船舶滚装通道结构设计标准与轻量化设计分析1

詹志鹄，王麒淋，沈奕成

（中国船级社，a. 上海规范研究所；b. 船舶与海上设施结构安全实验室，上海 200135）

0 引言

汽车滚装船（Pure Car and Truck Carrier，PCTC）是滚装船的一个新兴分类，设有多层汽车甲板、升降平台、汽车坡道等结构。PCTC 装载货物较为单一，具有装卸效率高、容积利用率高、运输成本低等优点。近年来，新能源汽车产业蓬勃发展，PCTC作为商品车辆全球运输的主要途径，其需求量爆发式增长。作为沟通PCTC 与码头之间的通道，滚装通道的结构设计至关重要，需要建立合理的滚装通道结构设计规范。

滚装船的滚装处所通常不进行分隔，其长度能达到大部分甚至整个船长，可在水平方向正常装卸机动车辆或其他货物[1]。滚装通道是连接滚装船的车辆甲板与码头的结构，主要包括以下4 类通道设备[2]：1）跳板；2）升降平台与车辆坡道；3）活动汽车甲板；4）大型滚装门。

滚装通道结构与常规船舶结构的受力特点差异较大。艏门、艉门、升降平台、活动车辆甲板等均为活动设备，主要受到车辆驻车与行驶过程对甲板及坡道产生的轮印载荷。在长期车辆载荷的作用下，保证滚装通道的结构强度尤为重要。此外，结构轻量化也是滚装通道未来的设计要点之一，必须建立一套合理的滚装通道结构设计标准。

本文对当前滚装船滚装通道结构设计标准进行梳理，聚焦国际组织与各国船级社在滚装通道结构方面的技术要求，分析滚装通道结构设计的关键技术，探析滚装通道结构轻量化设计的发展方向。

1 滚装通道结构设计标准

1.1 国际标准

1）国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）标准

根据 IMO《国际海上人命安全公约》（InternationalConventionfortheSafetyofLifeatSea,SOLAS）的相关规定，若设有艏门且装载坡道形成舱壁甲板以上的防撞舱壁的延伸部分时，坡道在全长范围内均应做成风雨密[1]。

2）国际船级社协会（International Association of Classification Societies，IACS）标准

为保证客滚船与滚装船的结构强度，IACS 制订了统一要求[3]：（1）规定了主要结构与紧固装置的应力衡准；（2）规定了艏门、艉门设计载荷的计算方法等。

1.2 船级社标准

1）劳氏船级社（Lloyd’s Register，LR）标准

LR 制定了CodeforLiftingAppliancesina MarineEnvironment[4]，对滚装通道设备的加载与设计准则、滚装通道设备主要载荷和应力衡准等内容进行了规定。

2）挪威船级社（Det Norske Veritas，DNV）标准

DNV 制定了RulesforClassification:Ships[5]，对车辆甲板的结构强度做出了规定，并针对艏门、艉门与舷门，给出其板、加强筋与桁材的最小尺寸要求。

3）美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS）标准

ABS 制定了RulesforBuildingandClassing MarineVessels[6]，规定了滚装通道设备紧固装置的相关要求、主要构件最小尺寸和各类设计载荷的计算方法，以及许用应力值的大小。此外，ABS 还对受轮印载荷作用的甲板作出了相关规定。

1.3 关键技术问题

1.3.1 载荷

滚装通道设备主要受到车辆轮印载荷的作用，包括车辆上船和下船时的动载荷。根据中国船级社（China Classification Society，CCS）的相关要求，在计算轮印载荷时，动载荷系数取1.1[7]。黄辰等[8]使用ADAMS建立车辆在滚装船跳板上的动力学模型，计算不同情况下跳板端部铰链的动载荷谱，并进行对比分析。研究表明：静力学分析结果的1.1倍小于动力学分析结果，这验证了在进行车辆跳板载荷计算时考虑车辆动载荷作用的必要性。此外，利用动力学方法得到的载荷谱可为铰链疲劳强度分析提供依据。

除车辆载荷外，在进行滚装通道的结构设计时还需要特别考虑波浪砰击载荷。艏门作为船体外板的一部分，其在恶劣海况下受到的砰击作用应得到特别关注。IACS 使用经验公式，通过航速和艏门形状等参数计算艏门受到的设计外部压力。王辉等[9]基于非线性切片理论与Stavovy-Chuang砰击理论对艏部外飘处的砰击载荷进行预报，并将理论预报值与水池模型试验值进行对比。此外，还对巡航工况和极限工况下艏门的砰击压力进行计算，得出砰击载荷与航速和波高的非线性关系。韩建康[10]基于有限元软件MSC.Patran、MSC.Dytran、MSC.Nastran，对艏部外飘结构进行准静态分析、动力响应分析和瞬态响应分析，并对结果进行对比，得出直接瞬态响应分析法是最合理的仿真计算方法。在此基础上，对PCTC 艏部外飘区域应力水平较高的结构进行优化，并利用直接瞬态响应分析法对优化后的结构进行仿真分析。

1.3.2 应力计算方法

目前应用最为广泛的滚装通道结构应力计算方法为有限元直接计算方法。仇远旺等[11]利用Patran/Nastran建立滚装船车辆跳板结构有限元模型，通过静力计算得到跳板结构应力、铰链和耳板的切应力。尉宁等[12]基于《钢质海船入级规范》[7]，通过Patran 建立艉部车辆跳板和旅客跳板的有限元模型，计算跳板结构的最大应力值与挠度值，并将最大应力值与衡准进行比较，以验证跳板结构的安全性与合理性。

1.3.3 强度衡准

通常情况下，结构设计基于线弹性理论，即假定结构最大应力超过材料屈服强度时结构失效，无法承受外载荷作用。设计结果一般偏保守，往往会导致结构尺寸偏大、偏重。

王维舟[13]分别从应力水平和永久变形等两方面对各船级社结构塑性承载能力利用程度的问题进行分析，并以实船板格为算例，考察板厚公式对塑性承载能力的利用程度。结果显示：各船级社车辆甲板板厚计算公式均基于塑性理念的结构设计方法[14]，但考虑塑性承载能力的程度各有差异。

2 结构设计衡准

2.1 概述

CCS 对滚装通道的相关技术要求主要根据《钢质海船入级规范》《车辆运输船舶船体结构指南》[15]和《船舶与海上设施起重设备规范》[16]。

《钢质海船入级规范》第2 篇第9 章第3～6节分别针对升降平台、车辆坡道、艏门、内门、舷门、艉门、车辆跳板给出相应技术要求。

《车辆运输船舶船体结构指南》第3 节对车辆甲板、活动车辆甲板以及车辆坡道的设计提出相应技术要求，第6 节对艉门跳板和舷门跳板提出相应技术要求。

《船舶与海上设施起重设备规范》的第3 章第3.8 节对车辆跳板的设计提出相应技术要求。

2.2 滚装门结构设计衡准

《钢质海船入级规范》对艏门、内门、舷门、艉门的技术要求与IACS 保持一致，其许用应力计算公式为

式（1）～式（3）中：[τ]为许用切应力；[σ]为许用弯曲应力；[σe]为许用相当应力；K为材料系数；σ为弯曲应力；τ为切应力。

门结构的主要构件需要通过屈曲校核。对于紧固和支持装置中的钢支承，其支承压力应不超过0.8ReH（ReH为上屈服强度）；对其他支承材料，其许用支承应力应根据制造厂的技术规格确定。紧固和支持装置的布置应使螺栓不承受支持力，其螺纹处最大拉应力应不超过125/K。门结构主要构件的最小尺寸应满足相关规定，首要原则是保证滚装门与周围结构的强度相当。

2.3 活动车辆甲板设计衡准

根据《车辆运输船舶船体结构指南》第3 章第4 节的相关规定，可收放活动车辆的甲板应设计为板架结构，其支点主要包括软支点与硬支点，软支点的许用载荷为破断载荷的20%，硬支点许用应力计算公式为

活动车辆甲板桁材的许用应力计算公式为

活动车辆甲板桁材的挠度应满足以下要求：

式中：f为挠度；l为相邻支承间的距离。

2.4 升降平台设计衡准

《钢质海船入级规范》第2 篇第9 章第3 节给出了升降平台与车辆坡道相关衡准，与《车辆运输船舶船体结构指南》保持一致。

2.5 车辆跳板设计衡准

《钢质海船入级规范》第2 篇第9 章第6 节给出了车辆跳板相关衡准。车辆跳板的结构强度需要满足《钢质海船入级规范》第2 篇第2 章第21 节的相关规定。

2.6 车辆坡道设计衡准

固定式坡道应满足《钢质海船入级规范》第2篇第2章第21节的相关规定；活动式坡道应满足《钢质海船入级规范》第9 章第6 节的相关规定。

3 结构轻量化设计

3.1 结构衡准安全裕量

滚装通道的轻量化设计一直都是船舶领域的研究热点。王维舟[13]基于塑性理论、极限载荷、多倍弹性许用和永久变形的设计方法，从应力和永久变形水平的角度分析了各船级社的车辆甲板板厚计算公式。对不同尺寸轮印载荷下甲板响应的数值计算结果进行拟合，提出了新的板厚设计公式，与现有规范公式计算得到的板厚基本处于同一水平。

3.2 特种材料的应用情况

章锤[17]对铝合金在船舶与海洋工程中的应用进行了分析。铝合金密度较低，抗腐蚀性和焊接性较好、强度较高。在船舶与海洋工程领域，铝合金轻量化具有非常广阔的发展前景。

齐忠原等[18]对船用铝合金的性能进行了梳理和分析。各类镁铝合金的抗拉强度和屈服强度会随着镁含量的增加而逐渐增强，但耐蚀性能会逐渐降低。

汪璇等[19]对船用复合材料现状及其发展趋势进行了分析。复合材料具有轻量化水平高，耐腐蚀性强，抗疲劳性好等优势。相较于传统船用金属，纤维复合材料的比强度和比模量更高，是实现船舶轻量化的一种理想结构。

李晓文等[20]基于有限元方法与力学试验，对钢质主船体与复合材料之间的连接结构进行研究。结果表明：优化后的混合连接形式可有效减重约45%。混合设计形式和优化模式为复合材料在船舶领域的应用及船舶轻量化设计提供了一种新思路。

3.3 结构优化设计

除设定合理的结构衡准安全裕量和使用特种材料外，结构优化设计也可作为减轻结构质量的一种有效途径。

邵学祥等[21]对长江车客渡船跳板两侧强横梁面板和边纵桁面板开裂等问题进行研究，提出了减小舷侧横向构件和放浪孔尺寸，斜向焊接两侧纵向构件，用EH550 高强度钢代替AH36 低合金高强度钢等方法。有限元分析结果表明：跳板结构应力显著降低。经一年多的实际使用，跳板未发生损坏。

郑锡超等[22]利用Nastran 与Isight 软件，以跳板结构的质量作为目标函数，将普通横梁、强横梁、纵桁的截面尺寸，以及跳板厚度作为设计变量，将面板相当应力、骨材合成应力与跳板位移作为约束条件，对车辆跳板结构进行优化，优化后的结构质量可降低22.25%。

4 结论

本文对当前滚装船滚装通道结构设计的标准进行了梳理，聚焦国际组织与各国船级社在滚装通道结构方面的技术要求，分析了滚装通道结构设计的关键技术，并探析了滚装通道结构轻量化设计的发展方向，可得出如下结论：

1）目前国际组织在滚装通道设计方面的标准主要为SOLAS 公约以及IACS 标准。SOLAS 公约主要涉及滚装通道结构的水密性。IACS 标准对大型滚装门的应力衡准、设计载荷计算方式、主要构件最小尺寸等提出了技术要求。各国船级社对滚装通道结构均有其对应的规范。

2）CCS 相关规范对滚装通道结构设计的技术要求主要涉及载荷计算方式与应力衡准等方面。大型滚装门相关规范与IACS 标准相一致。车辆跳板与活动汽车甲板等结构可参照《车辆运输船舶船体结构指南》进行设计。总的来看，中国滚装通道结构设计标准仍需制订出一套完整的标准体系。

3）船舶结构轻量化设计的发展方向主要包括设定合理的安全裕量、使用更加合理的应力衡准、使用新型合金材料与复合材料替代钢材、对现有设计进行结构优化。