船舶滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與輕量化設(shè)計分析1

詹志鵠，王麒淋，沈奕成

（中國船級社，a. 上海規(guī)范研究所；b. 船舶與海上設(shè)施結(jié)構(gòu)安全實驗室，上海 200135）

0 引言

汽車滾裝船（Pure Car and Truck Carrier，PCTC）是滾裝船的一個新興分類，設(shè)有多層汽車甲板、升降平臺、汽車坡道等結(jié)構(gòu)。PCTC 裝載貨物較為單一，具有裝卸效率高、容積利用率高、運輸成本低等優(yōu)點。近年來，新能源汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，PCTC作為商品車輛全球運輸?shù)闹饕緩?，其需求量爆發(fā)式增長。作為溝通PCTC 與碼頭之間的通道，滾裝通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要，需要建立合理的滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。

滾裝船的滾裝處所通常不進行分隔，其長度能達(dá)到大部分甚至整個船長，可在水平方向正常裝卸機動車輛或其他貨物[1]。滾裝通道是連接滾裝船的車輛甲板與碼頭的結(jié)構(gòu)，主要包括以下4 類通道設(shè)備[2]：1）跳板；2）升降平臺與車輛坡道；3）活動汽車甲板；4）大型滾裝門。

滾裝通道結(jié)構(gòu)與常規(guī)船舶結(jié)構(gòu)的受力特點差異較大。艏門、艉門、升降平臺、活動車輛甲板等均為活動設(shè)備，主要受到車輛駐車與行駛過程對甲板及坡道產(chǎn)生的輪印載荷。在長期車輛載荷的作用下，保證滾裝通道的結(jié)構(gòu)強度尤為重要。此外，結(jié)構(gòu)輕量化也是滾裝通道未來的設(shè)計要點之一，必須建立一套合理的滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

本文對當(dāng)前滾裝船滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行梳理，聚焦國際組織與各國船級社在滾裝通道結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)要求，分析滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，探析滾裝通道結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的發(fā)展方向。

1 滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

1.1 國際標(biāo)準(zhǔn)

1）國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) IMO《國際海上人命安全公約》（InternationalConventionfortheSafetyofLifeatSea,SOLAS）的相關(guān)規(guī)定，若設(shè)有艏門且裝載坡道形成艙壁甲板以上的防撞艙壁的延伸部分時，坡道在全長范圍內(nèi)均應(yīng)做成風(fēng)雨密[1]。

2）國際船級社協(xié)會（International Association of Classification Societies，IACS）標(biāo)準(zhǔn)

為保證客滾船與滾裝船的結(jié)構(gòu)強度，IACS 制訂了統(tǒng)一要求[3]：（1）規(guī)定了主要結(jié)構(gòu)與緊固裝置的應(yīng)力衡準(zhǔn)；（2）規(guī)定了艏門、艉門設(shè)計載荷的計算方法等。

1.2 船級社標(biāo)準(zhǔn)

1）勞氏船級社（Lloyd’s Register，LR）標(biāo)準(zhǔn)

LR 制定了CodeforLiftingAppliancesina MarineEnvironment[4]，對滾裝通道設(shè)備的加載與設(shè)計準(zhǔn)則、滾裝通道設(shè)備主要載荷和應(yīng)力衡準(zhǔn)等內(nèi)容進行了規(guī)定。

2）挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）標(biāo)準(zhǔn)

DNV 制定了RulesforClassification:Ships[5]，對車輛甲板的結(jié)構(gòu)強度做出了規(guī)定，并針對艏門、艉門與舷門，給出其板、加強筋與桁材的最小尺寸要求。

3）美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）標(biāo)準(zhǔn)

ABS 制定了RulesforBuildingandClassing MarineVessels[6]，規(guī)定了滾裝通道設(shè)備緊固裝置的相關(guān)要求、主要構(gòu)件最小尺寸和各類設(shè)計載荷的計算方法，以及許用應(yīng)力值的大小。此外，ABS 還對受輪印載荷作用的甲板作出了相關(guān)規(guī)定。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)問題

1.3.1 載荷

滾裝通道設(shè)備主要受到車輛輪印載荷的作用，包括車輛上船和下船時的動載荷。根據(jù)中國船級社（China Classification Society，CCS）的相關(guān)要求，在計算輪印載荷時，動載荷系數(shù)取1.1[7]。黃辰等[8]使用ADAMS建立車輛在滾裝船跳板上的動力學(xué)模型，計算不同情況下跳板端部鉸鏈的動載荷譜，并進行對比分析。研究表明：靜力學(xué)分析結(jié)果的1.1倍小于動力學(xué)分析結(jié)果，這驗證了在進行車輛跳板載荷計算時考慮車輛動載荷作用的必要性。此外，利用動力學(xué)方法得到的載荷譜可為鉸鏈疲勞強度分析提供依據(jù)。

除車輛載荷外，在進行滾裝通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計時還需要特別考慮波浪砰擊載荷。艏門作為船體外板的一部分，其在惡劣海況下受到的砰擊作用應(yīng)得到特別關(guān)注。IACS 使用經(jīng)驗公式，通過航速和艏門形狀等參數(shù)計算艏門受到的設(shè)計外部壓力。王輝等[9]基于非線性切片理論與Stavovy-Chuang砰擊理論對艏部外飄處的砰擊載荷進行預(yù)報，并將理論預(yù)報值與水池模型試驗值進行對比。此外，還對巡航工況和極限工況下艏門的砰擊壓力進行計算，得出砰擊載荷與航速和波高的非線性關(guān)系。韓建康[10]基于有限元軟件MSC.Patran、MSC.Dytran、MSC.Nastran，對艏部外飄結(jié)構(gòu)進行準(zhǔn)靜態(tài)分析、動力響應(yīng)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析，并對結(jié)果進行對比，得出直接瞬態(tài)響應(yīng)分析法是最合理的仿真計算方法。在此基礎(chǔ)上，對PCTC 艏部外飄區(qū)域應(yīng)力水平較高的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并利用直接瞬態(tài)響應(yīng)分析法對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行仿真分析。

1.3.2 應(yīng)力計算方法

目前應(yīng)用最為廣泛的滾裝通道結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算方法為有限元直接計算方法。仇遠(yuǎn)旺等[11]利用Patran/Nastran建立滾裝船車輛跳板結(jié)構(gòu)有限元模型，通過靜力計算得到跳板結(jié)構(gòu)應(yīng)力、鉸鏈和耳板的切應(yīng)力。尉寧等[12]基于《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[7]，通過Patran 建立艉部車輛跳板和旅客跳板的有限元模型，計算跳板結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值與撓度值，并將最大應(yīng)力值與衡準(zhǔn)進行比較，以驗證跳板結(jié)構(gòu)的安全性與合理性。

1.3.3 強度衡準(zhǔn)

通常情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計基于線彈性理論，即假定結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力超過材料屈服強度時結(jié)構(gòu)失效，無法承受外載荷作用。設(shè)計結(jié)果一般偏保守，往往會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸偏大、偏重。

王維舟[13]分別從應(yīng)力水平和永久變形等兩方面對各船級社結(jié)構(gòu)塑性承載能力利用程度的問題進行分析，并以實船板格為算例，考察板厚公式對塑性承載能力的利用程度。結(jié)果顯示：各船級社車輛甲板板厚計算公式均基于塑性理念的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[14]，但考慮塑性承載能力的程度各有差異。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計衡準(zhǔn)

2.1 概述

CCS 對滾裝通道的相關(guān)技術(shù)要求主要根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》《車輛運輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》[15]和《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》[16]。

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第2 篇第9 章第3～6節(jié)分別針對升降平臺、車輛坡道、艏門、內(nèi)門、舷門、艉門、車輛跳板給出相應(yīng)技術(shù)要求。

《車輛運輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》第3 節(jié)對車輛甲板、活動車輛甲板以及車輛坡道的設(shè)計提出相應(yīng)技術(shù)要求，第6 節(jié)對艉門跳板和舷門跳板提出相應(yīng)技術(shù)要求。

《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》的第3 章第3.8 節(jié)對車輛跳板的設(shè)計提出相應(yīng)技術(shù)要求。

2.2 滾裝門結(jié)構(gòu)設(shè)計衡準(zhǔn)

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對艏門、內(nèi)門、舷門、艉門的技術(shù)要求與IACS 保持一致，其許用應(yīng)力計算公式為

式（1）～式（3）中：[τ]為許用切應(yīng)力；[σ]為許用彎曲應(yīng)力；[σe]為許用相當(dāng)應(yīng)力；K為材料系數(shù)；σ為彎曲應(yīng)力；τ為切應(yīng)力。

門結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件需要通過屈曲校核。對于緊固和支持裝置中的鋼支承，其支承壓力應(yīng)不超過0.8ReH（ReH為上屈服強度）；對其他支承材料，其許用支承應(yīng)力應(yīng)根據(jù)制造廠的技術(shù)規(guī)格確定。緊固和支持裝置的布置應(yīng)使螺栓不承受支持力，其螺紋處最大拉應(yīng)力應(yīng)不超過125/K。門結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的最小尺寸應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)定，首要原則是保證滾裝門與周圍結(jié)構(gòu)的強度相當(dāng)。

2.3 活動車輛甲板設(shè)計衡準(zhǔn)

根據(jù)《車輛運輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》第3 章第4 節(jié)的相關(guān)規(guī)定，可收放活動車輛的甲板應(yīng)設(shè)計為板架結(jié)構(gòu)，其支點主要包括軟支點與硬支點，軟支點的許用載荷為破斷載荷的20%，硬支點許用應(yīng)力計算公式為

活動車輛甲板桁材的許用應(yīng)力計算公式為

活動車輛甲板桁材的撓度應(yīng)滿足以下要求：

式中：f為撓度；l為相鄰支承間的距離。

2.4 升降平臺設(shè)計衡準(zhǔn)

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第2 篇第9 章第3 節(jié)給出了升降平臺與車輛坡道相關(guān)衡準(zhǔn)，與《車輛運輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》保持一致。

2.5 車輛跳板設(shè)計衡準(zhǔn)

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第2 篇第9 章第6 節(jié)給出了車輛跳板相關(guān)衡準(zhǔn)。車輛跳板的結(jié)構(gòu)強度需要滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第2 篇第2 章第21 節(jié)的相關(guān)規(guī)定。

2.6 車輛坡道設(shè)計衡準(zhǔn)

固定式坡道應(yīng)滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第2篇第2章第21節(jié)的相關(guān)規(guī)定；活動式坡道應(yīng)滿足《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第9 章第6 節(jié)的相關(guān)規(guī)定。

3 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)衡準(zhǔn)安全裕量

滾裝通道的輕量化設(shè)計一直都是船舶領(lǐng)域的研究熱點。王維舟[13]基于塑性理論、極限載荷、多倍彈性許用和永久變形的設(shè)計方法，從應(yīng)力和永久變形水平的角度分析了各船級社的車輛甲板板厚計算公式。對不同尺寸輪印載荷下甲板響應(yīng)的數(shù)值計算結(jié)果進行擬合，提出了新的板厚設(shè)計公式，與現(xiàn)有規(guī)范公式計算得到的板厚基本處于同一水平。

3.2 特種材料的應(yīng)用情況

章錘[17]對鋁合金在船舶與海洋工程中的應(yīng)用進行了分析。鋁合金密度較低，抗腐蝕性和焊接性較好、強度較高。在船舶與海洋工程領(lǐng)域，鋁合金輕量化具有非常廣闊的發(fā)展前景。

齊忠原等[18]對船用鋁合金的性能進行了梳理和分析。各類鎂鋁合金的抗拉強度和屈服強度會隨著鎂含量的增加而逐漸增強，但耐蝕性能會逐漸降低。

汪璇等[19]對船用復(fù)合材料現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢進行了分析。復(fù)合材料具有輕量化水平高，耐腐蝕性強，抗疲勞性好等優(yōu)勢。相較于傳統(tǒng)船用金屬，纖維復(fù)合材料的比強度和比模量更高，是實現(xiàn)船舶輕量化的一種理想結(jié)構(gòu)。

李曉文等[20]基于有限元方法與力學(xué)試驗，對鋼質(zhì)主船體與復(fù)合材料之間的連接結(jié)構(gòu)進行研究。結(jié)果表明：優(yōu)化后的混合連接形式可有效減重約45%?；旌显O(shè)計形式和優(yōu)化模式為復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用及船舶輕量化設(shè)計提供了一種新思路。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

除設(shè)定合理的結(jié)構(gòu)衡準(zhǔn)安全裕量和使用特種材料外，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也可作為減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的一種有效途徑。

邵學(xué)祥等[21]對長江車客渡船跳板兩側(cè)強橫梁面板和邊縱桁面板開裂等問題進行研究，提出了減小舷側(cè)橫向構(gòu)件和放浪孔尺寸，斜向焊接兩側(cè)縱向構(gòu)件，用EH550 高強度鋼代替AH36 低合金高強度鋼等方法。有限元分析結(jié)果表明：跳板結(jié)構(gòu)應(yīng)力顯著降低。經(jīng)一年多的實際使用，跳板未發(fā)生損壞。

鄭錫超等[22]利用Nastran 與Isight 軟件，以跳板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，將普通橫梁、強橫梁、縱桁的截面尺寸，以及跳板厚度作為設(shè)計變量，將面板相當(dāng)應(yīng)力、骨材合成應(yīng)力與跳板位移作為約束條件，對車輛跳板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量可降低22.25%。

4 結(jié)論

本文對當(dāng)前滾裝船滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)進行了梳理，聚焦國際組織與各國船級社在滾裝通道結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)要求，分析了滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，并探析了滾裝通道結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的發(fā)展方向，可得出如下結(jié)論：

1）目前國際組織在滾裝通道設(shè)計方面的標(biāo)準(zhǔn)主要為SOLAS 公約以及IACS 標(biāo)準(zhǔn)。SOLAS 公約主要涉及滾裝通道結(jié)構(gòu)的水密性。IACS 標(biāo)準(zhǔn)對大型滾裝門的應(yīng)力衡準(zhǔn)、設(shè)計載荷計算方式、主要構(gòu)件最小尺寸等提出了技術(shù)要求。各國船級社對滾裝通道結(jié)構(gòu)均有其對應(yīng)的規(guī)范。

2）CCS 相關(guān)規(guī)范對滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)要求主要涉及載荷計算方式與應(yīng)力衡準(zhǔn)等方面。大型滾裝門相關(guān)規(guī)范與IACS 標(biāo)準(zhǔn)相一致。車輛跳板與活動汽車甲板等結(jié)構(gòu)可參照《車輛運輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》進行設(shè)計。總的來看，中國滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)仍需制訂出一套完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3）船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的發(fā)展方向主要包括設(shè)定合理的安全裕量、使用更加合理的應(yīng)力衡準(zhǔn)、使用新型合金材料與復(fù)合材料替代鋼材、對現(xiàn)有設(shè)計進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。