“三沙2號(hào)”交通補(bǔ)給船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

萬(wàn)正田，王艷春

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 引 言

三沙市作為我國(guó)最南端的城市，地處全球最繁忙的海上通道的前沿，戰(zhàn)略地位重要。由于該市管轄的海域面積較大，內(nèi)部島嶼眾多，且與大陸相隔遙遠(yuǎn)，亟需大型交通補(bǔ)給船保障其交通運(yùn)輸需求。“三沙2號(hào)”交通補(bǔ)給船是由上海船舶研究設(shè)計(jì)院為三沙市政府研發(fā)設(shè)計(jì)的交通補(bǔ)給船，主要承擔(dān)三沙市所屬的西沙、南沙和中沙群島海域的綜合補(bǔ)給、島礁考察、行政管理、應(yīng)急救援及指揮、醫(yī)療救助和軍地融合等任務(wù)。該船的成功建造和運(yùn)營(yíng)極大地提升了南海各島礁之間的交通和運(yùn)輸保障能力，為我國(guó)履行海上搜救、人道主義救援等國(guó)際責(zé)任提供了有力支撐。

“三沙2號(hào)”交通補(bǔ)給船總長(zhǎng)128 m，型寬20.4 m，結(jié)構(gòu)吃水5.7 m，共有9層甲板，可載客400名，額定船員76名，車(chē)道長(zhǎng)度240 m，服務(wù)航速20 kn，最大續(xù)航力6 000 n mile，入級(jí)中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS），掛中國(guó)旗。圖1為該船側(cè)視圖。作為一艘具有運(yùn)載旅客、滾裝車(chē)輛（包括裝甲車(chē)）、集裝箱拖車(chē)和補(bǔ)給淡水等功能的大型交通綜合補(bǔ)給船，該船的功能非常多樣化。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，由于船舶功能的多樣化和船舶的重要性，船體結(jié)構(gòu)除了要滿足客滾船的強(qiáng)度要求以外，還要滿足交通補(bǔ)給船的高安全性和便捷舒適性需求，以及其他常規(guī)船舶的使用要求。

圖1 “三沙2號(hào)”交通補(bǔ)給船側(cè)視圖

1 結(jié)構(gòu)重量和重心控制

由于客滾船的船型復(fù)雜，居住區(qū)面積較大，上層建筑層數(shù)較多，內(nèi)部裝修豪華，且對(duì)載重量有很高的要求，故其空船重量和重心控制一直是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，直接影響到船舶的穩(wěn)性和載重量等重要性能指標(biāo)。隨著“三沙2號(hào)”交通補(bǔ)給船建造項(xiàng)目的逐步推進(jìn)，船東對(duì)船舶的使用功能有所調(diào)整，特別增加了對(duì)醫(yī)療救助和軍地融合功能的需求，這對(duì)船體重量和重心控制是不利的。因此，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和舒適性滿足要求的基礎(chǔ)上，減輕結(jié)構(gòu)重量是船舶設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要研究課題。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究。

1.1 客艙區(qū)域減重措施

“三沙2號(hào)”交通補(bǔ)給船與其他常規(guī)客滾船相比，車(chē)輛艙較小，客艙所占區(qū)域較大。3甲板以上都是居住區(qū)域，面積大，層數(shù)多，這些區(qū)域結(jié)構(gòu)的重量和重心對(duì)全船的重量和重心有很大影響，因此對(duì)居住區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化和精細(xì)化設(shè)計(jì)非常必要。按照船級(jí)社規(guī)范的要求，在對(duì)船舶進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，只需對(duì)車(chē)輛艙的橫向強(qiáng)度進(jìn)行有限元直接計(jì)算，無(wú)需對(duì)客艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。為優(yōu)化客艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)，建立全船有限元模型，對(duì)客艙區(qū)域結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算，以便不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)尺寸，并對(duì)客艙區(qū)域的整體布置提出建議。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求的前提下，盡可能地減少客艙區(qū)域結(jié)構(gòu)艙壁的數(shù)量，增加支柱并優(yōu)化其位置，由此提高結(jié)構(gòu)的利用率。此外，為減輕上層建筑的重量，降低全船結(jié)構(gòu)重心，該船5甲板以上區(qū)域的內(nèi)圍壁全部采用5 mm厚的壓筋板結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的板筋結(jié)構(gòu)，這樣既能減輕結(jié)構(gòu)重量，又能減少船廠建造船舶時(shí)的薄板焊接和焊接變形控制工作量。

1.2 艏部區(qū)域減重措施

在CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2.15.3節(jié)“船首底部加強(qiáng)”中，對(duì)船首底部結(jié)構(gòu)布置提出了描述性規(guī)范要求，對(duì)船底板和船底縱骨尺寸也提出了要求。根據(jù)規(guī)范的要求，需對(duì)船首底部區(qū)域（0.7L至艏部，其中L為船長(zhǎng)）的強(qiáng)框架布置進(jìn)行加密，實(shí)肋板間距由4檔肋位改為2檔肋位，縱桁間距由5縱骨間距改為3縱骨間距，且肋板和縱桁板的厚度不變。為減輕艏部區(qū)域的結(jié)構(gòu)重量，對(duì)艏部結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行優(yōu)化，不采用加密布置，而是采用與貨艙區(qū)域相同的布置方案，即實(shí)肋板間距為4檔肋位，縱桁間距為5縱骨間距，并采用直接計(jì)算的方法校核艏部區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

經(jīng)過(guò)與船級(jí)社協(xié)調(diào)溝通，將船首強(qiáng)度直接計(jì)算分為以下2部分：

1）采用水動(dòng)力分析方法計(jì)算得到船首底部不同肋位處的砰擊載荷；

2）將載荷加載到結(jié)構(gòu)有限元模型中，校核船首底部板架結(jié)構(gòu)的砰擊強(qiáng)度。

計(jì)算結(jié)果表明，采用水動(dòng)力分析評(píng)估方法，艏部區(qū)域可減重約35 t，減重效果明顯，同時(shí)能降低結(jié)構(gòu)布置的難度。

1.3 艉軸區(qū)域減重措施

客滾船因線型的限制，其主機(jī)一般布置在舯部偏艉處，導(dǎo)致推進(jìn)軸系較長(zhǎng)。根據(jù)艉部線型的差異，艉軸一般有2種布置方案：人字架艉軸加短艉鰭方案和人字架艉軸加縱流型船尾方案。該船的艉軸布置初始方案為前者（見(jiàn)圖2）。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是伸出船體的艉軸管較短，軸系設(shè)計(jì)難度較??；缺點(diǎn)是船體濕表面積較大，結(jié)構(gòu)重量較大。為減輕船體重量，與其他專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)之后，改為采用人字架艉軸加縱流型船尾方案（見(jiàn)圖3）。在艉軸船體出口處直接采用鑄件過(guò)渡，以取消艉鰭，這樣雖然會(huì)增加設(shè)計(jì)和施工的難度，但能減輕結(jié)構(gòu)重量和阻力。同時(shí)，在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，在滿足施工和使用要求的前提下，通過(guò)反復(fù)優(yōu)化減輕鑄件重量。

圖2 人字架艉軸加短艉鰭方案

圖3 人字架艉軸加縱流型船尾方案

1.4 機(jī)艙區(qū)域減重措施

該船的機(jī)艙采用雙機(jī)、雙槳、雙舵布置，機(jī)艙區(qū)域較長(zhǎng)，占到了船長(zhǎng)的1／2，機(jī)艙前端壁接近于船中（0.5L處）。若機(jī)艙雙層底區(qū)域按常規(guī)布置采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，將不利于控制重量。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)艙時(shí)，除了規(guī)范強(qiáng)制要求的將主機(jī)下方結(jié)構(gòu)設(shè)置為橫骨架式結(jié)構(gòu)以外，其他區(qū)域盡量采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，以減輕結(jié)構(gòu)重量。

2 船體總縱強(qiáng)度

與常規(guī)客滾船相比，該船的布局對(duì)船體總縱強(qiáng)度存在以下不利影響。

1）在3～5甲板，船中0.4L向船首為客艙區(qū)，向船尾為車(chē)輛艙區(qū)。為提高客艙空間的利用率，減小舷側(cè)結(jié)構(gòu)所占空間，3～5甲板的舷側(cè)結(jié)構(gòu)（包括車(chē)輛艙和客艙區(qū)域）采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，對(duì)總縱強(qiáng)度不利。

2）4甲板只從船首延伸至船中，不能參與船中區(qū)域的總縱強(qiáng)度，而船中的總縱載荷最大，對(duì)總縱強(qiáng)度不利。

3）5甲板上的區(qū)域因船體外觀造型的要求，窗戶采用的是落地窗形式，導(dǎo)致舷側(cè)外板開(kāi)孔較大，結(jié)構(gòu)的連續(xù)性較差，對(duì)總縱強(qiáng)度不利。

為保證船體總縱強(qiáng)度滿足要求，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)船底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，選擇合理的結(jié)構(gòu)布置方式，使參與總縱強(qiáng)度的縱向構(gòu)件盡量多，特別是機(jī)艙區(qū)域，以滿足規(guī)范對(duì)總縱強(qiáng)度的要求。此外，上層建筑外板的大開(kāi)孔會(huì)嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度的有效性，并在角隅處造成應(yīng)力集中。采用有限元細(xì)化分析方法對(duì)角隅區(qū)域的總縱應(yīng)力水平進(jìn)行評(píng)估（見(jiàn)圖4），特別是艏艉的開(kāi)孔角隅，初始應(yīng)力值會(huì)遠(yuǎn)超衡準(zhǔn)值。對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)，并適當(dāng)增加板厚，以滿足設(shè)計(jì)要求，預(yù)防疲勞裂紋的產(chǎn)生。

圖4 上層建筑端部（艉端）有限元模型

3 柔性風(fēng)道設(shè)計(jì)

客滾船的機(jī)艙頂部甲板一般為車(chē)輛甲板，承受的載荷很大。該船的車(chē)輛甲板均布載荷為3 t／m，軸載荷為20 t，若機(jī)艙風(fēng)管按常規(guī)要求設(shè)計(jì)成剛性風(fēng)管，風(fēng)管結(jié)構(gòu)會(huì)作為強(qiáng)構(gòu)件參與承擔(dān)車(chē)輛甲板載荷。同時(shí)，該船的航速較高，主機(jī)功率較大，機(jī)艙通風(fēng)量也較大，結(jié)構(gòu)風(fēng)管的外形尺寸和板厚會(huì)較大，且風(fēng)管上的加強(qiáng)筋尺寸也很大，對(duì)通風(fēng)效果有很大的影響。此外，風(fēng)管出風(fēng)口的開(kāi)口一般在強(qiáng)構(gòu)件端部，不能滿足規(guī)范的要求，需額外考慮，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的難度，且對(duì)重量控制極為不利。在該船的設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新性地采用柔性風(fēng)道設(shè)計(jì)，用壓筋板（板厚為5 mm）做結(jié)構(gòu)風(fēng)管（見(jiàn)圖5）。通過(guò)計(jì)算并與船級(jí)社溝通，確定柔性風(fēng)道可不參與承擔(dān)車(chē)輛甲板載荷，車(chē)輛載荷仍由原船體結(jié)構(gòu)承擔(dān)。這種柔性風(fēng)道只需保證氣密性滿足要求，結(jié)構(gòu)尺寸可大大減小，出風(fēng)口的開(kāi)口也無(wú)需額外考慮強(qiáng)度問(wèn)題。從實(shí)船運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看，該風(fēng)道結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)強(qiáng)度問(wèn)題。這種柔性風(fēng)道設(shè)計(jì)既降低了結(jié)構(gòu)風(fēng)管的設(shè)計(jì)難度，又減輕了結(jié)構(gòu)重量。

圖5 縱向和橫向結(jié)構(gòu)風(fēng)管

4 艙室整體安裝對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

客船上層建筑強(qiáng)構(gòu)件腹板高度的確定通常有2種方案：一種是高開(kāi)孔腹板方案，管系穿過(guò)橫梁和縱桁；另一種是低腹板不開(kāi)孔方案，設(shè)置支架讓管系直接在橫梁和縱桁下穿行。在本文所述船舶的設(shè)計(jì)中，出于減小艙室層高和減輕結(jié)構(gòu)重量考慮，選擇低腹板不開(kāi)孔方案（腹板高度為230 mm）。但是，船廠在生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)改變了上層建筑客房區(qū)域的建造方案，對(duì)客房區(qū)域采用艙室整體安裝的建造方式，要求在橫梁上盡可能多地預(yù)留大開(kāi)孔（開(kāi)孔高度為180 mm），其他區(qū)域（如公共處所）的建造方式和結(jié)構(gòu)形式不變。考慮到2種區(qū)域的建造方式不同，為保證船廠施工的便利性，與船廠反復(fù)協(xié)調(diào)之后，只將客房區(qū)域的強(qiáng)構(gòu)件高度加大至340 mm，并預(yù)留足夠多的開(kāi)孔。從理論上看，這樣的結(jié)構(gòu)形式不再是傳統(tǒng)的梁系結(jié)構(gòu)，而是類(lèi)似桁架的結(jié)構(gòu)，超出了規(guī)范強(qiáng)度校核的要求，也不再適用經(jīng)典梁系理論，無(wú)法采用傳統(tǒng)的方法校核其強(qiáng)度。為解決該問(wèn)題，本文采用有限元細(xì)化模型分析代替規(guī)范強(qiáng)度計(jì)算，由此校核這種類(lèi)似桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。細(xì)化模型采用shell

和beam／bar單元仿真模擬船體艙段范圍內(nèi)的各構(gòu)件，細(xì)化區(qū)域網(wǎng)格大小為50 mm×50 mm。通過(guò)有限元分析，合理地確定結(jié)構(gòu)的尺寸和開(kāi)孔邊緣的結(jié)構(gòu)形式，由此降低構(gòu)件的應(yīng)力水平，提高結(jié)構(gòu)的安全性。典型的上層建筑橫梁有限元細(xì)化模型及其應(yīng)力水平見(jiàn)圖6。

圖6 典型的上層建筑橫梁有限元細(xì)化模型及其應(yīng)力水平

5 振動(dòng)和噪聲控制

該船屬于高速船，主機(jī)為中速機(jī)，扭矩激勵(lì)相對(duì)較大，螺旋槳激勵(lì)頻率相對(duì)較高。從布置來(lái)看，艉部具有全通車(chē)輛甲板，并設(shè)有2個(gè)艉門(mén)，開(kāi)口較大，艉部剛度較小，且滾裝設(shè)備較重，導(dǎo)致艉部結(jié)構(gòu)的固有頻率較低，與螺旋槳激勵(lì)頻率相差不大，存在共振的可能性，因而全船的振動(dòng)和噪聲控制為該船設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

5.1 振動(dòng)控制

在設(shè)計(jì)初期，從總布置入手，使上層建筑的主要分隔橫艙壁與主船體橫艙壁對(duì)齊，并盡量往船底延伸或由強(qiáng)力桁材支撐（如圖1所示）；上層建筑側(cè)圍壁與主船體縱艙壁對(duì)齊或采用縱桁支撐，并適當(dāng)增加支柱，提高上層建筑的剛性。

在設(shè)計(jì)后期，通過(guò)全船有限元模型計(jì)算全船的固有頻率及其在螺旋槳激勵(lì)力作用下的振動(dòng)響應(yīng)。另外，對(duì)艙室內(nèi)的板、板格和板架等局部結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，艉部有局部振動(dòng)超標(biāo)。對(duì)此，采取以下改善措施：

1）主機(jī)由環(huán)氧樹(shù)脂支撐墊塊安裝改為彈性安裝；

2）5～7 甲板艉部露天區(qū)域兩側(cè)改為全封閉結(jié)構(gòu)，加大6甲板、7甲板和8甲板部分區(qū)域縱骨的尺寸，提高艉部的整體剛度，使其固有頻率與螺旋槳倍葉頻激振力頻率錯(cuò)開(kāi)，降低共振的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)實(shí)船測(cè)試，該船的客艙、機(jī)艙和艉部等區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)均滿足振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且具有較大的裕度。

5.2 噪聲控制

在設(shè)計(jì)初期，主要通過(guò)合理的布置控制噪聲的傳播。在噪聲源艙室（如風(fēng)機(jī)室、機(jī)艙棚）外圍設(shè)置隔離空艙（見(jiàn)圖7），避免居住艙室布置在噪聲源艙室附近，并在兩者之間布置一些對(duì)噪聲要求不高的艙室（如過(guò)道、儲(chǔ)藏室等）。

圖7 風(fēng)機(jī)室隔離空艙

在設(shè)計(jì)后期，根據(jù)該船的噪聲計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙棚和車(chē)輛艙風(fēng)道附近有部分艙室噪聲超標(biāo)，而風(fēng)機(jī)室（設(shè)有隔艙）周?chē)撌业脑肼曃闯霈F(xiàn)超標(biāo)的情況。結(jié)合船廠的施工情況等因素，對(duì)超標(biāo)區(qū)域采取以下改善措施：

1）將機(jī)艙集控室天花板做成微穿孔吸音板；

2）在4甲板艙室與貨艙風(fēng)道公共圍壁處使用高隔聲板，增設(shè)阻尼；

3）在5甲板機(jī)艙棚與廚房相鄰側(cè)壁增加玻璃棉，在與餐廳相鄰側(cè)壁增加高隔聲板；

4）在甲板與機(jī)艙棚相鄰的右舷房間，其圍壁采用高隔聲板，天花和內(nèi)襯板采用微穿孔吸音板。

通過(guò)采取以上措施，實(shí)船試航的噪聲測(cè)量結(jié)果滿足衡準(zhǔn)要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)“三沙2號(hào)”交通補(bǔ)給船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

1）可通過(guò)優(yōu)化布置的方法減輕客艙區(qū)域和機(jī)艙艉軸區(qū)域的結(jié)構(gòu)重量；可通過(guò)采用水動(dòng)力分析方法評(píng)估船首底部砰擊強(qiáng)度減輕船首底部區(qū)域的重量。

2）與傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)風(fēng)道相比，柔性結(jié)構(gòu)風(fēng)道方案可避免風(fēng)道承受車(chē)輛甲板載荷，減輕結(jié)構(gòu)重量和降低結(jié)構(gòu)風(fēng)道的設(shè)計(jì)難度。

3）可采用桁架式強(qiáng)橫梁方案降低艙室整體安裝給船廠建造帶來(lái)的不利影響，充分發(fā)揮艙室整體安裝的優(yōu)勢(shì)。

4）對(duì)于對(duì)振動(dòng)和噪聲要求較高的船舶而言，可在設(shè)計(jì)初期通過(guò)定性分析設(shè)置一些預(yù)防措施（如隔艙等），在后期通過(guò)對(duì)全船進(jìn)行仿真計(jì)算采取相應(yīng)的改善措施，滿足相關(guān)規(guī)范和規(guī)則的要求。該船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)可供今后同類(lèi)型船舶的設(shè)計(jì)和建造參考。