船舶滾裝通道結構設計標準與輕量化設計分析1

詹志鵠，王麒淋，沈奕成

（中國船級社，a. 上海規范研究所；b. 船舶與海上設施結構安全實驗室，上海 200135）

0 引言

汽車滾裝船（Pure Car and Truck Carrier，PCTC）是滾裝船的一個新興分類，設有多層汽車甲板、升降平臺、汽車坡道等結構。PCTC 裝載貨物較為單一，具有裝卸效率高、容積利用率高、運輸成本低等優點。近年來，新能源汽車產業蓬勃發展，PCTC作為商品車輛全球運輸的主要途徑，其需求量爆發式增長。作為溝通PCTC 與碼頭之間的通道，滾裝通道的結構設計至關重要，需要建立合理的滾裝通道結構設計規范。

滾裝船的滾裝處所通常不進行分隔，其長度能達到大部分甚至整個船長，可在水平方向正常裝卸機動車輛或其他貨物[1]。滾裝通道是連接滾裝船的車輛甲板與碼頭的結構，主要包括以下4 類通道設備[2]：1）跳板；2）升降平臺與車輛坡道；3）活動汽車甲板；4）大型滾裝門。

滾裝通道結構與常規船舶結構的受力特點差異較大。艏門、艉門、升降平臺、活動車輛甲板等均為活動設備，主要受到車輛駐車與行駛過程對甲板及坡道產生的輪印載荷。在長期車輛載荷的作用下，保證滾裝通道的結構強度尤為重要。此外，結構輕量化也是滾裝通道未來的設計要點之一，必須建立一套合理的滾裝通道結構設計標準。

本文對當前滾裝船滾裝通道結構設計標準進行梳理，聚焦國際組織與各國船級社在滾裝通道結構方面的技術要求，分析滾裝通道結構設計的關鍵技術，探析滾裝通道結構輕量化設計的發展方向。

1 滾裝通道結構設計標準

1.1 國際標準

1）國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）標準

根據 IMO《國際海上人命安全公約》（InternationalConventionfortheSafetyofLifeatSea,SOLAS）的相關規定，若設有艏門且裝載坡道形成艙壁甲板以上的防撞艙壁的延伸部分時，坡道在全長范圍內均應做成風雨密[1]。

2）國際船級社協會（International Association of Classification Societies，IACS）標準

為保證客滾船與滾裝船的結構強度，IACS 制訂了統一要求[3]：（1）規定了主要結構與緊固裝置的應力衡準；（2）規定了艏門、艉門設計載荷的計算方法等。

1.2 船級社標準

1）勞氏船級社（Lloyd’s Register，LR）標準

LR 制定了CodeforLiftingAppliancesina MarineEnvironment[4]，對滾裝通道設備的加載與設計準則、滾裝通道設備主要載荷和應力衡準等內容進行了規定。

2）挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）標準

DNV 制定了RulesforClassification:Ships[5]，對車輛甲板的結構強度做出了規定，并針對艏門、艉門與舷門，給出其板、加強筋與桁材的最小尺寸要求。

3）美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）標準

ABS 制定了RulesforBuildingandClassing MarineVessels[6]，規定了滾裝通道設備緊固裝置的相關要求、主要構件最小尺寸和各類設計載荷的計算方法，以及許用應力值的大小。此外，ABS 還對受輪印載荷作用的甲板作出了相關規定。

1.3 關鍵技術問題

1.3.1 載荷

滾裝通道設備主要受到車輛輪印載荷的作用，包括車輛上船和下船時的動載荷。根據中國船級社（China Classification Society，CCS）的相關要求，在計算輪印載荷時，動載荷系數取1.1[7]。黃辰等[8]使用ADAMS建立車輛在滾裝船跳板上的動力學模型，計算不同情況下跳板端部鉸鏈的動載荷譜，并進行對比分析。研究表明：靜力學分析結果的1.1倍小于動力學分析結果，這驗證了在進行車輛跳板載荷計算時考慮車輛動載荷作用的必要性。此外，利用動力學方法得到的載荷譜可為鉸鏈疲勞強度分析提供依據。

除車輛載荷外，在進行滾裝通道的結構設計時還需要特別考慮波浪砰擊載荷。艏門作為船體外板的一部分，其在惡劣海況下受到的砰擊作用應得到特別關注。IACS 使用經驗公式，通過航速和艏門形狀等參數計算艏門受到的設計外部壓力。王輝等[9]基于非線性切片理論與Stavovy-Chuang砰擊理論對艏部外飄處的砰擊載荷進行預報，并將理論預報值與水池模型試驗值進行對比。此外，還對巡航工況和極限工況下艏門的砰擊壓力進行計算，得出砰擊載荷與航速和波高的非線性關系。韓建康[10]基于有限元軟件MSC.Patran、MSC.Dytran、MSC.Nastran，對艏部外飄結構進行準靜態分析、動力響應分析和瞬態響應分析，并對結果進行對比，得出直接瞬態響應分析法是最合理的仿真計算方法。在此基礎上，對PCTC 艏部外飄區域應力水平較高的結構進行優化，并利用直接瞬態響應分析法對優化后的結構進行仿真分析。

1.3.2 應力計算方法

目前應用最為廣泛的滾裝通道結構應力計算方法為有限元直接計算方法。仇遠旺等[11]利用Patran/Nastran建立滾裝船車輛跳板結構有限元模型，通過靜力計算得到跳板結構應力、鉸鏈和耳板的切應力。尉寧等[12]基于《鋼質海船入級規范》[7]，通過Patran 建立艉部車輛跳板和旅客跳板的有限元模型，計算跳板結構的最大應力值與撓度值，并將最大應力值與衡準進行比較，以驗證跳板結構的安全性與合理性。

1.3.3 強度衡準

通常情況下，結構設計基于線彈性理論，即假定結構最大應力超過材料屈服強度時結構失效，無法承受外載荷作用。設計結果一般偏保守，往往會導致結構尺寸偏大、偏重。

王維舟[13]分別從應力水平和永久變形等兩方面對各船級社結構塑性承載能力利用程度的問題進行分析，并以實船板格為算例，考察板厚公式對塑性承載能力的利用程度。結果顯示：各船級社車輛甲板板厚計算公式均基于塑性理念的結構設計方法[14]，但考慮塑性承載能力的程度各有差異。

2 結構設計衡準

2.1 概述

CCS 對滾裝通道的相關技術要求主要根據《鋼質海船入級規范》《車輛運輸船舶船體結構指南》[15]和《船舶與海上設施起重設備規范》[16]。

《鋼質海船入級規范》第2 篇第9 章第3～6節分別針對升降平臺、車輛坡道、艏門、內門、舷門、艉門、車輛跳板給出相應技術要求。

《車輛運輸船舶船體結構指南》第3 節對車輛甲板、活動車輛甲板以及車輛坡道的設計提出相應技術要求，第6 節對艉門跳板和舷門跳板提出相應技術要求。

《船舶與海上設施起重設備規范》的第3 章第3.8 節對車輛跳板的設計提出相應技術要求。

2.2 滾裝門結構設計衡準

《鋼質海船入級規范》對艏門、內門、舷門、艉門的技術要求與IACS 保持一致，其許用應力計算公式為

式（1）～式（3）中：[τ]為許用切應力；[σ]為許用彎曲應力；[σe]為許用相當應力；K為材料系數；σ為彎曲應力；τ為切應力。

門結構的主要構件需要通過屈曲校核。對于緊固和支持裝置中的鋼支承，其支承壓力應不超過0.8ReH（ReH為上屈服強度）；對其他支承材料，其許用支承應力應根據制造廠的技術規格確定。緊固和支持裝置的布置應使螺栓不承受支持力，其螺紋處最大拉應力應不超過125/K。門結構主要構件的最小尺寸應滿足相關規定，首要原則是保證滾裝門與周圍結構的強度相當。

2.3 活動車輛甲板設計衡準

根據《車輛運輸船舶船體結構指南》第3 章第4 節的相關規定，可收放活動車輛的甲板應設計為板架結構，其支點主要包括軟支點與硬支點，軟支點的許用載荷為破斷載荷的20%，硬支點許用應力計算公式為

活動車輛甲板桁材的許用應力計算公式為

活動車輛甲板桁材的撓度應滿足以下要求：

式中：f為撓度；l為相鄰支承間的距離。

2.4 升降平臺設計衡準

《鋼質海船入級規范》第2 篇第9 章第3 節給出了升降平臺與車輛坡道相關衡準，與《車輛運輸船舶船體結構指南》保持一致。

2.5 車輛跳板設計衡準

《鋼質海船入級規范》第2 篇第9 章第6 節給出了車輛跳板相關衡準。車輛跳板的結構強度需要滿足《鋼質海船入級規范》第2 篇第2 章第21 節的相關規定。

2.6 車輛坡道設計衡準

固定式坡道應滿足《鋼質海船入級規范》第2篇第2章第21節的相關規定；活動式坡道應滿足《鋼質海船入級規范》第9 章第6 節的相關規定。

3 結構輕量化設計

3.1 結構衡準安全裕量

滾裝通道的輕量化設計一直都是船舶領域的研究熱點。王維舟[13]基于塑性理論、極限載荷、多倍彈性許用和永久變形的設計方法，從應力和永久變形水平的角度分析了各船級社的車輛甲板板厚計算公式。對不同尺寸輪印載荷下甲板響應的數值計算結果進行擬合，提出了新的板厚設計公式，與現有規范公式計算得到的板厚基本處于同一水平。

3.2 特種材料的應用情況

章錘[17]對鋁合金在船舶與海洋工程中的應用進行了分析。鋁合金密度較低，抗腐蝕性和焊接性較好、強度較高。在船舶與海洋工程領域，鋁合金輕量化具有非常廣闊的發展前景。

齊忠原等[18]對船用鋁合金的性能進行了梳理和分析。各類鎂鋁合金的抗拉強度和屈服強度會隨著鎂含量的增加而逐漸增強，但耐蝕性能會逐漸降低。

汪璇等[19]對船用復合材料現狀及其發展趨勢進行了分析。復合材料具有輕量化水平高，耐腐蝕性強，抗疲勞性好等優勢。相較于傳統船用金屬，纖維復合材料的比強度和比模量更高，是實現船舶輕量化的一種理想結構。

李曉文等[20]基于有限元方法與力學試驗，對鋼質主船體與復合材料之間的連接結構進行研究。結果表明：優化后的混合連接形式可有效減重約45%。混合設計形式和優化模式為復合材料在船舶領域的應用及船舶輕量化設計提供了一種新思路。

3.3 結構優化設計

除設定合理的結構衡準安全裕量和使用特種材料外，結構優化設計也可作為減輕結構質量的一種有效途徑。

邵學祥等[21]對長江車客渡船跳板兩側強橫梁面板和邊縱桁面板開裂等問題進行研究，提出了減小舷側橫向構件和放浪孔尺寸，斜向焊接兩側縱向構件，用EH550 高強度鋼代替AH36 低合金高強度鋼等方法。有限元分析結果表明：跳板結構應力顯著降低。經一年多的實際使用，跳板未發生損壞。

鄭錫超等[22]利用Nastran 與Isight 軟件，以跳板結構的質量作為目標函數，將普通橫梁、強橫梁、縱桁的截面尺寸，以及跳板厚度作為設計變量，將面板相當應力、骨材合成應力與跳板位移作為約束條件，對車輛跳板結構進行優化，優化后的結構質量可降低22.25%。

4 結論

本文對當前滾裝船滾裝通道結構設計的標準進行了梳理，聚焦國際組織與各國船級社在滾裝通道結構方面的技術要求，分析了滾裝通道結構設計的關鍵技術，并探析了滾裝通道結構輕量化設計的發展方向，可得出如下結論：

1）目前國際組織在滾裝通道設計方面的標準主要為SOLAS 公約以及IACS 標準。SOLAS 公約主要涉及滾裝通道結構的水密性。IACS 標準對大型滾裝門的應力衡準、設計載荷計算方式、主要構件最小尺寸等提出了技術要求。各國船級社對滾裝通道結構均有其對應的規范。

2）CCS 相關規范對滾裝通道結構設計的技術要求主要涉及載荷計算方式與應力衡準等方面。大型滾裝門相關規范與IACS 標準相一致。車輛跳板與活動汽車甲板等結構可參照《車輛運輸船舶船體結構指南》進行設計?？偟膩砜?，中國滾裝通道結構設計標準仍需制訂出一套完整的標準體系。

3）船舶結構輕量化設計的發展方向主要包括設定合理的安全裕量、使用更加合理的應力衡準、使用新型合金材料與復合材料替代鋼材、對現有設計進行結構優化。