22車位車客渡船優化設計

于圣堂,　王　丹

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術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長橫渡輪站擴建及新石線車客運輸的需求建造的,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型船設計。因10 a中法規和規范都有大量的修改，海事部門也有一些新要求和新規定，原來船型的尺度和布置已不能完全滿足防火和逃生等現行規范的要求。根據船舶所有人及規范、法規的新要求，對該船的船舶主尺度和局部布置進行重新設計,著重圍繞控制噸位、提升抗風能力、降低船舶質量和防止船舶振動開展優化工作。

1　船舶基本概況

1.1　船型及船舶主要參數

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

表1　船舶主要參數

1.2　總體布置

該船設有主甲板(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型東風貨車或4輛40 t集裝箱卡車，旅客甲板最大定額人數為299人。車輛甲板艏艉兩舷設置有升高平臺，艏部平臺布置錨絞機及系泊設備，艉部平臺設置系泊絞車和系泊設備。為減少船舶受風面積及降低空船質量，并結合美觀性，船中兩舷各開設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　船舶總噸優化

交通運輸部、省級港口行政管理部門規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有船員艙室和供乘客休息的大客艙，導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(占全船總容積30%以上)，初步核算本船總噸達到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人數的要求及規范對客艙區布置的要求，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　提高抗風等級

根據交通運輸部(交通發[2014]199號文)的要求，渡船應標明載客(車)定額及抗風等級等有關安全注意事項。

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級風的天數較多。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能力必須較原Ⅱ型船的抗風能力有所提高。

由于《內河船舶法定檢驗技術規則》2016修改通報及《內河客船和渡船抗風等級核定辦法》對船舶的風壓穩性衡準都提高了要求，對原Ⅱ型船重新進行抗風等級核定，由計算結果可知，原船雖能達到抗8級風，但是風壓穩性衡準數Kf值及突風衡準K值在滿載出港、到港及滿載客貨到港狀態的余量較小。因此，需對穩性有影響的船舶參數進行調整。

增加型寬可有效提高穩性，但型寬的增加對快速性不利。而適當增加船長和型深，以增大船舶的復原力矩和提高最小復原傾覆力矩，整體提升船舶抵抗風壓的能力，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,該船的抗風能力也得到較大的提高。經綜合考慮，最終采用增加船長和型深的方案見表2。船舶的風壓穩性衡準數與抗風等級[2]對應表見表3。

4　空船重量優化

為保證設計航速，該船線型設計較為尖瘦，方形系數僅為0.541，每厘米吃水噸數只有6.15 t，空船重量若不嚴格控制，易發生超重現象。因此，對質量進行專業詳細的統計與優化，結構和舾裝專業在設計中采取以下降重的措施。

表2　該船與原Ⅱ型船各種工況穩性衡準數表

表3　船舶的風壓穩性衡準數與抗風等級對應表

注：風壓穩性衡準數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，經規范計算上層建筑(甲板室)的外圍壁板厚應≥3.74 mm，上層建筑(甲板室)甲板的板厚應≥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范選取,為防止板材厚度選取過薄而發生較強的振動，對上層建筑進行振動計算分析，計算結果表明，上層建筑的固有頻率超過共振頻率的30%，上層建筑不會發生明顯振動現象，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構質量。

4.2　采用直接計算法避免鋼料增加

規范要求船底骨架(船底縱骨、旁內龍骨)應向艏艉端盡量延伸,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，若底部縱骨繼續延伸將超出實肋板與舷側肋骨交界，進入舷側范圍，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量。經與船檢的溝通，對艏部未延伸區域外板采取直接計算的方法校核屈曲強度,計算結果表明，在不延伸骨架的情況下，外板屈曲強度仍滿足規范要求,通過直接計算避免船體鋼料增加約0.5 t。

此外，根據規范的規定，滾裝處所強力甲板下的機艙內應設置縱向桁架。但由于該船機艙空間較小，若設置縱向桁架，不但會造成機艙內設備布置困難、通行不便，也會導致鋼料增加。為解決該問題，在機艙內采取設置支柱的措施，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件應力進行校核(見圖6～圖9)。該船機艙內設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　板材正應力圖

圖8　板材變形圖

圖9　骨材應力圖

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，質量會相差很大，故對裝潢材料的選用需特別慎重。

船舶常規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復合巖棉板，這些材料雖然價格相對較低，但密度較大。對于質量控制要求嚴格的船舶(客船、高速船、艇類船舶)，選用這些材料時應格外謹慎。

由于該船對質量較為敏感，為控制空船重量，防火材料選用密度為130 kg/m3的MJLB-3復合氧化鋁，相對選用陶瓷棉減少質量約為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量約為復合巖棉板的10%，相對選用復合巖棉板減少質量約為3.3 t。

在艙室地板的選擇上，為降低質量，除駕駛室鋪設復合地板外，船員艙室和包間均敷設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量降低約為4.9 t。

4.4　錨鏈長度及錨的選取

根據舾裝數,該船錨鏈總長應為330 m,但船舶航行區域水深的最大水深僅為20 m,錨鏈的長度明顯不合理。經與船檢協商，同意將錨鏈總長作適當減少，依據船舶所有人提供的水文條件，結合《鋼質內河船舶建造規范》的要求，每舷錨鏈長度需78.5 m,船檢最終認可每舷錨鏈長度可減少55 m，錨鏈總長減少至220 m,減少的錨鏈質量約為2.54 t。

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

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

5　船舶振動的預防

在設計過程中，對可能發生振動的不同區域作了充分的考慮。

螺旋槳頂部區域(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，在保證船舶浮態的情況下，將淡水艙靠近螺旋槳區域布置，用以吸收部分振動波，削弱螺旋槳產生的激振帶來的振動。

尾軸管區域(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]，導致船體結構的疲勞，對尾軸管區域的尾鰭肋板和外板進行特別的加強。

在實船試航中，船員艙室及乘客活動區域均無明顯振動，各區域測量的振動數據均低于規范要求值。

圖10　螺旋槳區域加強

圖11　雙尾鰭外板局部加強

圖12　雙尾鰭內橫隔板加強

6　結　語

對22車位車客渡船設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，滿足了碼頭最大靠泊能力的要求；通過適當調整船舶長度和型深的措施讓該船的抗風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：

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

[2]中國船級社.內河客船和渡船抗風等級核定辦法[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.