22車位車客渡船優(yōu)化設(shè)計

于圣堂,　王　丹

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室，上海 200135)

0　引　言

該22車位車客渡船是為適應(yīng)長橫渡輪站擴建及新石線車客運輸?shù)男枨蠼ㄔ斓?該船總體外形和布置沿用長橫車客渡系列船型。10 a前，船舶所有人建造過23車客渡Ⅰ型船和Ⅱ型船，該船是基于Ⅱ型船設(shè)計。因10 a中法規(guī)和規(guī)范都有大量的修改，海事部門也有一些新要求和新規(guī)定，原來船型的尺度和布置已不能完全滿足防火和逃生等現(xiàn)行規(guī)范的要求。根據(jù)船舶所有人及規(guī)范、法規(guī)的新要求，對該船的船舶主尺度和局部布置進(jìn)行重新設(shè)計,著重圍繞控制噸位、提升抗風(fēng)能力、降低船舶質(zhì)量和防止船舶振動開展優(yōu)化工作。

1　船舶基本概況

1.1　船型及船舶主要參數(shù)

該22車位車客渡船為鋼質(zhì)、雙機、雙槳、雙舵、雙尾鰭及傾斜首柱的單體車客渡船，服務(wù)于長江A級航區(qū)，逆水航行時間<2 h，屬于第四類大型客船。船舶的主要參數(shù)見表1。

表1　船舶主要參數(shù)

1.2　總體布置

該船設(shè)有主甲板(車輛甲板)、旅客甲板及遮陽甲板。車輛甲板最大可裝載22輛5 t DFA1080S20D6型東風(fēng)貨車或4輛40 t集裝箱卡車，旅客甲板最大定額人數(shù)為299人。車輛甲板艏艉兩舷設(shè)置有升高平臺，艏部平臺布置錨絞機及系泊設(shè)備，艉部平臺設(shè)置系泊絞車和系泊設(shè)備。為減少船舶受風(fēng)面積及降低空船質(zhì)量，并結(jié)合美觀性，船中兩舷各開設(shè)8個馬蹄形門孔。考慮航行中的安全性,在車輛甲板的艏艉部，各設(shè)置1個液壓翻板(見圖1和圖2)，可防止艏艉上浪及車輛意外滑移危險。在艏艉平臺左、右舷各設(shè)置了1個寬度為1 000 mm的舷門，可滿足船舶靠泊碼頭后人車分流的海事規(guī)定。船舶總布置圖見圖3。

圖1　艏部翻板

圖2　艉部翻板

2　船舶總噸優(yōu)化

交通運輸部、省級港口行政管理部門規(guī)定對沿海及長江干線南京以下港口碼頭的最大靠泊能力都進(jìn)行了核定[1]。該船靠泊碼頭的最大靠泊能力≤1 600總噸。

因船舶的車輛甲板頂部設(shè)有船員艙室和供乘客休息的大客艙，導(dǎo)致滾裝處所絕大部分為有頂蓋型，此外，該船還需裝載運木材的貨車，船舶所有人要求頂部骨架下緣距車輛甲板的最小距離≥4 600 mm，使得量噸甲板以上固定載貨處所的容積特別大(占全船總?cè)莘e30%以上)，初步核算本船總噸達(dá)到1 639總噸。

采用與母型一致的布置方案將使該船超出碼頭的最大靠泊能力,經(jīng)與船舶所有人溝通，將大客艙縮小六檔，艉部艙室整體向船首移動。對客艙進(jìn)行了重新布置,大客艙縮小六檔容積減少約為108 m3,由于艉部露天滾裝處所面積增大，滾裝處所容積減少約為45 m3，通過以上措施(見圖4和圖5)使船舶的總噸位降至1 592總噸，既符合船舶所有人對乘客總?cè)藬?shù)的要求及規(guī)范對客艙區(qū)布置的要求，又滿足了碼頭的靠泊能力。

圖4　船舶上層建筑艉部及大客艙布置修改前

圖5　船舶上層建筑艉部及大客艙布置修改后

3　提高抗風(fēng)等級

根據(jù)交通運輸部(交通發(fā)[2014]199號文)的要求，渡船應(yīng)標(biāo)明載客(車)定額及抗風(fēng)等級等有關(guān)安全注意事項。

該船為石洞口碼頭和新河碼頭之間的定班輪，距離長江口較近，該航線每年6～8級風(fēng)的天數(shù)較多。由于此航線為交通要道，擺渡的車輛和乘客較多，船舶所有人提出該船的抗風(fēng)能力必須較原Ⅱ型船的抗風(fēng)能力有所提高。

由于《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》2016修改通報及《內(nèi)河客船和渡船抗風(fēng)等級核定辦法》對船舶的風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)都提高了要求，對原Ⅱ型船重新進(jìn)行抗風(fēng)等級核定，由計算結(jié)果可知，原船雖能達(dá)到抗8級風(fēng)，但是風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)Kf值及突風(fēng)衡準(zhǔn)K值在滿載出港、到港及滿載客貨到港狀態(tài)的余量較小。因此，需對穩(wěn)性有影響的船舶參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

增加型寬可有效提高穩(wěn)性，但型寬的增加對快速性不利。而適當(dāng)增加船長和型深，以增大船舶的復(fù)原力矩和提高最小復(fù)原傾覆力矩，整體提升船舶抵抗風(fēng)壓的能力，并解決在車輛甲板艉部增加擋板和艏艉通道的要求。另外，增加船長使L/B加大，快速性可得到保證，對原船的改動量也較少。經(jīng)計算，船長增加1.80 m及型深增加0.20 m后，對船舶的建造成本影響較小，同時,該船的抗風(fēng)能力也得到較大的提高。經(jīng)綜合考慮，最終采用增加船長和型深的方案見表2。船舶的風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)與抗風(fēng)等級[2]對應(yīng)表見表3。

4　空船重量優(yōu)化

為保證設(shè)計航速，該船線型設(shè)計較為尖瘦，方形系數(shù)僅為0.541，每厘米吃水噸數(shù)只有6.15 t，空船重量若不嚴(yán)格控制，易發(fā)生超重現(xiàn)象。因此，對質(zhì)量進(jìn)行專業(yè)詳細(xì)的統(tǒng)計與優(yōu)化，結(jié)構(gòu)和舾裝專業(yè)在設(shè)計中采取以下降重的措施。

表2　該船與原Ⅱ型船各種工況穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)表

表3　船舶的風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)與抗風(fēng)等級對應(yīng)表

注：風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)Kf取各種裝載工況的最小者。

4.1　上層建筑甲板、圍壁板厚的余量控制

船舶的上層建筑參與總縱強度計算，經(jīng)規(guī)范計算上層建筑(甲板室)的外圍壁板厚應(yīng)≥3.74 mm，上層建筑(甲板室)甲板的板厚應(yīng)≥4.27 mm。實船的遮陽甲板至旅客甲板之間的外圍壁板厚度實取為4 mm，內(nèi)圍壁板厚度實取為3 mm，遮陽甲板板厚實取為5 mm。實船的板厚基本緊貼規(guī)范選取,為防止板材厚度選取過薄而發(fā)生較強的振動，對上層建筑進(jìn)行振動計算分析，計算結(jié)果表明，上層建筑的固有頻率超過共振頻率的30%，上層建筑不會發(fā)生明顯振動現(xiàn)象，在實船航行中，上層建筑均無明顯振感。

通過對上層建筑內(nèi)外圍壁、甲板板厚的余量控制，既保證了船舶強度，也有效降低了船體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

4.2　采用直接計算法避免鋼料增加

規(guī)范要求船底骨架(船底縱骨、旁內(nèi)龍骨)應(yīng)向艏艉端盡量延伸,由于該船艏部線性較瘦，底部縱骨只能終止于距離防撞艙壁6 m處，若底部縱骨繼續(xù)延伸將超出實肋板與舷側(cè)肋骨交界，進(jìn)入舷側(cè)范圍，不符合常理。

延伸底部骨架，除艏部線型較瘦不好施工外，也會增加船舶的鋼料質(zhì)量。經(jīng)與船檢的溝通，對艏部未延伸區(qū)域外板采取直接計算的方法校核屈曲強度,計算結(jié)果表明，在不延伸骨架的情況下，外板屈曲強度仍滿足規(guī)范要求,通過直接計算避免船體鋼料增加約0.5 t。

此外，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，滾裝處所強力甲板下的機艙內(nèi)應(yīng)設(shè)置縱向桁架。但由于該船機艙空間較小，若設(shè)置縱向桁架，不但會造成機艙內(nèi)設(shè)備布置困難、通行不便，也會導(dǎo)致鋼料增加。為解決該問題，在機艙內(nèi)采取設(shè)置支柱的措施，并通過有限元法對機艙甲板板、甲板縱絎及強橫梁等強力構(gòu)件應(yīng)力進(jìn)行校核(見圖6～圖9)。該船機艙內(nèi)設(shè)置的支柱可滿足強度要求,避免船體鋼料增加約0.7 t。

圖6　有限元模型

圖7　板材正應(yīng)力圖

圖8　板材變形圖

圖9　骨材應(yīng)力圖

4.3　隔熱絕緣及裝潢材料的選取

對于客船，裝潢材料的選取對控制船舶質(zhì)量有重要的影響,客船上層建筑一般較為豐滿，裝潢的面積較大，選用不同材料，質(zhì)量會相差很大，故對裝潢材料的選用需特別慎重。

船舶常規(guī)的防火材料為陶瓷棉，隔熱材料為巖棉，襯板、地板、天花板為25 mmPVC復(fù)合巖棉板，這些材料雖然價格相對較低，但密度較大。對于質(zhì)量控制要求嚴(yán)格的船舶(客船、高速船、艇類船舶)，選用這些材料時應(yīng)格外謹(jǐn)慎。

由于該船對質(zhì)量較為敏感，為控制空船重量，防火材料選用密度為130 kg/m3的MJLB-3復(fù)合氧化鋁，相對選用陶瓷棉減少質(zhì)量約為0.9 t。該船隔熱材料選用密度為40 kg/m3的玻璃棉，相對選用巖棉減少質(zhì)量約為1.3 t。

對開孔少、不需要隔音艙室的天花板，也作特殊考慮。除廚房、浴室洗衣間及船員室采用復(fù)合巖棉板作為天花板外，大客艙及包間均采用了鋁合金扣板作為天花板，鋁合金扣板每平米質(zhì)量約為復(fù)合巖棉板的10%，相對選用復(fù)合巖棉板減少質(zhì)量約為3.3 t。

在艙室地板的選擇上，為降低質(zhì)量，除駕駛室鋪設(shè)復(fù)合地板外，船員艙室和包間均敷設(shè)2 mm的低播焰型PVC地板，大客艙采用光甲板刷油漆，采取這兩項措施使得質(zhì)量降低約為4.9 t。

4.4　錨鏈長度及錨的選取

根據(jù)舾裝數(shù),該船錨鏈總長應(yīng)為330 m,但船舶航行區(qū)域水深的最大水深僅為20 m,錨鏈的長度明顯不合理。經(jīng)與船檢協(xié)商，同意將錨鏈總長作適當(dāng)減少，依據(jù)船舶所有人提供的水文條件，結(jié)合《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》的要求，每舷錨鏈長度需78.5 m,船檢最終認(rèn)可每舷錨鏈長度可減少55 m，錨鏈總長減少至220 m,減少的錨鏈質(zhì)量約為2.54 t。

舾裝數(shù)對應(yīng)錨的總質(zhì)量為2.45 t，如果采用大抓力錨，錨的質(zhì)量可以取相應(yīng)霍爾錨質(zhì)量的75%。為降低船舶質(zhì)量，選用2只0.97 t的AC-14大抓力錨,減少的錨質(zhì)量約為0.51 t。

在設(shè)計中通過采取各種措施，總減輕質(zhì)量約為14.65 t，約占空船重量的1.87%。

5　船舶振動的預(yù)防

在設(shè)計過程中，對可能發(fā)生振動的不同區(qū)域作了充分的考慮。

螺旋槳頂部區(qū)域(見圖10)：對螺旋槳頂部外板采取局部加厚，并在螺旋槳頂部設(shè)置雙層底，既方便于舵機的安裝，也保證船體的剛度。此外，在保證船舶浮態(tài)的情況下，將淡水艙靠近螺旋槳區(qū)域布置，用以吸收部分振動波，削弱螺旋槳產(chǎn)生的激振帶來的振動。

尾軸管區(qū)域(見圖11和圖12)：為抵抗螺旋槳沿船長方向的脈動推力(軸承力)[3]，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的疲勞，對尾軸管區(qū)域的尾鰭肋板和外板進(jìn)行特別的加強。

在實船試航中，船員艙室及乘客活動區(qū)域均無明顯振動，各區(qū)域測量的振動數(shù)據(jù)均低于規(guī)范要求值。

圖10　螺旋槳區(qū)域加強

圖11　雙尾鰭外板局部加強

圖12　雙尾鰭內(nèi)橫隔板加強

6　結(jié)　語

對22車位車客渡船設(shè)計中采取多方面的降重措施，使船舶的空船重量降低約1.87%；采用合理的布置及針對性的加強避免了船舶的振動；通過合理的布置將船舶的噸位控制在1 600總噸內(nèi)，滿足了碼頭最大靠泊能力的要求；通過適當(dāng)調(diào)整船舶長度和型深的措施讓該船的抗風(fēng)等級較原船型得到較大的提升，為該船成功安全的營運提供了安全保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]交通運輸部,沿海碼頭靠泊能力管理規(guī)定[S]. 北京：交通運輸部水運局，2014.

[2]中國船級社.內(nèi)河客船和渡船抗風(fēng)等級核定辦法[S]. 2016.

[3]王春雪，基于有限元的大型集裝船振動分析[J]. 船舶工程，2015(S2):39-42.