三體高速客貨運(yùn)輸船設(shè)計(jì)方案概要

張洪達(dá)

（哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

0 引 言

改革開放以來，隨著祖國大陸經(jīng)濟(jì)快速增長、兩岸關(guān)系的緩和及大三通的實(shí)現(xiàn)，海峽兩岸的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易、人員來往將越來越頻繁，規(guī)模也將不斷增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2007年底，約有三分之一的臺(tái)灣同胞來過大陸，累計(jì)超過4 700萬人次，是臺(tái)灣地區(qū)2 300萬人口總數(shù)的2倍多；兩岸貿(mào)易總額也由1993年的0.5億美元增加到2007年的1 245億美元，漲幅超過2 490倍。

2007年，海峽兩岸人員往來達(dá)到462.79萬人次。有關(guān)專家預(yù)測，2015年海峽兩岸人員往來預(yù)計(jì)將突破600萬人次/年，2020年將突破750萬人次/年；滾裝車輛物流運(yùn)輸2015年預(yù)計(jì)會(huì)突破35萬車次/年，2020年更有突破85萬車次/年的可能。兩岸經(jīng)貿(mào)合作進(jìn)一步深化，對高速海上交通運(yùn)輸也將提出更高的要求。海峽兩岸城市間的距離約在200 n mile范圍內(nèi)，屬于中短程運(yùn)輸。雖然兩岸海上客滾直航已經(jīng)拉開帷幕，但投入運(yùn)營的船舶不是適航性不佳就是航速太慢（需航行8 h左右），無法滿足海峽兩岸物流和客流發(fā)展需求。因此，目前海峽兩岸的交通仍以航空運(yùn)輸為主［1］。

經(jīng)工業(yè)和信息化部、財(cái)政部批準(zhǔn)，哈爾濱工程大學(xué)正在開展具有特定滾裝功能的臺(tái)灣海峽三體高速客貨運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)工作，并已通過中國船級(jí)社評審。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步論述三體船的受力特征，為后期的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供便利。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 主要性能指標(biāo)

該型三體高速船需具備如下性能：

（1）航速40 kn以上，可在6級(jí)海況下正常營運(yùn)的大型高速三體高速客貨運(yùn)輸船，續(xù)航力不小于350 n mile；

（2）排水量約 1 250 t，載重量不小于 320 t，載客數(shù)712人，具有特定滾裝功能，可搭載140輛小型家用轎車（或小汽車100輛加冷藏集裝箱4只）；

（3）耐波性能滿足“在有義波高≤4 m的兩岸相應(yīng)港口間航行4 h，而90%旅客不暈船”的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，船舶在航率為330天/年以上；

（4）船舶穩(wěn)性和不沉性滿足國際海事組織《2000年國際高速船安全規(guī)則》第19章 附錄7“多體船的穩(wěn)性”要求；

（5）減振降噪設(shè)計(jì)達(dá)到“駕駛室＜65 dB、主要客艙＜70 dB”的要求。

1.2 船 型

考慮到臺(tái)灣海峽大型高速客貨運(yùn)輸船滾裝貨物功能對甲板面積的要求較高，選擇船型時(shí)需要船體具有較為豐滿的上層建筑才能提供足夠的甲板面積。另外，臺(tái)灣海峽季風(fēng)交替明顯，頻繁的偏北風(fēng)非常強(qiáng)勁。每年10月至次年4月以東北風(fēng)為主，每年6月～8月則以西南風(fēng)為主。強(qiáng)烈的臺(tái)風(fēng)伴隨暴雨，造成潮水位劇烈變化。因此，臺(tái)灣海峽大型高速客貨運(yùn)輸船的船型選擇必須考慮能夠提供良好的抗風(fēng)浪能力，尤其是抗橫風(fēng)、橫浪的能力。

為了減少進(jìn)入高航速后陡升的興波阻力，通常將船體設(shè)計(jì)得盡可能細(xì)長。然而對單體船而言，L/B值在9以上，其復(fù)原力就很難保證。雙體船由于其水線面積很小，與單體船相比，其縱向靜復(fù)原力矩也很小，不足以平衡高速航行時(shí)作用在船上的水動(dòng)力縱傾力矩和其他干擾力，所以其縱向運(yùn)動(dòng)（縱搖、垂蕩）通常也不穩(wěn)定，但是三體船的細(xì)長船體在減少興波阻力的同時(shí)，可保證良好的復(fù)原力。由于三體船采取對單體船加長，且兩側(cè)各加一個(gè)單體船的船體結(jié)構(gòu)形式，因此在快速性、耐波性、總布置以及隱形性能等方面比高速單體船和雙體船更具優(yōu)勢，較大改善了旅客的海上舒適度。臺(tái)灣海峽常年風(fēng)浪較大，乘客的舒適度是必須要考慮的一個(gè)主要因素，而三體船更適合解決這種情況。

此外，為滿足具有特定滾裝功能的設(shè)計(jì)要求，三體高速客貨運(yùn)輸船的船型高大且設(shè)有多層甲板，便于載運(yùn)集裝箱的車輛上下船，也有效提高裝卸效率，但同時(shí)也帶來了質(zhì)心高、穩(wěn)性差的問題。三體船具有總體布置性好、甲板空間大、耐波性和適航性極佳的優(yōu)點(diǎn)，所以將滾裝功能和三體船技術(shù)結(jié)合起來，便能最大程度發(fā)揮這兩種船型的功能。

選擇船型時(shí)，增大長寬比可以有效降低興波阻力，獲取良好的快速性能；但過大的長寬比又會(huì)破壞三體船的橫穩(wěn)性和耐波性，難以滿足客貨運(yùn)輸?shù)囊螅孕枰獧?quán)衡考慮各方面因素確定長寬比。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和型線圖等相關(guān)資料，最終決定將船長定為99 m、船寬定為24 m。

1.3 主尺度

三體船片體排水量占總排水量的百分比與其總阻力、穩(wěn)性及片體自身用途關(guān)系密切。較大的片體將使三體船的總阻力也變大，而過小的片體將對三體船的穩(wěn)性不利，同時(shí)也使片體自身利用價(jià)值及其對主船體的保護(hù)作用下降［2］。綜合各方面因素確定的三體船基本幾何參數(shù)見表1。

表1 三體船基本幾何參數(shù) 單位：m

1.4 初步設(shè)計(jì)方案

三體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造方面的文獻(xiàn)非常少，且三體船的外載荷和結(jié)構(gòu)性能研究目前尚處于起步階段，只有英國勞氏船級(jí)社基于“海神”號(hào)三體試驗(yàn)艦的研究所開發(fā)的三體船規(guī)范［3］。該船以《船型開發(fā)科研項(xiàng)目指南（第一批）》和《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》［4］（下面簡稱《規(guī)范》）中第 4 章對近海航區(qū)客貨船的要求為依據(jù)，然后根據(jù)中國船級(jí)社評審專家組的意見進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖1為文中所述三體高速客貨運(yùn)輸船側(cè)視圖。該三體船船艏部分頂部存在一個(gè)向上的弧度，整體呈流線型。這樣既可使上層建筑層次分明、整齊緊湊，也可大幅減少流線型船艏的風(fēng)阻力，提高航速。駕駛室設(shè)置在船艏最高一層，既可改善駕駛視野，也有利于提高航行安全性。

圖1 三體高速客貨運(yùn)輸船側(cè)視圖

汽車艙設(shè)有兩層甲板，下層為主甲板、上層為上甲板（如圖2所示），用于存放汽車和集裝箱車。鑒于集裝箱車的車身較高，故在上甲板中軸線處設(shè)有大開口，集裝箱車可以停放在大開口下的主甲板上，其他地方則停放車身較低的小轎車。為了解決上甲板大開口處強(qiáng)度難以保障的問題，可以在汽車艙內(nèi)（尤其是在上甲板大開口邊緣）布置4列立柱，同時(shí)對上甲板采取加厚處理；車輛上下時(shí)會(huì)對主甲板產(chǎn)生很大的垂向壓力，并且主甲板作為承受總縱彎曲的主要構(gòu)件之一，所以主甲板也要適當(dāng)加厚；此外，為確保車輛通行無阻，在汽車艙內(nèi)不設(shè)置橫向艙壁。

圖2 上甲板俯視圖

在艙室布置上，上甲板停放40輛小轎車、主甲板停放4輛集裝箱車和60輛小轎車，兩層甲板之間設(shè)有鉸接斜坡道，便于上甲板和主甲板之間車輛和人員通行。為了實(shí)現(xiàn)對車輛的有效固定，參考中國船級(jí)社《貨物系固手冊編制指南》，在主甲板和上甲板每隔縱向不超過2.5 m、橫向不小于2.8 m（但不大于3 m）的位置設(shè)置一個(gè)系固點(diǎn)，每個(gè)車位都用至少四根鋼索固定，并在汽車系固點(diǎn)處采用埋入式底座。主甲板艉部設(shè)有出入口，用鉸接跳板與岸搭接，用于滾裝貨上下船。載貨車輛從出入口進(jìn)入，一直開到主甲板前端或者通過斜坡道開到上甲板停放。

圖3 旅客甲板俯視圖

比汽車艙高一層的旅客甲板（如圖3所示）設(shè)有前后客艙。前客艙設(shè)200客位、后客艙設(shè)512客位，兩者用艙壁隔開，既能更好保證空調(diào)的使用效果，也可節(jié)約能源；后客艙設(shè)有通達(dá)駕駛甲板和上甲板的梯道，便于船舶?？繒r(shí)，旅客去汽車艙停放或取回車輛。旅客甲板上一層的駕駛甲板設(shè)有貴賓室，將貴賓室與下層的客艙隔開以營造豪華氛圍。貴賓室設(shè)有梯道，可通向更高一層甲板的駕駛室。客艙和貴賓室艉部設(shè)有雙開門，便于乘客前往船艉的露天甲板上游玩。露天甲板四周設(shè)有固定欄桿，船艉處還放有救生筏。

在船型確定的情況下，影響多體船阻力性能的主要參數(shù)是片體相對主船體的位置。從阻力角度來看，應(yīng)該選擇常用的航速來布置片體；而從耐波性角度來看，隨著航速的增加，橫搖幅度明顯減小?？梢娮枇湍筒ㄐ杂袝r(shí)難以兩全，所以片體相對主船體的位置既需要考慮阻力，還要顧及其耐波性［5］。

三體船的片體具有比主船體更高的傅汝德數(shù)，因而片體也采用超細(xì)長船型。片體水線長度不到主船體水線長度的一半，但片體吃水大于其水線寬以保護(hù)主船體的部分重要艙段。片體水線附近采用了尖削的結(jié)構(gòu)以便進(jìn)行穿浪運(yùn)動(dòng)，從而提高在風(fēng)浪環(huán)境下的航行能力。高速航行時(shí)，通過后置機(jī)艙使船舶質(zhì)心偏后、船艏上翹，三體船就可進(jìn)入滑行狀態(tài)；此外，由于上主體和片體都比較細(xì)長，因此興波阻力也比較小，形成的艉跡也相對較小，參見圖4。

圖4 三體船機(jī)艙段剖面圖

片體距離主船體比較遠(yuǎn)，可以提供更大的穩(wěn)定力矩，提高橫穩(wěn)心半徑，從而滿足三體船在復(fù)雜海況（6級(jí)海況）下正常航行的設(shè)計(jì)要求。并且，片體距離主船體太近會(huì)使三體船高速航行時(shí)片體之間產(chǎn)生很大的興波干擾，不利于發(fā)揮三體船的優(yōu)勢。但是，片體距離主船體太遠(yuǎn)則會(huì)對船體強(qiáng)度造成過大的削弱作用，難以保證船體橫向強(qiáng)度和連接橋的穩(wěn)定性，并且艦船建造與使用上也會(huì)受到限制。經(jīng)過綜合考慮各方面因素和參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終將連接橋型寬定為12 m。

該三體船為單甲板雙底焊接結(jié)構(gòu)，船外板和主甲板為縱骨架式，其余均為橫骨架式。船外板和主甲板是承受總縱彎曲的主要構(gòu)件，采用縱骨架式可以保證三體船高速航行時(shí)的總縱強(qiáng)度和外板的穩(wěn)定性，同時(shí)采用縱骨架式可以使外板厚度減薄、減輕空船質(zhì)量。橫骨架式具有施工方便、工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是橫骨架式比縱骨架式更適宜抵抗水壓力載荷。連接橋橫向強(qiáng)度對三體船的安全性來說至關(guān)重要，所以連接橋要采用橫骨架式，并且該處板厚和構(gòu)件尺寸應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。該船主要構(gòu)件尺寸見表2。

表2 主要構(gòu)件尺寸

根據(jù)《規(guī)范》，該船理論縱骨間距不大于500 mm，實(shí)際肋距根據(jù)總體布置和實(shí)際船體結(jié)構(gòu)定為：主甲板和底艙縱向骨材間距取500 mm；上甲板出于承受車輛的重力和強(qiáng)度的需要，也取500 mm；其他層甲板的橫向骨材間距取600 mm；計(jì)入總縱強(qiáng)度的船底縱桁應(yīng)保持連續(xù)，并盡可能穿過水密橫艙壁，且需要設(shè)置貫穿全船的舷側(cè)縱桁。

2 材 料

該船主船體及上層建筑均采用CCS認(rèn)可的LF5鋁合金材料，采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）和溶化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）。

鋁合金是目前快速船舶常用的材料。其優(yōu)點(diǎn)如下：質(zhì)量輕，能降低質(zhì)心高度，從而改善船舶的穩(wěn)性，而且在相同的主機(jī)功率時(shí)對速度有利；具有較好的耐腐蝕性，在使用過程中可以減少保養(yǎng)費(fèi)用［6］。

作為一種高鎂合金，LF5鋁合金的成形加工性能、抗腐蝕性能與可焊接性能優(yōu)異，強(qiáng)度中等，在船舶制造行業(yè)被廣泛運(yùn)用。在鋁合金高速船焊接制造中主要應(yīng)用TIG和MIG兩種方法：MIG方法焊接速度快、效率高，可用于焊接拼板和船體焊縫；由于采用手工送絲，TIG方法可以更好地控制焊接熔池，適用于焊接船體結(jié)構(gòu)突變處和較短焊縫，即船體內(nèi)部的型材、骨材等方面。

3 動(dòng)力裝置

據(jù)英國電子期刊《Fast Ferry International》統(tǒng)計(jì)，自1991年起，高速車客渡船在數(shù)量上開始接近常規(guī)低速車客渡船和滾裝船，截止2003年的13年中，全世界共建造了655艘高性能船，僅中國及港澳地區(qū)就進(jìn)口了其中的144艘，主要為高速雙體船；在隨后5年中，全球又相繼建造了近400艘高性能船。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上述船中有75%采用噴水推進(jìn)，顯然噴水推進(jìn)已經(jīng)在高速船中占有主導(dǎo)地位；并且，噴水推進(jìn)比螺旋槳推進(jìn)在高速時(shí)具有更好的抗空泡能力，推進(jìn)效率更高，使艦艇具有比傳統(tǒng)螺旋槳艦艇更小的轉(zhuǎn)向半徑；所以噴水推進(jìn)裝置更適用于航速大于30 kn的高速艦艇。

因此，該船采用噴水推進(jìn)方式，經(jīng)過功率推算并考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性等諸多因素，決定將主機(jī)定為德國奔馳公司麾下的世界著名柴油機(jī)制造商MTU公司制造的3臺(tái)功率為9 100 kW的MTU-20V 8000M71L，噴水推進(jìn)裝置為3臺(tái)由全球頂尖的噴水推進(jìn)裝置生產(chǎn)商瑞典MJP公司制造的MJP-CSU1100。

4 受力特點(diǎn)

了解三體船的受力特點(diǎn)，對于確定三體船危險(xiǎn)工況和完成強(qiáng)度分析是十分必要的，也有利于進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化?，F(xiàn)對此所作總結(jié)和分析如下：

（1）片體外側(cè)弧度不大，流過的水流較平穩(wěn)，引起的波浪和形狀阻力均很?。黄w內(nèi)側(cè)做成流線型體，利用片體和主船體的興波及其之間互相干擾從而達(dá)到消波減阻的效果。另外，片體橫剖面呈V字型，V字型剖面有利于減少摩擦阻力；對艉部形狀而言，V型剖面使去流段水流順暢，可減少施渦阻力；此外，V型剖面使縱搖、垂蕩的阻尼增加，對耐波性有利。

（2）主船體艏部特別尖細(xì)，可以減少興波阻力，利于提高航速；主船體船艏底部向前突出一部分，這部分產(chǎn)生的V型波列在一定程度上抵消了主船體航行時(shí)產(chǎn)生的衰波，從而減少了波浪對船身帶來的阻力；同時(shí)，也改善了艏部線型，使船體水線部分曲度緩和，對減少渦流阻力、提高船舶推進(jìn)效率有很大作用。

（3）依據(jù)對結(jié)構(gòu)影響大小劃分，三體船外部載荷分為主要載荷、次要載荷、局部載荷。

三體船所受主要載荷包括：縱向彎矩、橫向彎矩以及扭矩?？v向彎矩?zé)o論是對于單體船還是三體船都是很重要的載荷，尤其是在迎浪狀態(tài)下的縱向彎矩對于三體船強(qiáng)度影響最大，主要影響船體縱向構(gòu)件的尺寸。當(dāng)三體船行駛在波浪中，片體會(huì)受到一個(gè)垂直于船長方向，并迫使片體產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)離或者靠近主船體的橫向彎矩，這直接影響到船體橫向構(gòu)件的尺寸。連接橋在斜浪中遭受比較大的橫向彎矩和橫向扭矩，尤其是在斜浪（135°或者 45°）時(shí)，對于連接橋強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生很大影響。除橫向扭矩對于三體船連接橋與橫向甲板會(huì)產(chǎn)生較大影響外，還需要格外注意縱向扭矩，因?yàn)閷τ谌w船這類船體細(xì)長、片體與主船體距離較大的船型，縱向扭矩的影響會(huì)格外明顯。

對于航速高、排水量大的三體船必須考慮的局部載荷和次要載荷主要是由于外部水壓引起的，包括底部砰擊、艏部外飄砰擊和橫向甲板砰擊。底部砰擊主要是由船舶的升沉運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)所引起，持續(xù)時(shí)間很短但非常猛烈，已成為破壞船舶的主要原因之一。艏部外飄砰擊是因船艏外飄部分快速浸入水中引起，雖然不如底部砰擊猛烈，但與底部砰擊不同的是，艏部外飄砰擊不會(huì)隨著船舶前體出水而迅速消失，因此，就這會(huì)使船遭受一個(gè)猛烈的激振力，這在設(shè)計(jì)三體船時(shí)必須重視。橫向甲板砰擊會(huì)對連接橋下表面產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，造成連接橋結(jié)構(gòu)破壞，尤其是在主體和片體之間的“狹管效應(yīng)”下，此現(xiàn)象更為嚴(yán)重。因此，在船舶設(shè)計(jì)中必須考慮連接橋的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（4）主甲板和上甲板既要承受車輛的垂向壓力，又要參與總縱彎曲，而且上甲板中軸線處有大開口，在全船強(qiáng)度校核時(shí)需要格外注意。

5 結(jié) 論

本文主要介紹高速三體客貨運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)論述三體船的受力特點(diǎn)，為下一步深入研究作了鋪墊。目前，世界上主要的發(fā)達(dá)國家都在加大對多體船的研發(fā)力度，我國雖然起步比較晚，但是與國際發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距并不大，并且我國還有對多體船需求旺盛的廣大市場。順應(yīng)新船型技術(shù)的發(fā)展趨勢，在繼承原有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷提高和創(chuàng)新，盡快在結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)方面有所突破，對于促進(jìn)海峽兩岸的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、促進(jìn)海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的快速成長和提升我國艦船裝備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平具有重要的意義。

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