使船中區(qū)域線型豐滿，浮力大部分集中在船舶中部。由此可見，汽車滾裝船總強度設(shè)計中應(yīng)注意以下特點：

·汽車滾裝船通常為典型的中拱船型。并且汽車滾裝的裝載情況復(fù)雜，船舶最大靜水中拱彎矩會大大高于其他類型的船舶。據(jù)國外有關(guān)文獻(xiàn)介紹，汽車滾裝船的最大靜水彎矩要比船級社的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)高出50%甚至更高。

·由于瘦削的尾部線型，滾裝船的機艙位置較常規(guī)散貨船靠前，此外，尾部車道的甲板開門一般多設(shè)置在這一區(qū)域。設(shè)計中應(yīng)注意該處船舶底部縱向構(gòu)件的連續(xù)性，避免船底剖面模數(shù)過量減少，以致船舶總強度在該處出現(xiàn)問題。

報紙上寫，這位美麗女子只有二十三歲，在一家外企供職，有自己的私家車，那天剛剛被人偷走了手袋，丟了鑰匙沒辦法開車，這才坐了巴士。

·具有初始舭部升高的船體線型可以在車輛滾裝船的型線設(shè)計中給予考慮。使浮力有效地向船舶兩端分布，從而盡量減小其首、尾的浮力損失，并且對船舶保持良好的快速性和適航性也大有益處。

·注意船體兩端的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如：尾尖艙、機艙等區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最大限度減小由于空船重量引起的船舶初始彎矩。

·在不影響載重量的前提下，可以適當(dāng)考慮加大縱向構(gòu)件的尺寸，尤其是船舶底部，提高船舶的縱向強度。必要時可采用高強度鋼。但應(yīng)注意，如果高強度鋼的比例過大，會使船體偏軟，尤其對中小型船舶。

·設(shè)計初期可以與船東商洽通過負(fù)載的合理安排，降低船舶總縱彎矩。并盡可能在船中區(qū)域設(shè)置充裕的壓載水艙，以減小壓載狀態(tài)下的中拱彎矩。

2 橫向強度

由于滾裝船車輛通行及停放的使用特點，船舶貨艙區(qū)域要求暢通、無結(jié)構(gòu)障礙。因而，該區(qū)域內(nèi)一般不設(shè)置橫向艙壁，甚至不設(shè)置支柱，如圖3所示。這又使本型船的橫向強度問題尤其突出。船級社要求采用有限元直接計算方法，分析船舶的應(yīng)力分布狀態(tài)和水平，并特別要求考核船舶在波浪中傾斜30°的載荷工況，從而評估船舶橫向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，確保船舶的橫向強度。

圖3 10300 DWT滾裝船橫剖面圖

本船的橫向強度計算參照英國勞氏船級社（以下簡稱LR）的“直接計算指導(dǎo)性文件”（以下簡稱LR DCPD）［1］和“渡船和滾裝船指導(dǎo)文件（草案）”（以下簡稱 LR RO/RO DRAFT）［2］， 并應(yīng)用挪威船級社的SESAM結(jié)構(gòu)計算軟件完成。結(jié)構(gòu)強度評估參照LR“結(jié)構(gòu)設(shè)計評估”（以下簡稱 LR SDA）［3］的有關(guān)規(guī)則。

2.1 計算模型

參照“LR RO/RO DRAFT”和“LR SDA”，本計算模型取3個強框架間距（9檔肋距）范圍的一框“冬瓜圈”，即：1/2+1+1+1/2 肋距（#10+350-#19+350），從船底板到頂甲板，包括左右舷（計算模型中含有兩個由甲板強橫梁、強肋骨和實肋板組成的強框架），參見圖 4、圖 5。

圖4 10300 DWT RO/RO船橫向強度有限元計算模型圖

圖5 10300 DWT RO/RO船橫向強度有限元計算模型圖（車道區(qū)域）

2.2 計算工況及計算載荷

參照“LR RO/RO DRAFT”，本計算工況為：

·正浮航行裝態(tài)，設(shè)計吃水為6.9 m；

·傾斜30°狀態(tài)，船舶左、右舷設(shè)計吃水分別為14.55 m和-0.75 m。

滾裝船運輸貨物的種類及裝載方式復(fù)雜，設(shè)計者應(yīng)從中篩選出船舶橫向框架受力較大的典型工況，如排列出典型載荷表：

?

另外，LR建議，對于船舶傾斜工況計算載荷可依據(jù)船舶總排水量，甲板載荷可適當(dāng)減小，即：甲板荷載的總重不超過船舶總載貨量。

2.3 強度校核標(biāo)準(zhǔn)

參照LR“Ro-Ro DCP”,本船橫強度校核的許用應(yīng)力為：

注：σe為Von Mises應(yīng)力;σ為軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力;τ為剪應(yīng)力;f為曲屈安全系數(shù);k為材料系數(shù),AH36鋼,k=0.66。

2.4 結(jié)構(gòu)評估及幾點注意問題

·本船結(jié)構(gòu)滿足強度要求；

·按照LR要求，對于正浮航行工況，需要考慮船舶航行中受到波浪載荷作用所產(chǎn)生的縱搖和垂蕩加速度的影響，即：計算結(jié)果應(yīng)力需要乘以波浪系數(shù)AV后，作強度校驗；

式中 A0=0.2V/L（1/2）+{34-600/L}/L

x=校核剖面距船中的距離，舯前為正，舯后為負(fù)

CB=船舶方形系數(shù)

V=船舶航速，kn

L=計算船長，m

·本計算的重點考察結(jié)構(gòu)為甲板強橫梁及與強肋骨相交處的高應(yīng)力區(qū)域；

·高應(yīng)力區(qū)域若有開孔，須作細(xì)化有限元分析；·船底、內(nèi)底及甲板結(jié)構(gòu)須作屈服強度校核。

3 車輛甲板設(shè)計

在滾裝船的甲板設(shè)計中，車輛甲板的局部強度較常規(guī)散貨船要求高。各種規(guī)格的紙張貨架、集裝箱、車輛，特別是重型拖車、卡車，其負(fù)荷通過角偶座及車輪傳遞到甲板上，對甲板構(gòu)件形成范圍小，強度高的集中載荷。設(shè)計時，必須清楚了解各種著力點的分布概況及輪印范圍，同時不能忽略船舶運動所產(chǎn)生的慣性力的影響。甲板骨架設(shè)計中，需要考慮設(shè)置一定數(shù)量的甲板縱桁，形成縱橫交叉的甲板板架，有利于荷載傳遞，避免局部結(jié)構(gòu)受力過大。另一方面，由于受到船舶穩(wěn)性及貨艙區(qū)域甲板凈高度的設(shè)計要求，甲板強橫梁構(gòu)件的腹板高度往往受到限制，難以使設(shè)計達(dá)到最佳。因此，該型船的甲板強橫梁多采用高強度鋼，以減輕重量。

4 甲板流水槽的設(shè)置問題

本船將主要航行于波羅地海域，由于其特殊的地理位置，特別是在雨季北歐一帶時常會形成暴雨，裝載車輛在運輸過程中難免會將雨水帶進(jìn)貨艙。另外，本船上甲板#64肋位之后為露天甲板，遇到暴雨，雨水會沿著上甲板流入貨艙。為了保證運輸貨物尤其是紙張的防潮及安全，船東要求沿船長方向、在貨物甲板上設(shè)置3～4個貫通船舶左右舷的橫向排水槽，以使雨、雪水通過這些水槽分段排凈，確保大艙干燥。帶有橫向排水槽的甲板結(jié)構(gòu)是本船車輛甲板設(shè)計所面臨的一個新問題。經(jīng)過局部結(jié)構(gòu)的有限元計算分析和優(yōu)化設(shè)計，我們采用局部斜置甲板和縱向構(gòu)件加強的結(jié)構(gòu)形式，既滿足了船舶運輸?shù)奶厥庑枨?，又保證船舶的總縱強度和承受集中荷載的局部強度。

5 冰區(qū)加強

本船航行于北歐，為A級冰區(qū)加強。對于這樣一類級別的船舶冰區(qū)加強，應(yīng)采用AH36級鋼材，并設(shè)置中間肋骨。需要指出的是，設(shè)計中應(yīng)認(rèn)真理解規(guī)范條款，以求結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理（包括舷側(cè)冰區(qū)縱桁的定位，中間肋骨端部的處理，防傾肘板的設(shè)置等），還應(yīng)注意規(guī)范對首部冰帶區(qū)域處的特殊要求。

6 空氣管設(shè)置

由于船舶總布置的要求，本船的貨油艙和壓載水艙設(shè)置于船舶底貨艙的正下方，而其邊艙為空艙。為了使這些液艙能達(dá)到滿艙，設(shè)計采用半圓形空氣管，并經(jīng)液艙頂部橫向連至邊艙，再接入垂向透氣孔，但這一方法也會帶來半園形空氣管內(nèi)側(cè)油漆和保養(yǎng)問題。

7 大艙通風(fēng)

對于滾裝船而言，大艙通風(fēng)始終是一個比較大的問題。船舶裝、卸貨物過程中，汽車會排出大量廢氣，船東對貨艙排氣次數(shù)一般要求較高，本船要求達(dá)30次/小時。另外，因允許裝運危險品，船級社對船舶航行中的排氣次數(shù)也有要求。這些問題會給船體設(shè)計帶來困難。首先，須在不影響車道長度的前提下布置好通氣風(fēng)道的位置和尺寸，風(fēng)機的合理擺放，并考慮維修方便。同時，不可忽視大面積通風(fēng)開口面積與保證船體結(jié)構(gòu)強度之間的關(guān)系，必須盡量避免對船體強框架的破壞。當(dāng)甲板上有兩個相鄰的開口時，應(yīng)注意兩開口之間保持一定的距離（一般不小于1/2強框間距）。

8 橫向聯(lián)通管

為解決船體破損后的非對稱進(jìn)水問題，本船底部的壓載水艙和空艙都設(shè)計成C型。左、右每對壓載水艙及空艙通過設(shè)置于船底的橫向聯(lián)通管連通。需要指出的是，本船設(shè)有縱向管弄，在橫向聯(lián)通管與縱向管弄交會處，尤其在雙層底高度較低、橫向截面積又有一定要求的情況下，會給設(shè)計帶來一些問題。

9 結(jié)語

隨著高技術(shù)、高附加值船舶市場需求的日趨增加，船舶設(shè)計者們會面臨各種各樣的新問題。希望我們在設(shè)計滾裝船過程中的點滴體會能對同行們有所幫助，對提高我國的船舶設(shè)計水準(zhǔn)有所裨益。

［1］“Lloyd’s register plan appraisad system for ships,direct calculationproceduraldocument” （hereafterrefertoasDCPD）

［2］“Lloyd’s register plan appraisad system for ships,ship type procedural document for ferries and roll on-roll off ships”（hereafter refer to as RORO DRAFT）

［3］“Ship Right,Structure Design Assessment procedure”（hereafter refer to as SDA）