长横对江渡新能源车客渡船总纵强度计算分析

罗镇泉，詹明珠

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前 言

长横对江渡新能源车客渡船是一艘航行于长兴岛和横沙岛之间的零排放全电动车客渡船，可承载旅客、中小型汽车、载重汽车。 该船为钢质船体、垂直船首、方尾、单底、单甲板，设有双全回转推进器。 推进器舱、机舱位于尾部车辆甲板（主甲板）以下， 靠近船中位置设超级电容舱， 总体布置如图1所示。 船舶主要主尺度如下：

图1 车客渡船总体布置图（侧视图）

结构设计满足CCS 《钢质内河船舶建造规范》（2016），横剖面如图2 所示，主要由外板、车辆甲板、驾驶甲板、罗经甲板组成。 车辆甲板为强力甲板，车辆甲板以下为主船体，车辆甲板板厚较船底板厚大得多，中和轴位置比较靠近车辆甲板，因而船底处的剖面模数远小于主甲板处的模数，需要校核船底板总纵强度。 从线型上看，因船中后部需设电容舱和机舱而线型丰满，首部因滚装靠泊要求则线型比较尖瘦，对总纵强度也有不利影响。 因电容体积较大，在电容舱中不能设置双向桁架，不满足规范要求，且上层建筑内外围壁有较大开口，破坏了结构的连续性，是否会因总纵弯曲导致屈曲问题需要通过有限元计算来确定。

图2 车客渡船中横剖面

1 总纵强度计算

总纵强度规范校核采用CCS 计算软件COMPASS 系统。 计算工况如表1 所示。

表1 总纵强度校核工况

各工况下静水弯矩剪力包络线沿船长的分布趋势见图3，在各工况下基本处于中拱状态，船中静水弯矩最大，船长1/4 左右的位置静水剪力最大。静水弯矩、剪力极值见表2。

表2 最大静水弯矩、剪力值

图3 车客渡船静水弯矩剪力沿船长的分布示意

船舶波浪弯矩和剪力沿船长L 的分布如图4和图5 所示，COMPASS 系统可以根据填入的主尺度和相关参数自动计算获得。 部分典型计算剖面见图6，不考虑上建对总纵强度的贡献。

图4 波浪弯矩沿船长的分布

图5 波浪剪力沿船长的分布

图6 典型计算剖面

通过计算发现， 由于船首底部线型急剧收窄，导致船体梁中和轴升高， 船底剖面模数大幅下降，首部船底板和舷侧外板都存在不同程度的屈曲强度不足，需要采用增加板厚、增设纵向屈曲加强筋等方式进行加强。

表3 外板区域加强方案

2 有限元直接计算

建立包含机舱、电容舱、空舱的中部舱段主船体和驾驶甲板、罗经甲板上层建筑模型，如图7 所示。 甲板、船体外板、内舷壁板、内底板、横舱壁、围壁，以及实肋板、强横梁、纵桁、龙骨等构件的腹板采用板单元模拟。 对于承受水压力或货物压力的各类板上的扶强材采用梁单元模拟，并考虑偏心的影响。 单元的网格沿船长方向按肋距划分，沿船宽方向按纵骨间距或肋距划分，沿型深方向参照肋距或纵骨间距尺寸划分。 纵桁、肋板上加强筋、肋骨和肘板等主要构件的面板和加强筋用杆单元模拟。 计算工况与表1 所列工况相同。

图7 有限元计算模型

中部舱段有限元模型的边界条件，即在模型两端面的中和轴与中纵剖面的交点处建立独立点，将端面上的节点与独立点进行关联，将线位移约束施加在独立点上。

载荷有舷外水压、货物载荷、端面弯矩等载荷，并进行弯矩修正，以消除局部载荷对目标区域弯矩的影响。

根据有限元计算结果对船体结构进行强度评估， 主要构件的最大应力值满足屈服强度衡准，不需要额外加强； 对纵向构件进行屈曲强度校核，发现船底龙骨和局部纵舱壁的屈曲存在问题，加强方案如表4 所示，加强后主船体结构屈曲安全因数均能达到λ≥0.8 的规范要求，如表5 所示。

表4 部分纵向构件屈曲加强方案

表5 主船体主要构件屈曲校核结果

上层建筑甲板均采用了纵骨架式，满足屈曲要求，由于纵向围壁采用的是横骨架式，在船中区域的板格屈曲强度不满足要求，需要增加水平筋将板格的长边减小到1 000 mm 左右， 从而提高屈曲强度，如图8 所示。

图8 上建纵向围壁屈曲加强示意图

3 结 语

采用超级电容新能源驱动的长横对江车客渡船，船型特征不同于普通内河渡船，特殊设置的电容舱内无法布置满足规范要求的桁架结构，常规设计存在强度风险。 通过船体梁和有限元法计算分析总纵弯曲和屈曲强度，对船体外板、首部船底区域构件、中纵舱壁、船底龙骨和上层建筑纵向围壁等进行结构加强，使结构设计更加合理和安全。 希望上述计算分析结果对类似特种船型结构设计有一定的参考借鉴作用。