120 m汽車滾裝船活動長坡道的設(shè)計(jì)

劉禮維，張紋梅，王 巖，閆 慧

(1.江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.南京航天數(shù)智科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

20世紀(jì)50年代后期，隨著汽車業(yè)的迅速發(fā)展，汽車滾裝船應(yīng)運(yùn)而生。這種船在裝卸方式上實(shí)現(xiàn)了重大的變革，可以不依賴船舶碼頭的專用吊裝設(shè)備，而是使用船舶自身配備的艏、艉跳板及活動與固定坡道等，通過滾動式裝卸工具來完成船舶與港口間貨物水平運(yùn)輸?shù)姆绞?，所以稱為“滾裝船”。目前全球?qū)Ω鞣N貨物的需求量越來越大，因此一些用戶提出直接將一定數(shù)量的大型貨運(yùn)車輛通過滾裝船運(yùn)至目的地碼頭，這樣既省時(shí)又省力。

林以堅(jiān)[1]針對某汽車滾裝船所裝載的汽車自行“滾上滾下”進(jìn)行裝卸的特殊功能，對其活動坡道的特殊制作與安裝工藝進(jìn)行研究。劉其偉[2]對7 500 汽車滾裝船內(nèi)部坡道的電器設(shè)備布置和安裝方法等進(jìn)行研究，提出了各類注意事項(xiàng)?？梢婎愃频难b卸方式越來越被船舶運(yùn)輸企業(yè)所推崇，但很多的船型方案都因?yàn)榇w內(nèi)部坡道的結(jié)構(gòu)尺寸受限和整體布局的不合理而受挫。葉步永等[3]對某汽車滾裝船活動坡道的水密艙蓋支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，根據(jù)應(yīng)力分布情況對不滿足應(yīng)力要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。劉在良等[4]采用有限元軟件MSC.PATRAN對某大型汽車滾裝船的固定式坡道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)應(yīng)力分布情況對應(yīng)力不滿足的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)?？梢妼ζ嚌L裝船所有坡道結(jié)構(gòu)做細(xì)化有限元分析十分必要[5]。

綜上，能夠設(shè)計(jì)一個(gè)既能滿足結(jié)構(gòu)要求又能保證大型貨車順利通行的活動坡道是十分重要的。120 m汽車滾裝船是往來于南美某兩國固定航道的專門運(yùn)輸大型貨運(yùn)車輛的汽車滾裝船，該船能夠裝運(yùn)2層大型集裝箱貨車，其設(shè)計(jì)要求與附加值都很高，是國內(nèi)領(lǐng)先的船型。本文為該120 m汽車滾裝船設(shè)計(jì)了2只約35 m的活動長坡道，并通過建立有限元模型模擬坡道4種可能的裝載工況，以確保船舶的運(yùn)營安全。

1 120 m汽車滾裝船簡介

1.1 主要參數(shù)和難點(diǎn)

120 m汽車滾裝船的主要參數(shù)如下：

長度～119.0 m，船寬21.0 m，型深5.5 m，吃水3.0 m，航速～11 kn，裝車量～450 kN×53輛，入級意大利船級社(RINA)，布置見圖1。

因裝載要求的特殊性，該船在配備艏、艉跳板的同時(shí)，其內(nèi)部還配備2只約35 m長的活動坡道。這2只約35 m的長坡道的設(shè)計(jì)與制造工藝是該船難點(diǎn)之一，它涉及的主要難點(diǎn)有控制坡道的總厚度、滑輪和鋼絲繩的設(shè)計(jì)、鉸鏈、油缸、定位限位裝置、控制擾度、承載負(fù)荷等。

1.2 裝卸貨過程

該船主要裝載貨運(yùn)卡車的甲板共有2層。

(1)貨車通過艉部跳板從底層甲板進(jìn)入，再經(jīng)活動長坡道行駛裝運(yùn)至頂層甲板。艉部的活動坡道升起，底層可繼續(xù)裝運(yùn)貨車。

(2)到港后，貨車通過艏部跳板從船舶內(nèi)部行駛至碼頭。先卸底層車輛，底層車輛卸完后，艏部的活動坡道放下，頂層甲板上的貨車通過該坡道卸至碼頭。貨車的整個(gè)上下過程不受天氣和環(huán)境影響，無需借助碼頭上的裝卸工具，做到了貨物的水平運(yùn)輸，加快了貨物的裝卸速度。

圖1 120 m汽車滾裝船總布置圖

按照設(shè)計(jì)要求，最終確定本船的長坡道方案見圖2。按照方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定長坡道的結(jié)構(gòu)圖見圖3。坡道根部用鉸鏈與船體結(jié)構(gòu)相連，坡道的自由端通過鋼絲繩調(diào)節(jié)坡道的收起與放下。

圖2 120 m汽車滾裝船長坡道方案

圖3 120 m汽車滾裝船長坡道的結(jié)構(gòu)圖

2 有限元計(jì)算

根據(jù)意大利船級社(RINA)的RULESFORINLANDWATERWAYSHIP要求采用MSC.PATRAN和NASTRAN軟件要求對汽車滾裝船34.75 m坡道進(jìn)行有限元強(qiáng)度直接計(jì)算。坡道主要構(gòu)件及板材采用AH36板，在滿足強(qiáng)度的條件下盡量減輕重量，從而確保船上傳動件使用的安全可靠。坡道結(jié)構(gòu)采用縱骨架式，下方共設(shè)7道強(qiáng)縱桁，其余處設(shè)置縱骨；縱桁與主船體結(jié)構(gòu)間距盡量一致，橫向共設(shè)21道強(qiáng)橫梁。根據(jù)裝載車輛的實(shí)際負(fù)荷測量：并排三軸共255 kN、兩軸180 kN、單軸60 kN。本船坡道按輪軸最大負(fù)荷90 kN校核，輪印負(fù)荷按22.5 kN考慮。坡道材料AH36鋼材屈服強(qiáng)度為355 MPa，材料換算系數(shù)為0.72。

2.1 結(jié)構(gòu)有限元模型

材料具體參數(shù)為：模型材料Q235，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3。模型范圍為整個(gè)坡道結(jié)構(gòu)。模型甲板、底封板、強(qiáng)構(gòu)件腹板采用平面四邊形板單元(局部過渡區(qū)域采用三角形板單元)模擬，其他縱骨、強(qiáng)構(gòu)件面板等用二節(jié)點(diǎn)梁單元模擬，通過板梁單元組合的力學(xué)模型描述整個(gè)坡道的結(jié)構(gòu)。

本模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)為16 043，單元數(shù)為18 843；甲板單元格最大尺寸為250 mm×225 mm，構(gòu)件單元格最大尺寸為250 mm×200 mm。坡道有限元模型見圖4。

圖4 坡道有限元模型

模型坐標(biāo)系為：X軸指向坡道鉸鏈端為正；Y軸由原點(diǎn)指向左舷為正；Z軸垂直向上為正。

2.2 邊界條件

工況1～工況3坡道行車狀態(tài)時(shí)：坡道一端擱置在船體結(jié)構(gòu)上，節(jié)點(diǎn)上施加橫向、垂向線位移約束；另一端用鉸鏈與船體連接，在與船端連接的鉸鏈處節(jié)點(diǎn)上施加縱向、橫向、垂向線位移約束。

工況4坡道收起狀態(tài)時(shí)：坡道一端用鉸鏈與船體連接，在與船端連接的鉸鏈處節(jié)點(diǎn)上施加縱向、橫向、垂向線位移約束；另一端靠近尾端的兩側(cè)用插銷固定，插銷固定處垂向線位移約束。

具體的約束點(diǎn)示意圖見圖5。

2.3 主要結(jié)構(gòu)厚度

坡道板10 mm，底封板12/14 mm，縱桁14 mm，強(qiáng)橫梁腹板8 mm，首尾桁材12 mm。所有板厚均為總厚度，因本船為內(nèi)河船舶，不考慮腐蝕余量。

圖5 約束點(diǎn)示意圖

2.4 載荷

考慮車輛上下的沖擊，坡道載荷按設(shè)計(jì)車輛軸負(fù)荷的1.2倍確定，為108 kN，并以集中力的形式作用在輪印點(diǎn)上(F=27 kN)。

根據(jù)實(shí)船裝載順序及車輛停放位置，考慮以下4種工況(見圖6)：

工況1：一車在前端(鉸鏈端)指定位置停放，一車行駛在坡道中間位置。

工況2：兩車均在前端指定位置停放，坡道處于下放狀態(tài)。

工況3：一車在前端指定位置停放，一車在后端駛?cè)搿?/p>

工況4：兩車在前端指定位置停放，坡道收起，后端插銷固定。

圖6 工況

2.5 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

根據(jù)RULESFORINLANDWATERWAYSHIP規(guī)定，最大合成應(yīng)力σVM=150/k=208.3 MPa，剪應(yīng)力τ=111.1 MPa。

3 有限元結(jié)果分析

有限元分析應(yīng)力結(jié)果匯總見表1，坡道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

表1 許用應(yīng)力及計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

鉸鏈支點(diǎn)約束力見圖7。鉸支點(diǎn)處約束力匯總見表2。

4 結(jié)論

(1)在坡道厚度與質(zhì)量受限的前提下，坡道結(jié)構(gòu)合理排布、結(jié)構(gòu)材料使用高強(qiáng)度鋼，能夠使坡道承受更大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

(2)本船目前通過了船東和船檢的驗(yàn)收，已交付使用，船上的各坡道及跳板使用正常。本長坡道作為整船的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)也得到了船東、船廠、船檢等各方的好評。在滿足規(guī)范要求的前提下，既沒有影響本船的設(shè)計(jì)要求，增加過多成本，也保證了大型貨車的運(yùn)行空間，為該船的順利投入使用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表2 鉸支點(diǎn)處約束力