詹志鵠，王麒淋，沈奕成

（中國(guó)船級(jí)社，a. 上海規(guī)范研究所；b. 船舶與海上設(shè)施結(jié)構(gòu)安全實(shí)驗(yàn)室，上海 200135）

0 引言

汽車(chē)滾裝船（Pure Car and Truck Carrier，PCTC）是滾裝船的一個(gè)新興分類(lèi)，設(shè)有多層汽車(chē)甲板、升降平臺(tái)、汽車(chē)坡道等結(jié)構(gòu)。PCTC 裝載貨物較為單一，具有裝卸效率高、容積利用率高、運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，PCTC作為商品車(chē)輛全球運(yùn)輸?shù)闹饕緩?，其需求量爆發(fā)式增長(zhǎng)。作為溝通PCTC 與碼頭之間的通道，滾裝通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要建立合理的滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

滾裝船的滾裝處所通常不進(jìn)行分隔，其長(zhǎng)度能達(dá)到大部分甚至整個(gè)船長(zhǎng)，可在水平方向正常裝卸機(jī)動(dòng)車(chē)輛或其他貨物[1]。滾裝通道是連接滾裝船的車(chē)輛甲板與碼頭的結(jié)構(gòu)，主要包括以下4 類(lèi)通道設(shè)備[2]：1）跳板；2）升降平臺(tái)與車(chē)輛坡道；3）活動(dòng)汽車(chē)甲板；4）大型滾裝門(mén)。

滾裝通道結(jié)構(gòu)與常規(guī)船舶結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)差異較大。艏門(mén)、艉門(mén)、升降平臺(tái)、活動(dòng)車(chē)輛甲板等均為活動(dòng)設(shè)備，主要受到車(chē)輛駐車(chē)與行駛過(guò)程對(duì)甲板及坡道產(chǎn)生的輪印載荷。在長(zhǎng)期車(chē)輛載荷的作用下，保證滾裝通道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尤為重要。此外，結(jié)構(gòu)輕量化也是滾裝通道未來(lái)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一，必須建立一套合理的滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

本文對(duì)當(dāng)前滾裝船滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，聚焦國(guó)際組織與各國(guó)船級(jí)社在滾裝通道結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)要求，分析滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，探析滾裝通道結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

1 滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

1）國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) IMO《國(guó)際海上人命安全公約》（InternationalConventionfortheSafetyofLifeatSea,SOLAS）的相關(guān)規(guī)定，若設(shè)有艏門(mén)且裝載坡道形成艙壁甲板以上的防撞艙壁的延伸部分時(shí)，坡道在全長(zhǎng)范圍內(nèi)均應(yīng)做成風(fēng)雨密[1]。

2）國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（International Association of Classification Societies，IACS）標(biāo)準(zhǔn)

為保證客滾船與滾裝船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，IACS 制訂了統(tǒng)一要求[3]：（1）規(guī)定了主要結(jié)構(gòu)與緊固裝置的應(yīng)力衡準(zhǔn)；（2）規(guī)定了艏門(mén)、艉門(mén)設(shè)計(jì)載荷的計(jì)算方法等。

1.2 船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)

1）勞氏船級(jí)社（Lloyd’s Register，LR）標(biāo)準(zhǔn)

LR 制定了CodeforLiftingAppliancesina MarineEnvironment[4]，對(duì)滾裝通道設(shè)備的加載與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、滾裝通道設(shè)備主要載荷和應(yīng)力衡準(zhǔn)等內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。

2）挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV）標(biāo)準(zhǔn)

DNV 制定了RulesforClassification:Ships[5]，對(duì)車(chē)輛甲板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度做出了規(guī)定，并針對(duì)艏門(mén)、艉門(mén)與舷門(mén)，給出其板、加強(qiáng)筋與桁材的最小尺寸要求。

3）美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping，ABS）標(biāo)準(zhǔn)

ABS 制定了RulesforBuildingandClassing MarineVessels[6]，規(guī)定了滾裝通道設(shè)備緊固裝置的相關(guān)要求、主要構(gòu)件最小尺寸和各類(lèi)設(shè)計(jì)載荷的計(jì)算方法，以及許用應(yīng)力值的大小。此外，ABS 還對(duì)受輪印載荷作用的甲板作出了相關(guān)規(guī)定。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

1.3.1 載荷

滾裝通道設(shè)備主要受到車(chē)輛輪印載荷的作用，包括車(chē)輛上船和下船時(shí)的動(dòng)載荷。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）的相關(guān)要求，在計(jì)算輪印載荷時(shí)，動(dòng)載荷系數(shù)取1.1[7]。黃辰等[8]使用ADAMS建立車(chē)輛在滾裝船跳板上的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算不同情況下跳板端部鉸鏈的動(dòng)載荷譜，并進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明：靜力學(xué)分析結(jié)果的1.1倍小于動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，這驗(yàn)證了在進(jìn)行車(chē)輛跳板載荷計(jì)算時(shí)考慮車(chē)輛動(dòng)載荷作用的必要性。此外，利用動(dòng)力學(xué)方法得到的載荷譜可為鉸鏈疲勞強(qiáng)度分析提供依據(jù)。

除車(chē)輛載荷外，在進(jìn)行滾裝通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還需要特別考慮波浪砰擊載荷。艏門(mén)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(yīng)得到特別關(guān)注。IACS 使用經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)航速和艏門(mén)形狀等參數(shù)計(jì)算艏門(mén)受到的設(shè)計(jì)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(duì)艏部外飄處的砰擊載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)，并將理論預(yù)報(bào)值與水池模型試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。此外，還對(duì)巡航工況和極限工況下艏門(mén)的砰擊壓力進(jìn)行計(jì)算，得出砰擊載荷與航速和波高的非線性關(guān)系。韓建康[10]基于有限元軟件MSC.Patran、MSC.Dytran、MSC.Nastran，對(duì)艏部外飄結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析、動(dòng)力響應(yīng)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出直接瞬態(tài)響應(yīng)分析法是最合理的仿真計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)PCTC 艏部外飄區(qū)域應(yīng)力水平較高的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并利用直接瞬態(tài)響應(yīng)分析法對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

1.3.2 應(yīng)力計(jì)算方法

目前應(yīng)用最為廣泛的滾裝通道結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法為有限元直接計(jì)算方法。仇遠(yuǎn)旺等[11]利用Patran/Nastran建立滾裝船車(chē)輛跳板結(jié)構(gòu)有限元模型，通過(guò)靜力計(jì)算得到跳板結(jié)構(gòu)應(yīng)力、鉸鏈和耳板的切應(yīng)力。尉寧等[12]基于《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[7]，通過(guò)Patran 建立艉部車(chē)輛跳板和旅客跳板的有限元模型，計(jì)算跳板結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值與撓度值，并將最大應(yīng)力值與衡準(zhǔn)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證跳板結(jié)構(gòu)的安全性與合理性。

1.3.3 強(qiáng)度衡準(zhǔn)

通常情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于線彈性理論，即假定結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度時(shí)結(jié)構(gòu)失效，無(wú)法承受外載荷作用。設(shè)計(jì)結(jié)果一般偏保守，往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸偏大、偏重。

王維舟[13]分別從應(yīng)力水平和永久變形等兩方面對(duì)各船級(jí)社結(jié)構(gòu)塑性承載能力利用程度的問(wèn)題進(jìn)行分析，并以實(shí)船板格為算例，考察板厚公式對(duì)塑性承載能力的利用程度。結(jié)果顯示：各船級(jí)社車(chē)輛甲板板厚計(jì)算公式均基于塑性理念的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[14]，但考慮塑性承載能力的程度各有差異。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

2.1 概述

CCS 對(duì)滾裝通道的相關(guān)技術(shù)要求主要根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》《車(chē)輛運(yùn)輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》[15]和《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》[16]。

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2 篇第9 章第3～6節(jié)分別針對(duì)升降平臺(tái)、車(chē)輛坡道、艏門(mén)、內(nèi)門(mén)、舷門(mén)、艉門(mén)、車(chē)輛跳板給出相應(yīng)技術(shù)要求。

《車(chē)輛運(yùn)輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》第3 節(jié)對(duì)車(chē)輛甲板、活動(dòng)車(chē)輛甲板以及車(chē)輛坡道的設(shè)計(jì)提出相應(yīng)技術(shù)要求，第6 節(jié)對(duì)艉門(mén)跳板和舷門(mén)跳板提出相應(yīng)技術(shù)要求。

《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》的第3 章第3.8 節(jié)對(duì)車(chē)輛跳板的設(shè)計(jì)提出相應(yīng)技術(shù)要求。

2.2 滾裝門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》對(duì)艏門(mén)、內(nèi)門(mén)、舷門(mén)、艉門(mén)的技術(shù)要求與IACS 保持一致，其許用應(yīng)力計(jì)算公式為

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

門(mén)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件需要通過(guò)屈曲校核。對(duì)于緊固和支持裝置中的鋼支承，其支承壓力應(yīng)不超過(guò)0.8ReH（ReH為上屈服強(qiáng)度）；對(duì)其他支承材料，其許用支承應(yīng)力應(yīng)根據(jù)制造廠的技術(shù)規(guī)格確定。緊固和支持裝置的布置應(yīng)使螺栓不承受支持力，其螺紋處最大拉應(yīng)力應(yīng)不超過(guò)125/K。門(mén)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的最小尺寸應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)定，首要原則是保證滾裝門(mén)與周?chē)Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度相當(dāng)。

2.3 活動(dòng)車(chē)輛甲板設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

根據(jù)《車(chē)輛運(yùn)輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》第3 章第4 節(jié)的相關(guān)規(guī)定，可收放活動(dòng)車(chē)輛的甲板應(yīng)設(shè)計(jì)為板架結(jié)構(gòu)，其支點(diǎn)主要包括軟支點(diǎn)與硬支點(diǎn)，軟支點(diǎn)的許用載荷為破斷載荷的20%，硬支點(diǎn)許用應(yīng)力計(jì)算公式為

活動(dòng)車(chē)輛甲板桁材的許用應(yīng)力計(jì)算公式為

活動(dòng)車(chē)輛甲板桁材的撓度應(yīng)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(tái)設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2 篇第9 章第3 節(jié)給出了升降平臺(tái)與車(chē)輛坡道相關(guān)衡準(zhǔn)，與《車(chē)輛運(yùn)輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》保持一致。

2.5 車(chē)輛跳板設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2 篇第9 章第6 節(jié)給出了車(chē)輛跳板相關(guān)衡準(zhǔn)。車(chē)輛跳板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2 篇第2 章第21 節(jié)的相關(guān)規(guī)定。

2.6 車(chē)輛坡道設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)

固定式坡道應(yīng)滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第2篇第2章第21節(jié)的相關(guān)規(guī)定；活動(dòng)式坡道應(yīng)滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》第9 章第6 節(jié)的相關(guān)規(guī)定。

3 結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)衡準(zhǔn)安全裕量

滾裝通道的輕量化設(shè)計(jì)一直都是船舶領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。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(shè)計(jì)方法，從應(yīng)力和永久變形水平的角度分析了各船級(jí)社的車(chē)輛甲板板厚計(jì)算公式。對(duì)不同尺寸輪印載荷下甲板響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合，提出了新的板厚設(shè)計(jì)公式，與現(xiàn)有規(guī)范公式計(jì)算得到的板厚基本處于同一水平。

3.2 特種材料的應(yīng)用情況

章錘[17]對(duì)鋁合金在船舶與海洋工程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。鋁合金密度較低，抗腐蝕性和焊接性較好、強(qiáng)度較高。在船舶與海洋工程領(lǐng)域，鋁合金輕量化具有非常廣闊的發(fā)展前景。

齊忠原等[18]對(duì)船用鋁合金的性能進(jìn)行了梳理和分析。各類(lèi)鎂鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度會(huì)隨著鎂含量的增加而逐漸增強(qiáng)，但耐蝕性能會(huì)逐漸降低。

汪璇等[19]對(duì)船用復(fù)合材料現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。復(fù)合材料具有輕量化水平高，耐腐蝕性強(qiáng)，抗疲勞性好等優(yōu)勢(shì)。相較于傳統(tǒng)船用金屬，纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量更高，是實(shí)現(xiàn)船舶輕量化的一種理想結(jié)構(gòu)。

李曉文等[20]基于有限元方法與力學(xué)試驗(yàn)，對(duì)鋼質(zhì)主船體與復(fù)合材料之間的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：優(yōu)化后的混合連接形式可有效減重約45%?；旌显O(shè)計(jì)形式和優(yōu)化模式為復(fù)合材料在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用及船舶輕量化設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

除設(shè)定合理的結(jié)構(gòu)衡準(zhǔn)安全裕量和使用特種材料外，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也可作為減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的一種有效途徑。

邵學(xué)祥等[21]對(duì)長(zhǎng)江車(chē)客渡船跳板兩側(cè)強(qiáng)橫梁面板和邊縱桁面板開(kāi)裂等問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了減小舷側(cè)橫向構(gòu)件和放浪孔尺寸，斜向焊接兩側(cè)縱向構(gòu)件，用EH550 高強(qiáng)度鋼代替AH36 低合金高強(qiáng)度鋼等方法。有限元分析結(jié)果表明：跳板結(jié)構(gòu)應(yīng)力顯著降低。經(jīng)一年多的實(shí)際使用，跳板未發(fā)生損壞。

鄭錫超等[22]利用Nastran 與Isight 軟件，以跳板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，將普通橫梁、強(qiáng)橫梁、縱桁的截面尺寸，以及跳板厚度作為設(shè)計(jì)變量，將面板相當(dāng)應(yīng)力、骨材合成應(yīng)力與跳板位移作為約束條件，對(duì)車(chē)輛跳板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量可降低22.25%。

4 結(jié)論

本文對(duì)當(dāng)前滾裝船滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了梳理，聚焦國(guó)際組織與各國(guó)船級(jí)社在滾裝通道結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)要求，分析了滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，并探析了滾裝通道結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，可得出如下結(jié)論：

1）目前國(guó)際組織在滾裝通道設(shè)計(jì)方面的標(biāo)準(zhǔn)主要為SOLAS 公約以及IACS 標(biāo)準(zhǔn)。SOLAS 公約主要涉及滾裝通道結(jié)構(gòu)的水密性。IACS 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大型滾裝門(mén)的應(yīng)力衡準(zhǔn)、設(shè)計(jì)載荷計(jì)算方式、主要構(gòu)件最小尺寸等提出了技術(shù)要求。各國(guó)船級(jí)社對(duì)滾裝通道結(jié)構(gòu)均有其對(duì)應(yīng)的規(guī)范。

2）CCS 相關(guān)規(guī)范對(duì)滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求主要涉及載荷計(jì)算方式與應(yīng)力衡準(zhǔn)等方面。大型滾裝門(mén)相關(guān)規(guī)范與IACS 標(biāo)準(zhǔn)相一致。車(chē)輛跳板與活動(dòng)汽車(chē)甲板等結(jié)構(gòu)可參照《車(chē)輛運(yùn)輸船舶船體結(jié)構(gòu)指南》進(jìn)行設(shè)計(jì)?？偟膩?lái)看，中國(guó)滾裝通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍需制訂出一套完整的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3）船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向主要包括設(shè)定合理的安全裕量、使用更加合理的應(yīng)力衡準(zhǔn)、使用新型合金材料與復(fù)合材料替代鋼材、對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。