10300 DWT（纸/拖车）滚装船船体设计中的若干问题

张敏健 郑莎莎

（上海船舶研究设计院,上海 200032）

0 概 述

10300 DWT（纸/拖车）滚装船是上海船舶研究设计院为芬兰FINNLINE公司设计，并由南京金陵船厂建造的现代化滚装船。该船挂芬兰旗，主要航行于波罗的海和北欧海区（按无限航区设计），按照劳氏1A级冰区加强，服务航速为20 kn。其首制船已于2002年2月顺利交付使用。

本船为尾机型、双机双舵，设置球鼻。船舶设置有四层纵向连通甲板，即：货舱甲板、主甲板、上甲板和顶甲板。主船体内设置双层底，并在双层底与主甲板间的两舷各设置一道旁纵水密舱壁。船舶尾部设置有两个进出通道，并分别为进入主甲板及固定式斜道通向上甲板。另外，在主甲板靠近船尾处设置一通向底货舱的固定斜道；为满足抗沉性要求，该通道口设置水密舱盖。由于本船顶甲板上的货物装卸由岸吊完成，船体内没有设置进入顶甲板的车辆固定车道。但根据船东要求，对上甲板与顶甲板间的斜置车道进行了预留设计，包括车道位置及船体结构加强。为防止装卸货物过程中船舶产生过大的横倾及船舶航行中产生过大的横摇，本船设置了防横倾舱和减摇鳍。本船的上层建筑位于船舶首部，额定船员17人，可乘载旅客12人。如图1、图2所示船舶总布置图。

船舶主要尺度：

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

图1 10300 DWT滚装船船舶总布置图

图2 10300 DWT滚装船船舶总布置图

1 总纵强度

为了达到较高的航速，一般滚装船较常规散货船选取较小的方形系数。因而本船首、尾部水线以下部分的线型瘦削，浮力减小较常规散货船大。同时，该船的斜置通道、跳板升降机、绞车及上层建筑等设备的重量又较多集中在船舶两端。又由于其载货方式的限制，该类型船舶的货载部位一般都会向两端集中；特别是尾置跳板的船舶，通常在船尾放置重型车辆和特重件货物，这也使整船重量分布向船舶首、尾两端偏移。并且，为使船舶具有良好的浮态，以保证跳板的正常工作，通常需要船舶首、尾部设置压载水舱，调整首、尾吃水。而另一方面，该型船的水线以上具多层车辆甲板和宽大的上层建筑，其运输车辆等货物的特殊需求，使船中区域线型丰满，浮力大部分集中在船舶中部。由此可见，汽车滚装船总强度设计中应注意以下特点：

·汽车滚装船通常为典型的中拱船型。并且汽车滚装的装载情况复杂，船舶最大静水中拱弯矩会大大高于其他类型的船舶。据国外有关文献介绍，汽车滚装船的最大静水弯矩要比船级社的规定标准高出50%甚至更高。

·由于瘦削的尾部线型，滚装船的机舱位置较常规散货船靠前，此外，尾部车道的甲板开门一般多设置在这一区域。设计中应注意该处船舶底部纵向构件的连续性，避免船底剖面模数过量减少，以致船舶总强度在该处出现问题。

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·具有初始舭部升高的船体线型可以在车辆滚装船的型线设计中给予考虑。使浮力有效地向船舶两端分布，从而尽量减小其首、尾的浮力损失，并且对船舶保持良好的快速性和适航性也大有益处。

·注意船体两端的结构优化，如：尾尖舱、机舱等区域的结构设计，最大限度减小由于空船重量引起的船舶初始弯矩。

·在不影响载重量的前提下，可以适当考虑加大纵向构件的尺寸，尤其是船舶底部，提高船舶的纵向强度。必要时可采用高强度钢。但应注意，如果高强度钢的比例过大，会使船体偏软，尤其对中小型船舶。

·设计初期可以与船东商洽通过负载的合理安排，降低船舶总纵弯矩。并尽可能在船中区域设置充裕的压载水舱，以减小压载状态下的中拱弯矩。

2 横向强度

由于滚装船车辆通行及停放的使用特点，船舶货舱区域要求畅通、无结构障碍。因而，该区域内一般不设置横向舱壁，甚至不设置支柱，如图3所示。这又使本型船的横向强度问题尤其突出。船级社要求采用有限元直接计算方法，分析船舶的应力分布状态和水平，并特别要求考核船舶在波浪中倾斜30°的载荷工况，从而评估船舶横向结构构件，确保船舶的横向强度。

图3 10300 DWT滚装船横剖面图

本船的横向强度计算参照英国劳氏船级社（以下简称LR）的“直接计算指导性文件”（以下简称LR DCPD）［1］和“渡船和滚装船指导文件（草案）”（以下简称 LR RO/RO DRAFT）［2］， 并应用挪威船级社的SESAM结构计算软件完成。结构强度评估参照LR“结构设计评估”（以下简称 LR SDA）［3］的有关规则。

2.1 计算模型

参照“LR RO/RO DRAFT”和“LR SDA”，本计算模型取3个强框架间距（9档肋距）范围的一框“冬瓜圈”，即：1/2+1+1+1/2 肋距（#10+350-#19+350），从船底板到顶甲板，包括左右舷（计算模型中含有两个由甲板强横梁、强肋骨和实肋板组成的强框架），参见图 4、图 5。

图4 10300 DWT RO/RO船横向强度有限元计算模型图

图5 10300 DWT RO/RO船横向强度有限元计算模型图（车道区域）

2.2 计算工况及计算载荷

参照“LR RO/RO DRAFT”，本计算工况为：

·正浮航行装态，设计吃水为6.9 m；

·倾斜30°状态，船舶左、右舷设计吃水分别为14.55 m和-0.75 m。

滚装船运输货物的种类及装载方式复杂，设计者应从中筛选出船舶横向框架受力较大的典型工况，如排列出典型载荷表：

?

另外，LR建议，对于船舶倾斜工况计算载荷可依据船舶总排水量，甲板载荷可适当减小，即：甲板荷载的总重不超过船舶总载货量。

2.3 强度校核标准

参照LR“Ro-Ro DCP”,本船横强度校核的许用应力为：

注：σe为Von Mises应力;σ为轴向应力与弯曲应力;τ为剪应力;f为曲屈安全系数;k为材料系数,AH36钢,k=0.66。

2.4 结构评估及几点注意问题

·本船结构满足强度要求；

·按照LR要求，对于正浮航行工况，需要考虑船舶航行中受到波浪载荷作用所产生的纵摇和垂荡加速度的影响，即：计算结果应力需要乘以波浪系数AV后，作强度校验；

式中 A0=0.2V/L（1/2）+{34-600/L}/L

x=校核剖面距船中的距离，舯前为正，舯后为负

CB=船舶方形系数

V=船舶航速，kn

L=计算船长，m

·本计算的重点考察结构为甲板强横梁及与强肋骨相交处的高应力区域；

·高应力区域若有开孔，须作细化有限元分析；·船底、内底及甲板结构须作屈服强度校核。

3 车辆甲板设计

在滚装船的甲板设计中，车辆甲板的局部强度较常规散货船要求高。各种规格的纸张货架、集装箱、车辆，特别是重型拖车、卡车，其负荷通过角偶座及车轮传递到甲板上，对甲板构件形成范围小，强度高的集中载荷。设计时，必须清楚了解各种着力点的分布概况及轮印范围，同时不能忽略船舶运动所产生的惯性力的影响。甲板骨架设计中，需要考虑设置一定数量的甲板纵桁，形成纵横交叉的甲板板架，有利于荷载传递，避免局部结构受力过大。另一方面，由于受到船舶稳性及货舱区域甲板净高度的设计要求，甲板强横梁构件的腹板高度往往受到限制，难以使设计达到最佳。因此，该型船的甲板强横梁多采用高强度钢，以减轻重量。

4 甲板流水槽的设置问题

本船将主要航行于波罗地海域，由于其特殊的地理位置，特别是在雨季北欧一带时常会形成暴雨，装载车辆在运输过程中难免会将雨水带进货舱。另外，本船上甲板#64肋位之后为露天甲板，遇到暴雨，雨水会沿着上甲板流入货舱。为了保证运输货物尤其是纸张的防潮及安全，船东要求沿船长方向、在货物甲板上设置3～4个贯通船舶左右舷的横向排水槽，以使雨、雪水通过这些水槽分段排净，确保大舱干燥。带有横向排水槽的甲板结构是本船车辆甲板设计所面临的一个新问题。经过局部结构的有限元计算分析和优化设计，我们采用局部斜置甲板和纵向构件加强的结构形式，既满足了船舶运输的特殊需求，又保证船舶的总纵强度和承受集中荷载的局部强度。

5 冰区加强

本船航行于北欧，为A级冰区加强。对于这样一类级别的船舶冰区加强，应采用AH36级钢材，并设置中间肋骨。需要指出的是，设计中应认真理解规范条款，以求结构设计更为合理（包括舷侧冰区纵桁的定位，中间肋骨端部的处理，防倾肘板的设置等），还应注意规范对首部冰带区域处的特殊要求。

6 空气管设置

由于船舶总布置的要求，本船的货油舱和压载水舱设置于船舶底货舱的正下方，而其边舱为空舱。为了使这些液舱能达到满舱，设计采用半圆形空气管，并经液舱顶部横向连至边舱，再接入垂向透气孔，但这一方法也会带来半园形空气管内侧油漆和保养问题。

7 大舱通风

对于滚装船而言，大舱通风始终是一个比较大的问题。船舶装、卸货物过程中，汽车会排出大量废气，船东对货舱排气次数一般要求较高，本船要求达30次/小时。另外，因允许装运危险品，船级社对船舶航行中的排气次数也有要求。这些问题会给船体设计带来困难。首先，须在不影响车道长度的前提下布置好通气风道的位置和尺寸，风机的合理摆放，并考虑维修方便。同时，不可忽视大面积通风开口面积与保证船体结构强度之间的关系，必须尽量避免对船体强框架的破坏。当甲板上有两个相邻的开口时，应注意两开口之间保持一定的距离（一般不小于1/2强框间距）。

8 横向联通管

为解决船体破损后的非对称进水问题，本船底部的压载水舱和空舱都设计成C型。左、右每对压载水舱及空舱通过设置于船底的横向联通管连通。需要指出的是，本船设有纵向管弄，在横向联通管与纵向管弄交会处，尤其在双层底高度较低、横向截面积又有一定要求的情况下，会给设计带来一些问题。

9 结语

随着高技术、高附加值船舶市场需求的日趋增加，船舶设计者们会面临各种各样的新问题。希望我们在设计滚装船过程中的点滴体会能对同行们有所帮助，对提高我国的船舶设计水准有所裨益。

［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）