PCTC船汽車(chē)甲板層高計(jì)算設(shè)計(jì)

翁旭輝，柳向陽(yáng)，陳玉娟，夏小浩 ,劉在良

(1.揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司，設(shè)計(jì)研究院，浙江 舟山 316004; 2.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

PCTC(Pure Car&Truck Carrier)汽車(chē)運(yùn)輸船訂單應(yīng)時(shí)下國(guó)際汽車(chē)貿(mào)易發(fā)展而日漸增多，該船型有技術(shù)含量高，造價(jià)高，擁有眾多汽車(chē)甲板等特點(diǎn)，確定各層汽車(chē)甲板層高是PCTC船總布置設(shè)計(jì)首要解決的問(wèn)題。PCTC船主要用途為汽車(chē)運(yùn)輸，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以大面積空層結(jié)構(gòu)為主[1]，汽車(chē)甲板布置從幾層到十幾層不等，初穩(wěn)心較高，對(duì)船舶穩(wěn)性影響較嚴(yán)重[2]，在總體設(shè)計(jì)時(shí)為獲得更好穩(wěn)性需盡可能降低汽車(chē)甲板高度，每層車(chē)輛甲板的層高需按最小允許高度設(shè)計(jì)，以獲得更好的穩(wěn)定性。由于PCTC船的汽車(chē)甲板面積較大，且采用6～7 mm的薄板材料，所以在最小層高設(shè)計(jì)上需綜合考慮汽車(chē)甲板最大變形量，建造變形量和頂升變形量。如設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致變形后的實(shí)際層高不滿足最小高度要求，或?qū)痈哂嗔考臃盘?，不利于船舶穩(wěn)性，這都將導(dǎo)致致命的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

一般大型PCTC船為考慮能運(yùn)輸多種類(lèi)車(chē)輛，會(huì)間隔設(shè)置3～5層可升降的活動(dòng)甲板[3]，升起活動(dòng)甲板時(shí)，可獲得的1.5～2倍的普通層高，以裝載各種大型車(chē)輛，活動(dòng)甲板下降支撐在工作位時(shí)可裝載普通小汽車(chē)，用于裝載大型車(chē)輛的甲板則被稱之為重型汽車(chē)甲板。本文將通過(guò)有限元計(jì)算，分別研究重型固定甲板和輕型固定甲板的滿載最大變形量分析，研究活動(dòng)甲板在滿載、頂升、收藏三種工況下的最大變形量，以此確定出各層汽車(chē)甲板最小層高要求。

1 甲板布置及載荷

圖1為某汽車(chē)運(yùn)輸船車(chē)輛布置圖。

圖1 某汽車(chē)運(yùn)輸船車(chē)輛布置圖

全船共設(shè)置8層固定甲板，其中2、4、6、8甲板為重型固定甲板，10、11、12甲板為輕型甲板，13為頂甲板，3、5、7、9甲板為活動(dòng)甲板。經(jīng)梁系軟件3D-BEAM[4]計(jì)算確定出各層甲板自身厚度T1。

表1列出了船主要求凈高h(yuǎn)01，和甲板自身厚度T1。

表1 各層汽車(chē)甲板參數(shù)

2 各層固定甲板變形量計(jì)算

2.1 有限元模型

各層固定甲板變形量按該船的全船正浮工況，圖2為全船有限元模型，構(gòu)件尺寸已扣除腐蝕余量，網(wǎng)格尺寸為肋距和縱骨間距。

圖3為典型重型、輕型固定甲板有限元模型。

圖2 全船有限元模型 圖3 輕型、輕型固定甲板有限元模型

2.2 載荷工況

為求得最大變形量，裝載方式為間隔裝載，即支柱中間和兩側(cè)成品字形裝載。支柱中間層固定及活動(dòng)甲板的均布載荷加載情況見(jiàn)圖4，支柱外側(cè)到兩舷的固定甲板均布載荷加載情況見(jiàn)圖5。

圖4 支柱間裝載 圖5 支柱外裝載

甲板貨物和船舶運(yùn)動(dòng)加速度、波浪載荷[5]按規(guī)范[6]要求設(shè)定。

船舶縱向運(yùn)動(dòng)加速度公式：

式中：az1為縱向運(yùn)動(dòng)加速度；aH為Heave加速。

2.3 固定甲板計(jì)算結(jié)果

各層固定甲板最大變形量計(jì)算云圖和結(jié)果見(jiàn)圖6和表2，其中1甲板為內(nèi)底板，13甲板頂甲板僅風(fēng)雨載荷。

表2 固定甲板最大變形量

圖6 固定甲板變形量云圖

3 活動(dòng)甲板變形量分析

3.1 活動(dòng)甲板工況描述

活動(dòng)甲板在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中有以下幾個(gè)工況需要在設(shè)計(jì)層高中進(jìn)行考慮[7]：

(1) 活動(dòng)甲板滿載時(shí)的變形量，用來(lái)確定其滿載時(shí)下層甲板的高度。

(2) 活動(dòng)甲板空載頂升作業(yè)過(guò)程中四角的最大下垂量，用來(lái)確定其在最高收藏位置其上方需預(yù)留的頂升空間高度。

(3) 活動(dòng)甲板空載自由四角落在支撐座上時(shí)，其中間的最大下垂量，該值考慮到活動(dòng)甲板在長(zhǎng)年使用后可能會(huì)發(fā)生永久性變形，其變形量取頂升變形工況的計(jì)算值。

3.2 活動(dòng)甲板滿載時(shí)的最大變形量計(jì)算

選取支柱間尺寸最大的活動(dòng)甲板為分析案例，見(jiàn)圖7。 其尺寸為13 570 mm×13 870 mm。模型按骨材間距建模，有限元模型及載荷見(jiàn)圖8。

圖7 活動(dòng)甲板布置圖 圖8 活動(dòng)甲板滿載

活動(dòng)甲板滿載時(shí)載荷取船東要求的均載荷3 kN/mm2和自身重量，加速度按全船正浮工況用PCL[8]載入，四角支撐座位置處固定；空載頂升時(shí)甲板載荷為零，僅取活動(dòng)甲板自身重量，頂升車(chē)托盤(pán)尺寸為3.0 m×6.3 m。在頂升車(chē)與活動(dòng)甲板接觸部位設(shè)計(jì)約束，頂升約束點(diǎn)布置見(jiàn)圖9。

圖9 活動(dòng)甲板頂升約束點(diǎn)

通過(guò)有限元計(jì)算可以得到活動(dòng)甲板變形量云圖和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10、11和表3。

圖10 活動(dòng)甲板滿載變形云圖 圖11 活動(dòng)甲板頂升變形云圖

表3 活動(dòng)甲板變形量mm

4 各層甲板層高計(jì)算

活動(dòng)甲板在收藏位置時(shí)，坐落在四個(gè)角上的活動(dòng)支撐件上，支撐件在動(dòng)作時(shí)需要有一個(gè)翻轉(zhuǎn)高度d5=30 mm。另還需考慮甲板的建造不平整d6=15 mm。

各層活動(dòng)甲板層高按圖12計(jì)算，固定甲板按圖13計(jì)算。

圖12 活動(dòng)甲板處甲板層高

圖13 固定甲板層高

根據(jù)圖12得出活動(dòng)甲板的層高可按下式計(jì)算得到：

重型固定甲板層高：

H1=h1+d6+d5+Tm

活動(dòng)甲板層高：

H2=h2+d1+d6+T1

重型固定甲板最大層高：

H3=h3+d6+d5+d3+Tm+d1+d6+T1

根據(jù)圖13得輕型汽車(chē)甲板的層高按下式計(jì)算得到：

輕型固定甲板層高：

H1=h0+d1+d6+T1

表4為各層汽車(chē)甲板層高和各層汽車(chē)甲板高度計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某型PCTC船的固定甲板和活動(dòng)甲板的變形量分析，結(jié)合規(guī)格書(shū)對(duì)層高要求和現(xiàn)場(chǎng)建造余量，計(jì)算出了該型PCTC船所有汽車(chē)甲板的高度布置。文中的有限元計(jì)算，在設(shè)計(jì)前期可以用交叉梁系計(jì)算軟件進(jìn)行替代，層高設(shè)計(jì)在PCTC船的前期設(shè)計(jì)中極為重要，一旦確定好了汽車(chē)甲板層高，后期很難再進(jìn)行調(diào)整。因此本文的汽車(chē)甲板層高設(shè)計(jì)方法，對(duì)同類(lèi)型船舶設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

表4 層高計(jì)算結(jié)果 /mm