45000t集裝箱滾裝船結構設計

歐陽杰，沈朝暉

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

設計與研究

45000t集裝箱滾裝船結構設計

歐陽杰，沈朝暉

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

45000t集裝箱滾裝船的設計理念與常規集裝箱滾裝船完全不同，其將船體中部設置為滾裝區域、將艏艉設置為集裝箱區域，并對主甲板以下的集裝箱貨艙采用大開口、無艙蓋設計。這種創新的設計方法可有效減少船舶航行中的壓載水量，最大化載貨量，提高船舶的經濟性。45000t集裝箱滾裝船作為一種全新的船型，其船體結構相當復雜，重點介紹其結構特點和設計難點及在設計過程中需要考慮的強度計算問題，并對關鍵部位的設計進行說明。該船結構的設計方法可供同類船舶設計參考。

集裝箱滾裝船；總縱強度程度；剛性設計；滾裝設備；過渡結構；疲勞強度分析

0 引 言

滬東中華造船（集團）有限公司設計建造的45000t集裝箱滾裝船是目前世界上最大、最先進的集裝箱滾裝船，同時具備集裝箱船和滾裝船的特點，體現了2種船型設計技術的進一步發展。

為提高集裝箱裝卸效率，該船的集裝箱貨艙采用大開口、無艙蓋、無綁扎和超高連續導軌架設計。目前絕大多數集裝箱滾裝船都將主甲板以下貨艙布置為滾裝貨艙，集裝箱堆放于主甲板以上；而該船為載貨量最大化，將滾裝貨艙主要布置在船體中部，并使滾裝區域通道穿過機艙區域，將集裝箱區域分成2部分，分別布置在艏部和艉部。這種獨特的布置可有效減少船舶在滿載/重載航行下的壓載水量，提高船舶的經濟性。該船實船圖見圖1。

1 船型特點

根據裝載手冊確定包絡線（彎矩、剪力及扭矩曲線）是結構詳細設計的前提。考慮到特殊的貨物裝載布置，船舶在正常航行過程中會處于中拱狀態，且中拱彎矩較大，因此采用縱骨結構形式。由于該船前部集裝箱貨艙采用大開口、無艙蓋設計，因此必須滿足國際海事組織海上安全委員會（MSC）的相關要求，即MSC/Circ.608/REV.1。在確定彎矩和剪力曲線時要考慮到前部集裝箱貨艙進水的影響，具體的進水量需通過水池船模試驗求得。同時，船舶的總縱強度、局部強度和極限強度要滿足集裝箱貨艙完全進水工況下的強度要求。

滾裝區域主要位于船舶中部，除7層固定甲板以外，在三甲板與七甲板之間還設置有4層活動甲板。滾裝貨艙可裝載多達11種車輛（如轎車、拖車、鏟車、超長拖車（35m）、超重平板車（240t）等）。除普通滾裝貨以外，還可裝載集裝箱、大型工程機械等，最大能裝載長35m，高7.45m的車輛。為滿足裝載超高、超寬特種貨物的要求，在艉部布置有大型艉門、進口坡道，坡道上左右舷各布置有1個大型水密門，這些大型水密門門框四周的結構必須具有足夠的強度和剛度，以保證破艙情況下水密門的密性要求。

2 結構設計

2.1 主要設計難點

由于特殊的貨艙布置形式，該船的結構設計相當復雜，主要體現在以下6個方面：

1) 從艉門進來有3條主要通道。其中，左邊通道（為坡道）通往二甲板、內底板；中間通道（為坡道）通往三甲板以上的滾裝甲板；右邊通道（為平直通道）是通往三甲板的車輛通道。這3條通道經過艉部（含機艙區域），導致該區域結構完全不對稱，加上斜縱壁、斜坡道及斜坡道頂等斜面眾多，需要與平直結構合理過渡，經常出現3個面交叉的節點，過渡相當復雜。對于縱向連續結構，在計算總縱強度時需經過直接計算確定其參與總縱強度的程度。圖2為艉門、進口坡道圖。

2) 滾裝區域由于裝載車輛種類繁多，板厚、骨材及主要支撐構件的強度校核工況十分復雜。圖3為滾裝貨艙中間支柱圖。

3) 位于中部的滾裝區域，在主甲板（四甲板）與五甲板之間的外板、內縱壁及五甲板一定程度上參與船體總縱強度的計算。由于前后過渡區域構件有較大的突變，因此要進行大量的有限元細化分析，合理過渡，確保其結構強度及疲勞強度。

4) 整個滾裝區域除了僅綁扎小轎車的綁扎點不需要結構加強以外，其余近萬個綁扎點都需要按照規格書要求的12.5t的設計載荷進行結構加強。

5) 對于各個滾裝設備，在合理布置的同時需對其進行結構加強，尤其是3個水密門，還要考慮破損工況下門框周圍結構的變形情況，保證破損時門的水密性。

6) 滾裝區域的通風系統和水消防系統是45000t集裝箱滾裝船的設計難點之一，需要與通風專業及管系專業人員不斷協調，合理布置 59臺風機，保證風量，并在狹窄的舷側雙殼結構內布置消防、落水箱體結構。

2.2 主要節點結構強度分析

集裝箱船和滾裝船是2種截然不同的船型，主要結構布置完全不同。大開口的集裝箱船主要采用舷側的抗扭箱和根據堆箱圖布置的各層舷側甲板、縱艙壁來保證其總縱強度，同時在橫向上設置橫艙壁來保證其橫向強度和抗扭剛度[1]。而滾裝船則主要靠各層全寬甲板及甲板縱桁、舷側雙殼結構、底部雙層底結構來保證總縱強度。45000t集裝箱滾裝船主甲板以上的中部滾裝區域的連續縱向構件必然要承受總縱彎曲應力，而這些構件參與總縱彎曲的程度很難用規范給出的計算方法來確定。王佳穎等[2]利用有限元計算模型，沿船長方向應用懸臂梁原理，在各個強框架上施加垂向載荷，以得到包絡線所要求的彎矩值（靜水彎矩+波浪彎矩），從而得到各縱向構件所受的總縱彎曲應力，進一步獲得這些構件參與總縱強度的效率。圖 4為中部滾裝貨艙五甲板參與總縱強度的范圍。

從圖4中可看出，利用有限元計算模型得出的五甲板實際有效參與總縱強度的范圍大致在突變處（或開孔處）起至斜向30°范圍內，高于規范要求的15°斜向范圍。對于其他縱向構件的大開孔處、截面突變處，可采取類似的計算方法，從而優化設計。

同時，從有限元應力分布圖上可發現，外板在前后過渡區域處有明顯的應力集中現象。為使結構合理過渡，減小應力集中，在向艉處采用弧形設計（見圖5），并通過增加面板來減小應力；而在向艏處采用箱體結構（見圖6）。

45000t集裝箱滾裝船在Fr108和Fr231處的主甲板下設置2道橫艙壁，為提高有效載貨面積及便于滾裝區操作、運營使用，滾裝區域甲板的船寬方向上只在船中設置一排中間支柱。這些支柱與滾裝區域前后橫艙壁及舷側雙殼結構共同承受來自各層甲板的貨物載荷，處在最底層的支柱承受的垂向載荷最大，其下方的高應力區域的支撐結構是局部艙段有限元計算校核的重要節點。滾裝區域底層支柱支撐結構形式及有限元應力分布見圖7。

當船舶發生橫搖時，甲板上的滾裝貨物會引起較大的橫向慣性力[3]。這些橫向力會通過甲板強橫梁傳到舷側，因此將五甲板以下的舷側設計成雙殼結構可有效抵抗船舶橫搖時發生的扭曲變形（Racking變形）。同時，由于左右舷水壓不對稱，會產生較大的橫向彎矩。橫向強框架靠近舭部的區域為高應力區，因此將舷側設計成邊艙結構形式，以增加抗彎剛度和抗剪剛度。此外，橫向彎矩會在強橫梁端部與縱向結構連接處產生附加應力，由于受到凈高限制，因此只能通過增加強橫梁端部腹板厚度及面板寬度來降低該應力（見圖8）。

對于五甲板以上的橫向結構，采用剛性設計理念，即在舷側設置垂向T排與橫向強橫梁對齊，通過所形成的完整環形框架來共同抵抗Racking變形。

2.3 關鍵節點疲勞強度分析

在船體結構的高應力處，構件連接部位的應力集中是導致船體結構疲勞損壞的主要因素。基于美國船級社（ABS）疲勞強度譜分析直接計算指南，經與船級社反復溝通，選擇滾裝區域與艏艉集裝箱區域過渡處縱艙壁與橫艙壁的交點的4個位置進行全概率譜分析驗證（見表1）。

表1 關鍵節點疲勞強度分析

設計波浪環境按照ABS計算指南[4]，采用國際船級社協會（IACS）推薦的基于雙參數Bretschneider 波譜的 No.34北大西洋波浪散布圖；波浪頻率范圍為0.2～1.85rad/s，每隔0.05rad/s遞增；裝載工況選擇“均質貨物、夏季載重吃水、滿載到港”。

從表1中可看出滾裝區域向艏過渡的主甲板艙口角隅處易產生疲勞強度問題，類似于常規集裝箱船的主甲板機艙區域與貨艙區域過渡處。因此，采用大型集裝箱船類似節點處的特殊弧度過渡的設計方法，過渡形式見圖9。

不同于常規的集裝箱船，45000t集裝箱滾裝船因中部存在滾裝貨艙而使得艏部集裝箱貨艙的開口較大，在主甲板兩側沒有縱向連續艙口圍，導致其抗扭剛度較小。為滿足扭轉強度及總縱強度下的結構合理過渡要求，從中部滾裝貨艙前壁開始，向艏在主甲板兩側增加箱體結構（如圖 6所示），長度延伸到滾裝貨艙前面第一個大開口集裝箱貨艙為止。該部分箱體結構在有效減小主甲板艙口角隅處總縱彎曲應力的同時，增加了艙口角隅處的疲勞壽命。

3 結 語

隨著全球造船市場競爭和成本壓力日益加劇，我國在常規船型設計建造方面的優勢正逐步減弱。面對日益細化的航運市場和船東的多樣化需求，集裝箱滾裝船作為高技術、高附加值、節能環保型船舶，具有良好的發展前景。45000t集裝箱滾裝船的設計建造對進一步拓展船舶國際市場、進一步增強應對市場變化的能力及我國船舶行業的在國際市場上的競爭力具有重要的意義。

[1] 韓鈺，陳磊，王偉飛，等. 超大型集裝箱船的結構設計[J]. 船舶與海洋工程, 2015, 31 (4)： 10-17.

[2] 王佳穎，金燕子，楊仁記. 大型集裝箱滾裝船全船結構有限元分析[J]. 中國造船，2015 (4)： 57-67.

[3] 鄭剛，顧曄昕. 汽車運輸船的結構設計[J]. 上海造船, 2008 (2)： 16.

[4] ABS. Rules for the classification of steel ships[S]. 2013.

Structural Design of 45000t Con-Ro Ship

OUYANG Jie，SHEN Zhao-hui
（Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

The 45000t Con-Ro ship is a brand new ship type with very complicated hull structures. It adopts completely different design concept from conventional Con-Ro ships, in which the middle hull area is arranged for ro-ro cargo and the fore and aft areas for container. It also adopts the large opening and hatchless design for the container compartment below the main deck. The innovative design can effectively reduce the amount of ballast water in operation, maximize the loading capacity and improve the economic efficiency of the ship. This paper mainly introduces the structural characteristics, design difficulties and the strength calculation problems in the design, and elaborates the design of critical positions. The solutions for the structural design problems and the design methods of the ship could be a reference for the design of similar ships.

Con-Ro vessel; global longitudinal strength; rigid design; ro-ro equipment; transition structure; fatigue strength analysis

U674.13+8

B

2095-4069 (2017) 01-0001-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.001

2016-03-30

工信部高技術船舶科研項目（工信部聯裝[2012]534號）

歐陽杰，男，高級工程師，1982年生。2004年畢業于哈爾濱工程大學，現從事船體結構設計工作。