大型汽車滾裝船薄板分段劃分研究

王 立

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

大型汽車滾裝船要求船艙內車輛通行及停放，船舶貨艙區域內往往具有通暢、無結構障礙的特點。貨艙區域內不設置橫艙壁，考慮到裝車數量、車輛布置、各層通道設計等主要因素，造成主要車輛貨倉寬度大，主體結構橫梁和縱桁較小，以增大各層甲板使用空間。主甲板以上甲板厚度6 mm～8 mm，屬于典型薄板結構。貨艙內設置二排H型支柱，以減少主體結構橫梁、縱桁的跨距，同時承受來自各層裝車甲板的平均載荷。滾裝船結構特點決定了滾裝船結構的橫向強度弱，船體容易發生扭曲變形。在分段運輸、吊裝過程中薄板分段結構必須考慮到結構變形的可能，因而分段劃分合理性對于船舶建造效率和質量具有重要意義。

隨交通運輸的發展，汽車滾裝船呈現大型化趨勢。其中承接的8 500車汽車滾裝船，是我國建造的首艘世界最大型汽車滾裝船。依托企業承接大型汽車滾裝船項目，開展薄板分段劃分研究，以提高船舶的建造質量和效率。

1 8 500 PCTC技術參數及船型概述

1.1 主要技術參數

圖1 內部結構

表1 主要參數表

1.2 船型特點介紹

8 500車汽車滾裝船外型如圖2所示，包含13層裝車甲板及頂層車庫（位于第14層甲板），其中的5層甲板為活動甲板，第五和第八層甲板為水密甲板，包含艉門和邊門兩進出通道。

各層甲板內部采用坡道連通，除一、三層甲板為固定式，其他皆為活動坡道。船舶推進為單機單漿尾機型、減租球鼻艏及方艉船型。

8 500車船型特點可概括如下：

1）寬體。更加有利于車輛布置。

2）上層建筑龐大，穩性要求高。

3）車輛艙為縱向骨架，橫向艙壁較少，采用高強鋼薄板結構，強度要求高。

4）安全性要求高。設置多水密隔間，滿足破艙穩性規范的要求。

5）節能環保性要求高，安裝SCR系統，滿足IMO NOX排放要求。

6）系統龐雜。包含無人機艙、一人橋樓、Ro-Ro系統等各種系統，保證整條船的正常運營。

7）船體薄板重量占整船重量 75%以上，高強鋼占比達63%。

圖2 8500PCT C船

2 薄板分段劃分原則

2.1 運輸與吊重

分段主體尺寸和重量決定因素包括：船廠的起重能力、運輸能力。對于鋼材，則采用水路運輸，由材料碼頭起重機從駁船上卸料，再通過平板車將鋼材從材料碼頭運輸到鋼料堆場。鋼料堆場內鋼板吊運采用電磁吊運，型鋼則采用成捆吊運，以減少變形。依據企業現有設備起重能力，起重船塢塢龍門吊為800 t，設計最大薄板總段重量≤600 t；大型平板車最大負載 420 t，設計薄板大組立最大重量≤380 t；小型平板運輸車最大負載134 t，設計薄板中組立最大重量≤100 t?？紤]實際智能薄板生產線生產能力和車間設備生產布置，薄板小組立尺寸為12 m×8 m×3 m，最大重量≤50 t。分段重量計算原則包括：結構重量、臨時加強材料、預舾裝管路、預舾裝小型設備等。

2.2 生產計劃和勞動量

依據交船日期，設定以生產部為中心的建造組織計劃，設立專項管理項目組。對于主要場地，如分段堆場等，采用下述原則：8 500車汽車滾裝船側向投影面積8 049 m2，因此實際分段堆場面積至少應為側向面積的1.4倍，即為11 268.6 m2?？紤]汽車甲板為薄板結構，吊裝、焊接易變形，分段合攏精度控制難，因此船體上層建筑采用先舷側，在平面合攏方法；主船體采用先中間，后兩邊分段合攏方式，尾部在總段合力方法；同時為縮短船塢建造周期，采用一船半建造方法，以提高生產效率；船體生產設施工作班制主要為兩班制，年工作日為250天，工人設計年時基數則為1 790 h。因此如年造產品計劃，按照豪華郵輪1條、滾裝船（Ro-Ro）2條、客滾（Ro-pax）船2條，物量如表2所示。

表2 分段劃分數量說明

2.3 主要工藝原則

主要工藝原則有以下這些：

1）汽車滾裝船、郵輪、客滾船等主甲板以上以規則薄板結構為主，按照薄板生產線設計的生產設施按最大鋼板尺度12 m×3 m，單張鋼板最大重量10 t，最大型鋼長度12 m配置，設定室內生產中組立分段最大尺度為12 m×18 m，最大重量為100 t，小組立最大尺寸12 m×8 m，最大重量為50 t。

表3 部分分段主要尺寸

圖3 薄板分段生產線

2）起重機吊運鋼材時，鋼板采用電磁吊型式，以減少變形，型鋼采用成捆吊運。

3）鋼板切割方面，利用現有數控等離子切割機、高精度門式切割機，并添置激光切割機，以提高切割精度，減少由熱輸入引起的變形。

4）型材切割使用型鋼自動切割流水線。

5）型材的彎曲加工采用肋骨冷彎機。

6）室內生產分段最大尺度為12 m×18 m，最大重量為100t。

7）薄板平面分段生產采用平面分段流水線，且流水線要求具備銑邊功能。

8）薄板平面分段在室內進行反態建造，使用專用裝置進行翻身。

3 薄板分段位置劃分研究

3.1 車輛甲板分段

1）分段的長度

依據汽車滾裝船車輛甲板縱骨架式特點，有限元吊裝結果如圖4～圖6所示，分段模型加強后模型中板單元最大應力192 MPa，滿足材料許用應力要求（規范值≤235MP）和鋼板規格，一般取12 m～20 m，最長不超過22.5 m。

圖4 板厚及吊裝邊界條件

圖5 結構修改后應力分布和結構厚度圖

圖6 結構加強

2）總體分段的橫向劃分要求

根據汽車甲板板結構特點，8甲板上及以上板厚6 mm，5～7甲板甲板厚8 mm～7 mm，主船體車輛甲板板厚為12 mm～8 mm，上層建筑分段端借口應遠離支柱300 mm，避免通道、電梯、主排煙通道等如圖7所示。

為利于船塢總組，船體橫向分段，劃分3大部分，包括兩邊舷側分段和車輛甲板分段如圖7所示。

考慮到車輛甲板為平直結構，其中分段連接處采用平斷面形方式連接。

3）分段的縱向劃分要求

根據車輛甲板平直結構特點，其縱向分段劃分，以船中為界，分左右對稱劃分，其中船艉門等特殊部位，單獨劃分。如圖8所示。

4）分段高度的劃分要求

車輛甲板分段主要包括：甲板薄板結構、甲板縱骨結構、甲板強橫梁結構等，舷側分段高度最高為5甲板高度，車輛區為3層甲板高度，以薄板減少吊裝變型。

5）PSPC規范要求

圖7 橫向分段劃分

圖8 縱向分段劃分

根據PSPC規范要求，分段合攏縫前后250 mm范圍內如果造成涂層破損，則不計入規范所規定的2%破損面積。按照該原則，進行分段劃分時合攏縫位置應避開肘板、艙口角隅加強板等結構，將這些分段散件分別歸入各個分段內部，做到單個零件不跨分段。在建造過程中，避免了在涂裝之后進行分段合攏縫前后的結構焊接，減少了涂層的破壞。

因此薄板分段最大定為16.0 m，高15.5 m，共計108個分段，30個總段，見圖9和圖10。

圖9 上建車輛甲板分段和總段劃分

圖10 車輛甲板分段、舷側結構

3.2 頂部上建分段

圖11 薄板分段吊裝應力分布圖

頂部上建（包括甲板室）分段的高度均按甲板層劃分，即為其本身的高度。由于上層建筑結構較弱，剛性不足，當長度較大時，可在橫向劃分為若干段。通常上層建筑分段不作縱向劃分?？紤]對上層建筑的舾裝有完整性要求，當上層建筑分段單獨完成后，可在平臺區總組成多層上層建筑的立體總段，以利進行上層建筑整體舾裝。為此，當上層建筑分段橫向劃分時，上層建筑各層的橫向接縫，最好布置于同一船體橫剖面上[7-8]，如圖11和圖12所示，H102S段位置Y=-6435 Fr218～220之間的門框上方應力達247 MP。如圖10所示，表示應力為49.7 MPa～62.1 MPa，滿足許用應力要求（規范值≤235 MP）。

圖12 結構修改后應力分布和結構厚度圖

3.3 主船體分段

1）主船體分段的橫向劃分要求（圖13）

圖13 底部分段劃分

主船體相較于上層建筑，甲板厚度較厚，主要乘裝重型車，雙層底以支柱跨度為依據，劃分分段大小，長最大約14 m，寬最大約11 m。

2）主船體分段的分段縱向劃分（圖14）

滾裝船底部為縱骨架式，縱向劃分以支柱為跨距為依據，劃分為左、中、右3部分。

3）分段高度的劃分（圖15）

實際滾裝船為雙層底結構，因此雙層底處分段高度以雙層底高度為基準，其它分段以2層甲板高度為界確定分段高度，其中雙層底約 2.8 m，一層甲板至三層甲板分段高度約 6.5 m，三層甲板至主甲板高度約6.5 m。

3.4 艏、艉分段

考慮其主船體艏、艉處的結構，當采用艏、艉段形式進行單獨劃分，艏部以防撞艙壁為界，劃分包含球艏分段、艏側推間分段等，艉段為艉艙壁為界，劃分舵機間分段，艉軸轂分段等，如圖16所示。

圖14 底部縱向劃分

圖15 主船體底分段

圖16 艏、艉分段

4 結論

通過對船體重量統計、船廠分段堆場和生產組織進行分析，研究指定薄板分段劃分原則，結論如下：

1）全船預舾裝率提高到92%以上。

2）依據企業2018年底生產效率統計數據，規劃后片體生產效率提高35.81%，小組立生產效率提高40.45%，平面分段生產效率提高24.31%。綜合提升效率取上述各工段算數平均值，綜合生產效率提升31.24%。

3）采用有限元方法，對大型薄板分段吊裝分析是一種有效的檢驗分段劃分是否合理的判斷手段。