19.8 m沿海雙體船結構優化設計

俞東旭，俞 英，王 健，高蓓科

(1.平湖華海造船有限公司，浙江 平湖 314200；2.上海交通大學，上海 200063；3.上海賽盟海事技術有限公司，上海 200063)

0 引言

雙體船因其甲板開闊、航行穩定、易于操縱等優點而倍受世界各國關注，成為近年來迅速崛起的一種高性能船型。雙體船采用強力構架(連接橋)將兩個大小相等、相互平行的船體連成一個整體，廣泛應用于海洋調查、海上運輸、海上救援等近海任務。連接橋作為雙體船的關鍵部件，所受的波浪載荷較為復雜，橫向剛度較常規船舶偏弱，因此對雙體船的結構強度和安全性能有著至關重要的影響[1]。許雙喜等[2]對某內河雙體集裝箱船開展了橫彎強度縮比模型實驗和數值仿真分析，并采用圓弧過渡有效緩解了在連接橋底板折角處的應力集中；于興鵬等[3]對某雙體風電運維船建立整船有限元模型，根據雙體船各部位的應力分布規律，對連接橋結構進行方案調整；張旭等[4]采用有限元仿真方法對一艘新型小水線面雙體船進行強度校核，研究在橫向載荷作用下的結構強度和應力分布特性，進而給出結構優化設計方案。由此可見，船型、作業工況、航行海況等因素都對雙體船的結構強度和應力分布特性有著重要的影響，需要前期通過輔助計算和設計來修正結構參數。

本文研究的雙體船總長19.80 m，型寬9.90 m，滿載吃水1.25 m，型深2.50 m，滿載排水量47 t。主船體采用鋼質單甲板小水線面雙體形式。推進系統采用電力推進，由2套柴油發電機組供電給兩臺交流電動機，同時驅動全回轉舵槳推進器為全船提供動力，主要用途為海上試驗保障。由于雙體船結構較為獨特，航行過程中所受載荷較多，為此本文結合沿海雙體船的結構設計和工作特點，對該雙體船的布置設計技術進行研究，以提升船舶建造質量。

1 機艙設備布置優化

小型沿海雙體船工作航速低、工作時長短、工作海況小。因為其結構特點的特殊性，使得其機艙空間相比普通單體小型船舶更為局促。為了解決小型海上雙體船機艙設備布置困難的難題，提出以下優化方案：

(1)采用全電推進方式

傳統船舶推進系統由主機(柴油機或推進電機)、齒輪箱(或推力軸承)、軸系、螺旋槳組成。本船將傳統的船舶推進系統改為由主機(推進電機)、舵槳組成；舵槳推進系統采用上安裝形式，既節能環保，又便于空間布置。

(2)采用全回轉舵槳轉向系統

傳統的船舶操縱系統由操舵裝置(駕控臺+機房組成)、液壓管路+電路、推舵裝置(液壓油缸)、執行機構(舵柄+舵桿+舵葉)組成。現將傳統的船舶操縱系統改為由操舵裝置(駕控臺+機房組成)、液壓管路+電路、舵槳(具備推進與轉舵功能)組成。本船轉向裝置由全回轉形式的舵槳組成，替代常規舵葉裝置。舵槳裝置由推進電機及其配套的連接軸等組成，舵槳裝置可以 360°轉向。

(3)改變傳統的船舶機艙與舵機艙的布局方式

傳統的船舶機艙與舵機艙為2個獨立的艙室。機艙內一般布置有主機(柴油機或推進電機)、齒輪箱(或推力軸承)、軸系、發電機組及其他輔助機械設備；舵機艙內一般布置有舵機泵站、推舵裝置(液壓油缸)、執行機構(舵柄+舵桿)、舵機電控箱等。這樣的設計使得小型船舶的機艙空間過于局促，而舵機艙則相對寬敞。本船將傳統的船舶機艙與舵機艙的布置改為：將主機從機艙內移到舵機艙內，主機改為尺寸小且功率大的電動機。優化后舵機艙的空間得到充分利用，見圖1。

圖1 舵槳艙優化設計圖(側視圖)

2 通風系統優化布置

由于艙室空間的局限性，小型沿海雙體船艙室空氣不流通，空氣質量差，風管布置較為困難，為此提出了以下優化方案：

(1)根據船舶結構特點，充分利用有限的空間，借用船舶結構圍壁等構件組成合壁風管(結構風道)，避免制作獨立風道而占用艙室空間，引發其他布局設計問題。

本船在機艙入口(機艙前端)處利用上層建筑圍壁制作了一道合壁風管，在機艙尾部利用上層建筑圍壁和連接橋抗扭箱結構部分也做了一段結構風道。通過前后設置進出風管的方式解決了機艙空氣對流問題，同時也避免了在機艙制作獨立風道而占用的艙室空間。

(2)設置機械通風系統。本船在外圍中后部位的轉角處增設了軸流風機及相關結構風道。通過增加機艙的強制機械通風系統，解決了在自然通風不足的情況下，機艙內新風輸入不足問題。

(3)充分利用空間對流的特性和機械排風+自然進風的綜合進風方式，實現艙室內的換氣，如本船的衛生間、蓄電池間、電氣設備間，見圖2。

3 連接橋焊接工藝優化

由于小型沿海雙體船普遍存在連接橋結構弱且構件尺寸無法做大等問題，故而通常在連接橋的首尾部分設置小型抗扭箱結構，以改善連接橋部分甲板的橫向強度。然而小型抗扭箱箱體空間狹小，人員難以進入施焊，為此，對傳統的焊接工藝和焊接順序進行了改進。根據焊接的強度主次要求，采用先焊主甲板及其構件，再焊濕甲板構件，然后采用小板拼接+塞焊的方式完成抗扭箱底部濕甲板的焊接，從而保證了抗扭箱的總體結構強度。

圖2 通風系統優化布置圖

4 試驗裝備收放區域布置技術

本文研究的雙體船作為一艘海上試驗保障船，經常要進行設備投放等操作。在海上進行試驗設備投放與回收過程中，受風浪的影響，作業過程中投放與回收難度較大。為此，結合小型沿海雙體船本身連接橋底部空間的特點，特設計試驗裝備收放區域，見圖3。

圖3 試驗裝備收放區域布置圖

(1)在艉部連接橋區選擇一塊區域，將其周圍形成一塊三面環合的區域，以減小試驗設備投放與回收過程中風浪的影響。同時，在左右片體的內側設置低于主甲板且靠近水面的作業平臺，以提高試驗操作的可靠性。

(2)在平臺內側設置滑軌和滑蓋，采用電動推拉系統。當作業時，滑蓋可向前滑動隱藏到連接橋下面；非作業時，滑蓋向后滑動封閉該區域，使該處的連接橋保持完整，可最大程度地降低風浪的影響。

5 船首防上浪分水導流裝置設計

由于小型沿海雙體船普遍吃水相對較深，因而船舶在海上作業時，容易受到涌浪抨擊傷害，存在較大的安全隱患。為此，特地設計了船首防上浪分水導流裝置，以減小海上作業時涌浪抨擊的影響。

改變艏部連接橋抗扭箱的外形后，船舶遇到上浪狀況時，可以進行分水導流。其外形特點如下：中部呈尖底，前后為斜板，中前分流尖艏，兩翼呈下壓設置且成片體內側外板相連，使其橫剖面形狀如同一個倒“山”字形，見圖4。

圖4 防上浪分水導流裝置底視圖

6 結論

(1)通過優化船舶推進方式、操縱方式及機艙與舵機艙的布局方式，實現了艙室合理布置目標，解決了機艙設備布置困難的難題。

(2)通過利用船舶結構圍壁等構件組成結構風道，設置機械通風系統，采用機械排風+自然進風等方式，解決了艙室空氣不流通、空氣質量差、風管布置困難等難題。

(3)通過設置小型抗扭箱，改變傳統的焊接工藝和焊接順序，提升了結構強度，解決了連接橋結構弱且構件尺寸無法做大的難題。

(4)通過設計試驗裝備收放區域，減少了風浪影響，確保海上試驗設備投放與回收過程中的安全可靠。

(5)通過改變艏部連接橋抗扭箱的外形，將其橫剖面形狀設計成倒“山”字形，實現分水導流作用，減輕了海上作業時涌浪抨擊對船體的傷害。