張 敏 健

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 200032）

0 前 言

汽車滾裝船（PURE CAR/TRUCK CARRIER，簡稱 PCTC）作為滾裝船的一個發(fā)展分支，除了具備普通滾裝船的特點和裝卸方式外，還設(shè)有多層連續(xù)汽車甲板以及跳板、坡道、坡道蓋和水/氣密門等復(fù)雜的滾裝通道設(shè)備，船舷設(shè)有可供車輛在船岸之間上下的大型跳板，汽車在甲板之間轉(zhuǎn)移是通過斜坡道或升降機(jī)來完成，船和碼頭不需設(shè)置起重設(shè)備等，是大規(guī)模海上汽車專用運輸船。由于比普通滾裝船具備更強(qiáng)的特殊性，因此在設(shè)計、建造等工藝方面提出了更高、更具有針對性和專業(yè)性的要求。

1 主尺度及主要參數(shù)

汽車滾裝船尺度愈大，甲板面積利用率愈高，分?jǐn)偟矫枯v車的船舶造價和營運費用愈低，經(jīng)濟(jì)效益愈好。

由于產(chǎn)、運、銷各方面都要求增加批量，促使汽車滾裝船的單船裝載量迅速增加。其中小轎車的最大載車量，1955年為300輛，1965年增加到2000輛，1985年為6200輛，現(xiàn)代單船運輸小轎車的最大載車量已達(dá)到8000輛。

由于汽車的積載因數(shù)大，又不能堆裝，提高汽車運輸船的載車量就要求增大停車甲板的有效面積。因此設(shè)計船舶主尺度時，首先要根據(jù)船的載車數(shù)，也就是所需停車甲板的有效面積，在線型，航速，載重量，主機(jī)尺寸，滿足船舶穩(wěn)性的車輛甲板層數(shù)、層高，燃油艙的布置和保護(hù)，壓載水艙等各方面都協(xié)調(diào)后，再確定船舶的主尺度。這是需要經(jīng)過一定的計算、分析才能逐次接近的過程。

1.1 船長

由于大型汽車滾裝船船寬受巴拿馬運河寬度限制，車輛甲板的層數(shù)和層高又受船舶穩(wěn)性要求的限制，因此增加停車甲板面積的有效方法就是增加船長。但船長受制于建造成本，船過長并不經(jīng)濟(jì)，且港口收費標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)船舶長度制定的。因此，主流汽車滾裝船中 6000車級的總長一般不大于200m，8000車級的總長一般不大于228m。

1.2 船寬

船寬增加能提高穩(wěn)性，還可增多甲板的層數(shù)，使每層甲板排列的汽車也增加，但船寬過大，將影響船舶的航速。因此，在規(guī)范許可的 L/ B、B/d范圍內(nèi)，只要航道、碼頭等條件允許，汽車滾裝船的船寬應(yīng)盡量做大。

1.3 型深

在保證船舶穩(wěn)性和主機(jī)吊缸布置的條件下，汽車滾裝船的主甲板，也就是干舷甲板的高度應(yīng)盡量降低。由于汽車是經(jīng)由設(shè)于該甲板的尾跳板和邊跳板上下船舶，因此，降低甲板的高度，意味著減小跳板的長度，這樣既減少了跳板占用的碼頭的面積又縮短了汽車的行駛距離，提高了裝卸效率。

按所裝運的車輛高度設(shè)多層甲板以充分利用艙容，包括設(shè)置多層升降甲板以兼顧小汽車和高車。目前主流船型的小車甲板凈高一般都不小于1.9m，而高車甲板的凈高在4.2～6.8m。

1.4 吃水

在確定船舶吃水時，除了要考慮汽車碼頭吃水、航道水深的限制外，還應(yīng)注意不同裝載浮態(tài)、碼頭標(biāo)高、潮差等對裝卸車跳板處于正常工作狀態(tài)的影響。

1.5 載重量、載車量

汽車的積載因數(shù)大，自身重量不大，因此對汽車船來說，其主要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是載車量，也就是甲板的有效載車面積，其次才是載重量。

載車數(shù)一般以日本車Corona-RT43L（長×寬：4125mm×1550mm）作為標(biāo)準(zhǔn)車型來考核。車與車之間的間距縱向300mm，橫向100mm，車與艙壁、支柱等船體構(gòu)件之間間距300mm。經(jīng)統(tǒng)計，車輛甲板的有效載車面積與載車數(shù)之比通常在 8.2～8.4之間。

1.6 線型

汽車滾裝船的空船重量大、重心高，所載部分車輛也處于較高的位置，為滿足穩(wěn)性要求，需具有較大的KM值。為此，線型為V型。同時也需注意KM 值過大對船舶航速產(chǎn)生的不利影響。另外，由于尾跳板重量大，距船中又遠(yuǎn)，重心位置偏后，為保持浮態(tài)，浮心也較由快速性要求的最佳位置偏后。

汽車滾裝船的線型為極V，為追求更大的甲板面積且有較大的外飄，增加了首、尾部拍擊破壞的風(fēng)險。在線型設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)予以重視和協(xié)調(diào)。

2 總布置

汽車滾裝船一般多為單機(jī)、單槳、單舵，設(shè)多層連續(xù)甲板和寬大的水上甲板面積，推進(jìn)方式采用低速柴油機(jī)帶定距槳，機(jī)艙位于船舶的后部，船員居住艙及駕駛室設(shè)于船舶的中前最上方。

2.1 分艙

對于汽車滾裝船來說，其干舷甲板以上甲板層數(shù)眾多。由于汽車運輸船的特殊性，無論是從船舶的使用方便還是設(shè)計考慮，都希望水（氣）密甲板、水（氣）密艙壁設(shè)置得越少越好，為了使車輛在上下船時能快速行駛，要求各甲板間和貨艙是相通無阻礙的。因此船舶如何分艙，使之既能滿足破艙穩(wěn)性和防火要求，同時又能滿足使用要求，是汽車滾裝船設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1.1 船舶破艙穩(wěn)性

SOLAS（國際海上人命安全公約）（MSC194（80））新的破艙穩(wěn)性要求已經(jīng)生效。一般認(rèn)為此次規(guī)則的修改對滾裝船，包括汽車滾裝船等這一類具有通暢甲板的船舶影響最大。為滿足新規(guī)則要求，同時將由此產(chǎn)生對船舶經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響和建造成本的增加降到最低，經(jīng)過多方案比較計算后確定其最有效的方法是在干舷甲板上方再設(shè)一層水密甲板（一般為 7甲板），底部壓載艙的空氣管高度設(shè)于7甲板之上。如此，代表生存率的因數(shù)S明顯增大。

根據(jù)不同船東的各自使用習(xí)慣和偏好，干舷甲板以下的水密劃分有2種方案，當(dāng)今主流船型都有采用。一種是在船舶二舷各設(shè)一道水密縱艙壁，燃油艙設(shè)于舷側(cè)的雙殼內(nèi)，形成保護(hù)。另一種方法是干舷甲板以下車輛艙內(nèi)設(shè)1～2道水密橫艙壁加移動水密門，設(shè)2層雙層底，燃油艙設(shè)于上方，形成保護(hù)。

2.1.2 車輛艙的防火分隔

汽車滾裝船的車輛艙防火問題較為突出，車輛一般都帶有部分燃料油，且車輛數(shù)眾多。必須重視對車輛艙的防火分隔。在做防火分隔時應(yīng)結(jié)合水密艙的劃分，使二者統(tǒng)一。各氣密區(qū)容積的大小相差不易過大，以合理、有效的配置CO2容量，并便于通風(fēng)風(fēng)道的設(shè)計和風(fēng)機(jī)的配置。一般采用水平分隔，1層高車輛甲板或2～3層小車輛甲板形成氣密獨立區(qū)域。

2.2 車輛艙的通風(fēng)和滅火

汽車滾裝船車輛艙通風(fēng)是該船型中另一個很突出的問題，單個氣密區(qū)容積巨大，按SOLAS的規(guī)定，如果要將危險區(qū)控制在氣（水）密甲板上450mm高度范圍之內(nèi)，車輛艙通風(fēng)次數(shù)至少到10次/小時。

每一氣密區(qū)都有其獨立的通風(fēng)系統(tǒng)，一般采用分區(qū)域橫向通風(fēng)，舷進(jìn)舷出。通風(fēng)的方式采用機(jī)械式進(jìn)風(fēng)、自然出風(fēng)，也可采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械式抽風(fēng)或二種方式聯(lián)合采用。風(fēng)道可以設(shè)置于船體的舷側(cè)強(qiáng)肋骨內(nèi)，也可設(shè)圓形的獨立風(fēng)道。

汽車滾裝船車輛艙多采用CO2固定式氣體滅火系統(tǒng)。對大型汽車滾裝船來說，CO2容量相當(dāng)大，采用低溫低壓儲藏罐比采用常溫高壓氣瓶投資和所占空間都較省，維護(hù)也更方便。

2.3 車輛甲板

汽車滾裝船的車輛甲板層數(shù)和層高在滿足船舶穩(wěn)性的條件下根據(jù)設(shè)計的載車數(shù)、車型（包括外形尺寸和重量）確定。甲板根據(jù)其功能分為水密、氣密和非密性甲板。主流船型的重車甲板一般設(shè)3～4層。而單一的純小汽車運輸船（PCC）已比較少見。

為充分利用高艙艙容，兼顧各型車輛，可在艙內(nèi)加設(shè)升降甲板。大型汽車滾裝船的升降甲板層數(shù)一般設(shè)3～4層，最多設(shè)5層，多數(shù)甲板會有2個停靠位置，以適應(yīng)不同高度的車輛。

各甲板的載荷依據(jù)其所停載的車輛的重量、軸距、胎印以及平均負(fù)荷確定。一般小車甲板（包括升降甲板）的平均載荷0.2～0.3t/m2，重車甲板的平均載荷1～3t/m2。作為強(qiáng)力甲板、艙壁甲板和液艙邊界的車輛甲板還必需滿足其它相關(guān)的要求。

3 滾裝通道、滾裝設(shè)備

汽車滾裝船的裝卸過程是通過連接船與碼頭的設(shè)于船上的跳板完成。

跳板按位置可分為艉跳板、側(cè)跳板和艏跳板 3種。由于中大型汽車滾裝船甲板層數(shù)多，為了容易理貨提高裝卸速度，除了設(shè)艉跳板外，往往在船中部設(shè)舷側(cè)跳板，見圖1。

圖1 主要滾裝通道

船舶內(nèi)部各層甲板間、貨艙間通道的連接是由固定斜坡道、活動斜坡道、水（氣）密門組成。多數(shù)通道設(shè)備，如水密門、水（氣）密蓋自身又可兼作車輛通道跳板或斜坡道。

3.1 艉邊門（跳板）

艉邊門（跳板）布置在干舷甲板（一般為5甲板）的艉部一舷，打開時作為車輛上下船的跳板，關(guān)閉時作為水密門保證船舶的水密完整性。艉邊門（跳板）與船體中心線一般成30°～45°夾角，這既可使車輛通道首端有流暢的弧度，便于車輛快速進(jìn)出，又減小了跳板占用的碼頭面積。

跳板尺寸應(yīng)根據(jù)干舷甲板與碼頭面在不同潮位、浮態(tài)下的最大設(shè)計落差，跳板與水平面的最大工作夾角（為避免重型車上坡產(chǎn)生困難，該夾角一般不大于 13°）確定，盡量減小跳板的總長度，以縮短車輛上下船的行駛距離。跳板寬度應(yīng)保證車輛能同時上下船，并包括一條不小于600mm寬的人行通道。整個跳板一般由3節(jié)組成，第3節(jié)包括翼板。第1節(jié)兼作水密尾門用，與船體結(jié)構(gòu)形成密封。

艉邊門（跳板）收藏操作一般由帶剎車的雙滾筒液壓絞車帶鋼索完成。絞車安裝在車輛艙頂層甲板。另有1只頂推油缸可使艉跳板從收藏位置向外傾倒，然后在其自身重力的作用下使跳板達(dá)到開啟狀態(tài)，該油缸亦作碎冰之用。當(dāng)艉跳板處于收藏位置時，2只液壓絞車把第2節(jié)和第3節(jié)跳板垂直收藏。

3.2 邊門（跳板）

邊門（跳板）一般設(shè)置于船舯靠后與艉邊門（跳板）一舷，與船體中心線成 90°夾角，水平面的最大工作夾角一般不大于 15°。作為車輛上下船的另一條通道，主要用于輕型車和供駕駛員車輛往返的通道。為適應(yīng)不同港口的碼頭高度，跳板一般可在2層甲板（干舷甲板和其上一層或下一層甲板）開啟并收藏于較低一層甲板作為水密門以保證船舶的水密完整性。

邊門（跳板）一般由2部分結(jié)構(gòu)組成。第2部分結(jié)構(gòu)為翼狀板，由鉸鏈與第1部分結(jié)構(gòu)相聯(lián)接。跳板由1臺液壓絞車收起和放下，用1個液缸滑車來調(diào)節(jié)高度。

3.3 滑動式水密門

為滿足船舶的破艙穩(wěn)性要求，干舷甲板下車輛艙內(nèi)需設(shè)置一定數(shù)量的水密橫艙壁，為保證車輛出入，水密橫艙壁上設(shè)滑動式水密門。

水密門的操作是由液壓操縱鎖緊/拉動機(jī)構(gòu)把門從水密位置開啟，同時啟動由液壓操縱的鏈條驅(qū)動系統(tǒng)把門移到開的位置或關(guān)的位置。門的下部裝有雙凸緣的滾輪，在甲板上的導(dǎo)軌上滾動。

3.4 鉸鏈?zhǔn)剿荛T

在干舷甲板以上的水密水平分隔采用鉸鏈?zhǔn)剿荛T。水密門設(shè)于固定斜坡道的端口，由安裝于門和船體結(jié)構(gòu)間的液壓油缸直接操控門的開關(guān)。

3.5 鉸鏈?zhǔn)?、折疊式氣密門

在固定斜坡道的端口設(shè)置氣密門。氣密門有鉸鏈?zhǔn)胶驼郫B式2種形式，前者安全可靠，后者在開啟時占據(jù)更小的車輛艙空間。

3.6 固定斜坡道

上下車坡道的布置有多種。艙內(nèi)每一斜坡道位置的設(shè)置應(yīng)與全船的上下車路線、艉邊門（跳板）、邊門（跳板）、船體構(gòu)件、密性分隔等有機(jī)地結(jié)合起來，做到合理、高效、連續(xù)，盡量減少車輛在艙內(nèi)的掉頭次數(shù)、逗留時間和行駛距離。坡道前3、4個車位內(nèi)應(yīng)避免有支柱等障礙物，斜坡道與水平面最大夾角一般不大于9.46°（1:6），坡道呈“S”型，以防止車輛底盤與坡道的碰擦。考慮到車輛在通過斜坡道時車體外形會產(chǎn)生1條大于其自身高度的弧線（弧線的最高點與車輛長度、輪軸間距有關(guān)），因此斜坡2端出口處的凈高應(yīng)大于相應(yīng)的車輛甲板凈高。斜坡道的設(shè)計載荷與其所達(dá)到的甲板載荷相同。

3.7 活動斜坡道

汽車滾裝船的不同車輛甲板的運費是不相同的，重、高車甲板的收費遠(yuǎn)高于小車甲板。采用活動斜坡道以替代固定斜坡道，其下的重、高車甲板位置還是能停泊大車。另外，根據(jù)其所在的甲板的密性要求，在收藏位置，還可設(shè)為水密活動斜坡道和氣密活動斜坡道。

活動斜坡道的布置原則與固定斜坡道的基本相同。活動坡道均為開式組合梁結(jié)構(gòu)，并帶有折角。活動坡道的升降是由液壓油缸操作或與升降汽車聯(lián)合操作。

3.8 車輛綁扎系統(tǒng)

為防止車輛移動發(fā)生貨損和產(chǎn)生傾覆力矩，車輛需加以綁扎固定。車輛的綁扎系統(tǒng)包括甲板上的固定裝置和用于綁扎車輛用的各種器材。固定裝置即甲板上的綁扎孔（件），綁扎器材有尼龍編織帶、尼龍繩、鋼質(zhì)鉤、墊塊等。

為適應(yīng)各種不同類型的汽車，充分利用甲板面積，小車的綁扎孔（件）間距縱、橫向一般在500～1000mm，重大型車綁扎孔（件）間距縱向不大于2500mm、橫向2800～3000mm（IMO要求）。根據(jù)甲板的密性要求，在綁扎孔（件）的下方配有保證密性的氣密／水密杯（罩）。

車輛綁扎件通常有埋入式和凸突式2種，為便于保養(yǎng)，接觸液面的甲板多采用凸突式綁扎件，而其他甲板均采用埋入式綁扎件，以保護(hù)汽車輪胎駛過時免受損害。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車滾裝船車輛甲板層數(shù)多，且大部分的連續(xù)甲板位于干舷甲板上，當(dāng)船舶受到波浪的作用而產(chǎn)生橫搖時，左右舷水壓不對稱產(chǎn)生較大的橫向彎矩，所裝載的車輛的重量和因橫搖面產(chǎn)生的作用在汽車上的慣性力反過來作用在甲板上，產(chǎn)生非對稱載荷，見圖 2。在剪切效應(yīng)的作用下，汽車運輸船的橫向強(qiáng)框架會發(fā)生傾斜，使得干舷甲板上的船體相對下面船體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生撓曲變形，見圖 3。由此可見汽車滾裝船結(jié)構(gòu)設(shè)計中的橫向強(qiáng)度問題是關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 橫向受力

圖3 撓曲變形

汽車滾裝船結(jié)構(gòu)設(shè)計一般有兩種形式。

4.1 傳統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)設(shè)計是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用通常的船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)原理和方式來解決船舶的橫向強(qiáng)度問題。通過在干舷甲板上下設(shè)置半橫艙壁和全橫艙壁與強(qiáng)肋骨、甲板強(qiáng)橫梁組成橫向防撓曲框架。在設(shè)置全橫艙壁時應(yīng)與船舶的水密分割一并考慮，相互對應(yīng)，達(dá)到同時滿足船舶的破艙穩(wěn)性要求。而車輛在干舷甲板以下車輛艙內(nèi)的通行則通過設(shè)于水密橫艙壁上的水密門來實現(xiàn)。干舷甲板以上半艙壁的寬度直接影響到車輛的通暢程度和車輛的裝載數(shù)量。半艙壁的寬度過于狹窄，會大大增加干舷甲板處半艙壁的應(yīng)力值，也會增加普通強(qiáng)肋骨的尺寸。通過全船有限元直接計算，分析比較后確定半艙壁尺寸、數(shù)量。由于計算手段的提高，對各半艙壁處以及水密橫艙壁門孔處的應(yīng)力水平有了客觀精確的評估，半艙壁設(shè)計成下寬上窄的形式，其根部在主甲板處的最大寬度大大減小，一般控制在 15%的船寬左右，對船舶的載車量和裝卸效率都有所提高，見圖4。

圖4 半艙壁

4.2 彈性設(shè)計

將彈性設(shè)計概念引入到汽車滾裝船的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以解決船體結(jié)構(gòu)發(fā)生撓曲變形的問題，是由挪威船級社（DNV）首先提出，并逐步發(fā)展完善和廣泛使用。其基本理念是干舷甲板以上，用框架的橫向位移（頂部的最大位移約150～180mm，中部的平均位移約 75mm）減少構(gòu)件上的應(yīng)力水平。為此，干舷甲板以上不設(shè)防撓曲框架，以強(qiáng)肋骨取代重型防撓強(qiáng)肋骨或半艙壁。車輛艙內(nèi)安裝甲板橫梁與垂直肋骨或支柱之間的彈性連接，也就是干舷甲板以上強(qiáng)橫梁與強(qiáng)肋骨，支柱錯開布置，強(qiáng)橫梁兩端自由旋轉(zhuǎn)，沒有彎矩傳遞，見圖5，圖6。為滿足抗沉性要求，干舷甲板以下二舷貫穿整個車輛艙各設(shè)一縱艙壁，車輛艙內(nèi)不設(shè)橫艙壁，舷側(cè)雙殼內(nèi)位于3檔強(qiáng)肋骨間距設(shè)局部橫艙壁，與機(jī)艙棚、艏部橫艙壁形成防撓曲結(jié)構(gòu)體系，見圖7。

彈性設(shè)計最大的優(yōu)點就是車輛行駛通暢，只需一條直上直下的通路，對裝卸車輛更容易，更迅速。但對節(jié)點疲勞要求更高，對施工工藝要求嚴(yán)，針對在以往同類型船中的一些關(guān)鍵部位更容易出現(xiàn)裂紋，需要更多的結(jié)構(gòu)解析。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計中波浪載荷及隨機(jī)載荷的考慮也是直接計算法的重要組成部分。

圖5 梁與支柱的布置

圖6 梁與肋骨的布置

圖7 防撓曲力學(xué)模型

4.3 疲勞問題

汽車滾裝船的使用特點決定了船體結(jié)構(gòu)的布置，即橫艙壁少，橫向框架尺度受限制，所以，汽車滾裝船的橫向框架剛度要小于其他常規(guī)運輸船。

在波浪中，特別是橫浪和斜浪的作用下，波浪交變載荷長期作用下引起的裂紋會出現(xiàn)在汽車運輸船的強(qiáng)橫梁、強(qiáng)肋骨甚至半橫艙壁的開口角隅處，因此疲勞問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的重點之一，見圖8。

圖8 疲勞節(jié)點

在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，利用目前船級社較為成熟的有限元軟件，對疲勞敏感部位進(jìn)行超精細(xì)模型分析。利用數(shù)值計算的結(jié)果和已經(jīng)積累的設(shè)計經(jīng)驗，對疲勞敏感部位進(jìn)行節(jié)點優(yōu)化設(shè)計，在控制總重量增加的原則下提高節(jié)點的抗疲勞能力。

5 結(jié) 語

汽車滾裝船由于運輸貨物的特殊性和專業(yè)性，其設(shè)計具有非常鮮明的特點，一艘汽車滾裝船的成功設(shè)計應(yīng)具備如下特點：

· 科學(xué)合理的總體布置；

· 各項性能優(yōu)良的船體線形。（航速、油耗、伴流、穩(wěn)性和浮態(tài)）；

· 寬敞的甲板空間和整齊的甲板高度，固定和移動式甲板；

· 流暢、無甲板障礙物的車輛通道，固定和移動式坡道；

· 橫向防撓曲結(jié)構(gòu)；

· 安全有效的汽車綁扎系統(tǒng)；

· 強(qiáng)勁高效的車輛艙通風(fēng)系統(tǒng)；

· 全船減振降噪措施；

· 舷側(cè)開口的水密和成熟可靠的船艉和側(cè)門跳板。