19.8 m沿海双体船结构优化设计

俞东旭，俞 英，王 健，高蓓科

(1.平湖华海造船有限公司，浙江 平湖 314200；2.上海交通大学，上海 200063；3.上海赛盟海事技术有限公司，上海 200063)

0 引言

双体船因其甲板开阔、航行稳定、易于操纵等优点而倍受世界各国关注，成为近年来迅速崛起的一种高性能船型。双体船采用强力构架(连接桥)将两个大小相等、相互平行的船体连成一个整体，广泛应用于海洋调查、海上运输、海上救援等近海任务。连接桥作为双体船的关键部件，所受的波浪载荷较为复杂，横向刚度较常规船舶偏弱，因此对双体船的结构强度和安全性能有着至关重要的影响[1]。许双喜等[2]对某内河双体集装箱船开展了横弯强度缩比模型实验和数值仿真分析，并采用圆弧过渡有效缓解了在连接桥底板折角处的应力集中；于兴鹏等[3]对某双体风电运维船建立整船有限元模型，根据双体船各部位的应力分布规律，对连接桥结构进行方案调整；张旭等[4]采用有限元仿真方法对一艘新型小水线面双体船进行强度校核，研究在横向载荷作用下的结构强度和应力分布特性，进而给出结构优化设计方案。由此可见，船型、作业工况、航行海况等因素都对双体船的结构强度和应力分布特性有着重要的影响，需要前期通过辅助计算和设计来修正结构参数。

本文研究的双体船总长19.80 m，型宽9.90 m，满载吃水1.25 m，型深2.50 m，满载排水量47 t。主船体采用钢质单甲板小水线面双体形式。推进系统采用电力推进，由2套柴油发电机组供电给两台交流电动机，同时驱动全回转舵桨推进器为全船提供动力，主要用途为海上试验保障。由于双体船结构较为独特，航行过程中所受载荷较多，为此本文结合沿海双体船的结构设计和工作特点，对该双体船的布置设计技术进行研究，以提升船舶建造质量。

1 机舱设备布置优化

小型沿海双体船工作航速低、工作时长短、工作海况小。因为其结构特点的特殊性，使得其机舱空间相比普通单体小型船舶更为局促。为了解决小型海上双体船机舱设备布置困难的难题，提出以下优化方案：

(1)采用全电推进方式

传统船舶推进系统由主机(柴油机或推进电机)、齿轮箱(或推力轴承)、轴系、螺旋桨组成。本船将传统的船舶推进系统改为由主机(推进电机)、舵桨组成；舵桨推进系统采用上安装形式，既节能环保，又便于空间布置。

(2)采用全回转舵桨转向系统

传统的船舶操纵系统由操舵装置(驾控台+机房组成)、液压管路+电路、推舵装置(液压油缸)、执行机构(舵柄+舵杆+舵叶)组成。现将传统的船舶操纵系统改为由操舵装置(驾控台+机房组成)、液压管路+电路、舵桨(具备推进与转舵功能)组成。本船转向装置由全回转形式的舵桨组成，替代常规舵叶装置。舵桨装置由推进电机及其配套的连接轴等组成，舵桨装置可以 360°转向。

(3)改变传统的船舶机舱与舵机舱的布局方式

传统的船舶机舱与舵机舱为2个独立的舱室。机舱内一般布置有主机(柴油机或推进电机)、齿轮箱(或推力轴承)、轴系、发电机组及其他辅助机械设备；舵机舱内一般布置有舵机泵站、推舵装置(液压油缸)、执行机构(舵柄+舵杆)、舵机电控箱等。这样的设计使得小型船舶的机舱空间过于局促，而舵机舱则相对宽敞。本船将传统的船舶机舱与舵机舱的布置改为：将主机从机舱内移到舵机舱内，主机改为尺寸小且功率大的电动机。优化后舵机舱的空间得到充分利用，见图1。

图1 舵桨舱优化设计图(侧视图)

2 通风系统优化布置

由于舱室空间的局限性，小型沿海双体船舱室空气不流通，空气质量差，风管布置较为困难，为此提出了以下优化方案：

(1)根据船舶结构特点，充分利用有限的空间，借用船舶结构围壁等构件组成合壁风管(结构风道)，避免制作独立风道而占用舱室空间，引发其他布局设计问题。

本船在机舱入口(机舱前端)处利用上层建筑围壁制作了一道合壁风管，在机舱尾部利用上层建筑围壁和连接桥抗扭箱结构部分也做了一段结构风道。通过前后设置进出风管的方式解决了机舱空气对流问题，同时也避免了在机舱制作独立风道而占用的舱室空间。

(2)设置机械通风系统。本船在外围中后部位的转角处增设了轴流风机及相关结构风道。通过增加机舱的强制机械通风系统，解决了在自然通风不足的情况下，机舱内新风输入不足问题。

(3)充分利用空间对流的特性和机械排风+自然进风的综合进风方式，实现舱室内的换气，如本船的卫生间、蓄电池间、电气设备间，见图2。

3 连接桥焊接工艺优化

由于小型沿海双体船普遍存在连接桥结构弱且构件尺寸无法做大等问题，故而通常在连接桥的首尾部分设置小型抗扭箱结构，以改善连接桥部分甲板的横向强度。然而小型抗扭箱箱体空间狭小，人员难以进入施焊，为此，对传统的焊接工艺和焊接顺序进行了改进。根据焊接的强度主次要求，采用先焊主甲板及其构件，再焊湿甲板构件，然后采用小板拼接+塞焊的方式完成抗扭箱底部湿甲板的焊接，从而保证了抗扭箱的总体结构强度。

图2 通风系统优化布置图

4 试验装备收放区域布置技术

本文研究的双体船作为一艘海上试验保障船，经常要进行设备投放等操作。在海上进行试验设备投放与回收过程中，受风浪的影响，作业过程中投放与回收难度较大。为此，结合小型沿海双体船本身连接桥底部空间的特点，特设计试验装备收放区域，见图3。

图3 试验装备收放区域布置图

(1)在艉部连接桥区选择一块区域，将其周围形成一块三面环合的区域，以减小试验设备投放与回收过程中风浪的影响。同时，在左右片体的内侧设置低于主甲板且靠近水面的作业平台，以提高试验操作的可靠性。

(2)在平台内侧设置滑轨和滑盖，采用电动推拉系统。当作业时，滑盖可向前滑动隐藏到连接桥下面；非作业时，滑盖向后滑动封闭该区域，使该处的连接桥保持完整，可最大程度地降低风浪的影响。

5 船首防上浪分水导流装置设计

由于小型沿海双体船普遍吃水相对较深，因而船舶在海上作业时，容易受到涌浪抨击伤害，存在较大的安全隐患。为此，特地设计了船首防上浪分水导流装置，以减小海上作业时涌浪抨击的影响。

改变艏部连接桥抗扭箱的外形后，船舶遇到上浪状况时，可以进行分水导流。其外形特点如下：中部呈尖底，前后为斜板，中前分流尖艏，两翼呈下压设置且成片体内侧外板相连，使其横剖面形状如同一个倒“山”字形，见图4。

图4 防上浪分水导流装置底视图

6 结论

(1)通过优化船舶推进方式、操纵方式及机舱与舵机舱的布局方式，实现了舱室合理布置目标，解决了机舱设备布置困难的难题。

(2)通过利用船舶结构围壁等构件组成结构风道，设置机械通风系统，采用机械排风+自然进风等方式，解决了舱室空气不流通、空气质量差、风管布置困难等难题。

(3)通过设置小型抗扭箱，改变传统的焊接工艺和焊接顺序，提升了结构强度，解决了连接桥结构弱且构件尺寸无法做大的难题。

(4)通过设计试验装备收放区域，减少了风浪影响，确保海上试验设备投放与回收过程中的安全可靠。

(5)通过改变艏部连接桥抗扭箱的外形，将其横剖面形状设计成倒“山”字形，实现分水导流作用，减轻了海上作业时涌浪抨击对船体的伤害。