“三沙2号”交通补给船结构设计分析

万正田，王艳春

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 引 言

三沙市作为我国最南端的城市，地处全球最繁忙的海上通道的前沿，战略地位重要。由于该市管辖的海域面积较大，内部岛屿众多，且与大陆相隔遥远，亟需大型交通补给船保障其交通运输需求。“三沙2号”交通补给船是由上海船舶研究设计院为三沙市政府研发设计的交通补给船，主要承担三沙市所属的西沙、南沙和中沙群岛海域的综合补给、岛礁考察、行政管理、应急救援及指挥、医疗救助和军地融合等任务。该船的成功建造和运营极大地提升了南海各岛礁之间的交通和运输保障能力，为我国履行海上搜救、人道主义救援等国际责任提供了有力支撑。

“三沙2号”交通补给船总长128 m，型宽20.4 m，结构吃水5.7 m，共有9层甲板，可载客400名，额定船员76名，车道长度240 m，服务航速20 kn，最大续航力6 000 n mile，入级中国船级社（China Classification Society，CCS），挂中国旗。图1为该船侧视图。作为一艘具有运载旅客、滚装车辆（包括装甲车）、集装箱拖车和补给淡水等功能的大型交通综合补给船，该船的功能非常多样化。对于结构设计来说，由于船舶功能的多样化和船舶的重要性，船体结构除了要满足客滚船的强度要求以外，还要满足交通补给船的高安全性和便捷舒适性需求，以及其他常规船舶的使用要求。

图1 “三沙2号”交通补给船侧视图

1 结构重量和重心控制

由于客滚船的船型复杂，居住区面积较大，上层建筑层数较多，内部装修豪华，且对载重量有很高的要求，故其空船重量和重心控制一直是设计的重点和难点，直接影响到船舶的稳性和载重量等重要性能指标。随着“三沙2号”交通补给船建造项目的逐步推进，船东对船舶的使用功能有所调整，特别增加了对医疗救助和军地融合功能的需求，这对船体重量和重心控制是不利的。因此，在保证结构强度和舒适性满足要求的基础上，减轻结构重量是船舶设计中的一项重要研究课题。为实现该目标，进行以下几个方面的研究。

1.1 客舱区域减重措施

“三沙2号”交通补给船与其他常规客滚船相比，车辆舱较小，客舱所占区域较大。3甲板以上都是居住区域，面积大，层数多，这些区域结构的重量和重心对全船的重量和重心有很大影响，因此对居住区域的船体结构进行轻量化和精细化设计非常必要。按照船级社规范的要求，在对船舶进行结构设计时，只需对车辆舱的横向强度进行有限元直接计算，无需对客舱区域的结构进行有限元分析。为优化客舱区域的结构，建立全船有限元模型，对客舱区域结构的强度进行直接计算，以便不断优化结构设计，确定强框架结构尺寸，并对客舱区域的整体布置提出建议。在保证结构强度满足要求的前提下，尽可能地减少客舱区域结构舱壁的数量，增加支柱并优化其位置，由此提高结构的利用率。此外，为减轻上层建筑的重量，降低全船结构重心，该船5甲板以上区域的内围壁全部采用5 mm厚的压筋板结构代替传统的板筋结构，这样既能减轻结构重量，又能减少船厂建造船舶时的薄板焊接和焊接变形控制工作量。

1.2 艏部区域减重措施

在CCS《钢质海船入级规范》第2.15.3节“船首底部加强”中，对船首底部结构布置提出了描述性规范要求，对船底板和船底纵骨尺寸也提出了要求。根据规范的要求，需对船首底部区域（0.7L至艏部，其中L为船长）的强框架布置进行加密，实肋板间距由4档肋位改为2档肋位，纵桁间距由5纵骨间距改为3纵骨间距，且肋板和纵桁板的厚度不变。为减轻艏部区域的结构重量，对艏部结构布置方案进行优化，不采用加密布置，而是采用与货舱区域相同的布置方案，即实肋板间距为4档肋位，纵桁间距为5纵骨间距，并采用直接计算的方法校核艏部区域的结构强度。

经过与船级社协调沟通，将船首强度直接计算分为以下2部分：

1）采用水动力分析方法计算得到船首底部不同肋位处的砰击载荷；

2）将载荷加载到结构有限元模型中，校核船首底部板架结构的砰击强度。

计算结果表明，采用水动力分析评估方法，艏部区域可减重约35 t，减重效果明显，同时能降低结构布置的难度。

1.3 艉轴区域减重措施

客滚船因线型的限制，其主机一般布置在舯部偏艉处，导致推进轴系较长。根据艉部线型的差异，艉轴一般有2种布置方案：人字架艉轴加短艉鳍方案和人字架艉轴加纵流型船尾方案。该船的艉轴布置初始方案为前者（见图2）。这种方案的优点是伸出船体的艉轴管较短，轴系设计难度较小；缺点是船体湿表面积较大，结构重量较大。为减轻船体重量，与其他专业协调之后，改为采用人字架艉轴加纵流型船尾方案（见图3）。在艉轴船体出口处直接采用铸件过渡，以取消艉鳍，这样虽然会增加设计和施工的难度，但能减轻结构重量和阻力。同时，在设计铸件时，在满足施工和使用要求的前提下，通过反复优化减轻铸件重量。

图2 人字架艉轴加短艉鳍方案

图3 人字架艉轴加纵流型船尾方案

1.4 机舱区域减重措施

该船的机舱采用双机、双桨、双舵布置，机舱区域较长，占到了船长的1／2，机舱前端壁接近于船中（0.5L处）。若机舱双层底区域按常规布置采用横骨架式结构，将不利于控制重量。因此，在设计机舱时，除了规范强制要求的将主机下方结构设置为横骨架式结构以外，其他区域尽量采用纵骨架式结构，以减轻结构重量。

2 船体总纵强度

与常规客滚船相比，该船的布局对船体总纵强度存在以下不利影响。

1）在3～5甲板，船中0.4L向船首为客舱区，向船尾为车辆舱区。为提高客舱空间的利用率，减小舷侧结构所占空间，3～5甲板的舷侧结构（包括车辆舱和客舱区域）采用横骨架式结构，对总纵强度不利。

2）4甲板只从船首延伸至船中，不能参与船中区域的总纵强度，而船中的总纵载荷最大，对总纵强度不利。

3）5甲板上的区域因船体外观造型的要求，窗户采用的是落地窗形式，导致舷侧外板开孔较大，结构的连续性较差，对总纵强度不利。

为保证船体总纵强度满足要求，在设计结构时对船底部结构进行优化，选择合理的结构布置方式，使参与总纵强度的纵向构件尽量多，特别是机舱区域，以满足规范对总纵强度的要求。此外，上层建筑外板的大开孔会严重削弱结构总纵强度的有效性，并在角隅处造成应力集中。采用有限元细化分析方法对角隅区域的总纵应力水平进行评估（见图4），特别是艏艉的开孔角隅，初始应力值会远超衡准值。对危险区域的节点进行特别的设计，并适当增加板厚，以满足设计要求，预防疲劳裂纹的产生。

图4 上层建筑端部（艉端）有限元模型

3 柔性风道设计

客滚船的机舱顶部甲板一般为车辆甲板，承受的载荷很大。该船的车辆甲板均布载荷为3 t／m，轴载荷为20 t，若机舱风管按常规要求设计成刚性风管，风管结构会作为强构件参与承担车辆甲板载荷。同时，该船的航速较高，主机功率较大，机舱通风量也较大，结构风管的外形尺寸和板厚会较大，且风管上的加强筋尺寸也很大，对通风效果有很大的影响。此外，风管出风口的开口一般在强构件端部，不能满足规范的要求，需额外考虑，这给结构设计带来了很大的难度，且对重量控制极为不利。在该船的设计中，创新性地采用柔性风道设计，用压筋板（板厚为5 mm）做结构风管（见图5）。通过计算并与船级社沟通，确定柔性风道可不参与承担车辆甲板载荷，车辆载荷仍由原船体结构承担。这种柔性风道只需保证气密性满足要求，结构尺寸可大大减小，出风口的开口也无需额外考虑强度问题。从实船运营情况来看，该风道结构未出现强度问题。这种柔性风道设计既降低了结构风管的设计难度，又减轻了结构重量。

图5 纵向和横向结构风管

4 舱室整体安装对结构设计的影响

客船上层建筑强构件腹板高度的确定通常有2种方案：一种是高开孔腹板方案，管系穿过横梁和纵桁；另一种是低腹板不开孔方案，设置支架让管系直接在横梁和纵桁下穿行。在本文所述船舶的设计中，出于减小舱室层高和减轻结构重量考虑，选择低腹板不开孔方案（腹板高度为230 mm）。但是，船厂在生产设计时改变了上层建筑客房区域的建造方案，对客房区域采用舱室整体安装的建造方式，要求在横梁上尽可能多地预留大开孔（开孔高度为180 mm），其他区域（如公共处所）的建造方式和结构形式不变。考虑到2种区域的建造方式不同，为保证船厂施工的便利性，与船厂反复协调之后，只将客房区域的强构件高度加大至340 mm，并预留足够多的开孔。从理论上看，这样的结构形式不再是传统的梁系结构，而是类似桁架的结构，超出了规范强度校核的要求，也不再适用经典梁系理论，无法采用传统的方法校核其强度。为解决该问题，本文采用有限元细化模型分析代替规范强度计算，由此校核这种类似桁架结构的强度。细化模型采用shell

和beam／bar单元仿真模拟船体舱段范围内的各构件，细化区域网格大小为50 mm×50 mm。通过有限元分析，合理地确定结构的尺寸和开孔边缘的结构形式，由此降低构件的应力水平，提高结构的安全性。典型的上层建筑横梁有限元细化模型及其应力水平见图6。

图6 典型的上层建筑横梁有限元细化模型及其应力水平

5 振动和噪声控制

该船属于高速船，主机为中速机，扭矩激励相对较大，螺旋桨激励频率相对较高。从布置来看，艉部具有全通车辆甲板，并设有2个艉门，开口较大，艉部刚度较小，且滚装设备较重，导致艉部结构的固有频率较低，与螺旋桨激励频率相差不大，存在共振的可能性，因而全船的振动和噪声控制为该船设计的重点和难点。

5.1 振动控制

在设计初期，从总布置入手，使上层建筑的主要分隔横舱壁与主船体横舱壁对齐，并尽量往船底延伸或由强力桁材支撑（如图1所示）；上层建筑侧围壁与主船体纵舱壁对齐或采用纵桁支撑，并适当增加支柱，提高上层建筑的刚性。

在设计后期，通过全船有限元模型计算全船的固有频率及其在螺旋桨激励力作用下的振动响应。另外，对舱室内的板、板格和板架等局部结构的固有频率进行计算。计算结果表明，艉部有局部振动超标。对此，采取以下改善措施：

1）主机由环氧树脂支撑垫块安装改为弹性安装；

2）5～7 甲板艉部露天区域两侧改为全封闭结构，加大6甲板、7甲板和8甲板部分区域纵骨的尺寸，提高艉部的整体刚度，使其固有频率与螺旋桨倍叶频激振力频率错开，降低共振的风险。

经实船测试，该船的客舱、机舱和艉部等区域的振动响应均满足振动标准的要求，且具有较大的裕度。

5.2 噪声控制

在设计初期，主要通过合理的布置控制噪声的传播。在噪声源舱室（如风机室、机舱棚）外围设置隔离空舱（见图7），避免居住舱室布置在噪声源舱室附近，并在两者之间布置一些对噪声要求不高的舱室（如过道、储藏室等）。

图7 风机室隔离空舱

在设计后期，根据该船的噪声计算结果，发现机舱棚和车辆舱风道附近有部分舱室噪声超标，而风机室（设有隔舱）周围舱室的噪声未出现超标的情况。结合船厂的施工情况等因素，对超标区域采取以下改善措施：

1）将机舱集控室天花板做成微穿孔吸音板；

2）在4甲板舱室与货舱风道公共围壁处使用高隔声板，增设阻尼；

3）在5甲板机舱棚与厨房相邻侧壁增加玻璃棉，在与餐厅相邻侧壁增加高隔声板；

4）在甲板与机舱棚相邻的右舷房间，其围壁采用高隔声板，天花和内衬板采用微穿孔吸音板。

通过采取以上措施，实船试航的噪声测量结果满足衡准要求。

6 结 语

本文对“三沙2号”交通补给船结构设计的特点和难点进行了分析，主要得到以下结论：

1）可通过优化布置的方法减轻客舱区域和机舱艉轴区域的结构重量；可通过采用水动力分析方法评估船首底部砰击强度减轻船首底部区域的重量。

2）与传统的刚性结构风道相比，柔性结构风道方案可避免风道承受车辆甲板载荷，减轻结构重量和降低结构风道的设计难度。

3）可采用桁架式强横梁方案降低舱室整体安装给船厂建造带来的不利影响，充分发挥舱室整体安装的优势。

4）对于对振动和噪声要求较高的船舶而言，可在设计初期通过定性分析设置一些预防措施（如隔舱等），在后期通过对全船进行仿真计算采取相应的改善措施，满足相关规范和规则的要求。该船的结构设计和建造经验可供今后同类型船舶的设计和建造参考。