謝立新

（上海船舶研究設計院，上海 200032）

0 前言

近年來,隨著我國人民生活水平的不斷提高，小汽車在尋常百姓家庭的普及率迅猛上升，產量也逐年提高。這對配套的商品車物流能力提出了更高的要求。水路運輸因其較陸路運輸具有更經濟、更安全、更高效等優(yōu)點，是目前主要的大批量運輸方式。然而，現階段，在我國沿海南北航線上營運的汽車滾裝船大多是上世紀八十年代日本建造的二手舊船，普遍存在船齡長、安全隱患多、續(xù)航力低和載車量少等弊端，且都瀕臨報廢淘汰，已不能滿足我國汽車產量高速增長的要求。市場迫切呼喚全新的國產汽車滾裝船的問世。

深圳長航滾裝物流股份有限公司（前身為“深圳長航實業(yè)發(fā)展有限公司”），作為較早進軍我國水路滾裝物流領域的企業(yè)之一，經營戰(zhàn)略著眼長遠，積極抓住國內船舶和汽車兩個市場機遇，于2007年率先與上海船舶研究設計院（SDARI）合作，在南京金陵船廠訂購4艘2000車位汽車滾裝船 （簡稱2000 PCC），力圖在我國沿海南北航線滾裝物流領域占據更大份額。目前，首制船“長吉隆”號已于2009年2月順利交船，包括載車量、航速在內的主要性能指標均達到設計要求，特別是載車量指標，超出原設計任務書要求近400車位。船東對該船型的開發(fā)設計和建造均表示滿意。

該船也是首艘入中國船級社的新建汽車滾裝船。

1 用途和主要參數

該船是一艘單機單槳、低速柴油機驅動的純轎車汽車滾裝船，無限航區(qū)，適合同時承運多種乘用車。主要承擔我國沿海南北航線（大連－天津－上海－東莞－?？冢┑臐L裝物流任務，同時兼顧中日航線。

該船的主尺度和參數如下：

2 設計特點

2.1 主尺度

PCC屬于典型的布置地位型船舶，其主尺度很大程度上取決于所需的布置，即取決于載車量或有效甲板面積，而載重量并不作為主要的考慮因素。汽車滾裝船的載車能力按照業(yè)界的規(guī)定通常用名義車位數或有效面積來衡量。業(yè)界所稱的車位是用RT43L車型為標準核算的，RT43L是日本首次向北美出口的“CORONA RT43L”，L 表示左手方向盤［1］，其尺寸為 4125 mm×550 mm×420 mm（L×B×H），計算空車重量為1000 kg。車輛所占實際面積再加上車長方向間隙300 mm和車寬方向間隙100 mm，以此面積作為車輛布置依據。有效車輛甲板面積和載車數二者的比值大約為8.2～8.3。該船就是以裝載2000輛RT43L或約16600 m2有效車輛甲板面積作為確定主尺度的基本要素。

在一定的主機功率下，確定PCC的吃水時，除了考慮浮力、螺旋槳浸沒深度和港口航道水深等常規(guī)因素外，還應結合碼頭潮差和尾跳的工作范圍，重點考慮尾跳的安裝高度。因為尾跳作為PCC的關鍵滾裝設備，直接影響船舶的裝卸效率。該船吃水定為6 m，尾跳高度定在6甲板，既保證船舶能進入我國沿海各主要滾裝碼頭水域，又能保證尾跳在各碼頭不同潮位下都能正常工作，不必候潮。

2.2 總布置

從尺度和載車量來看，該船在PCC家族中雖稱不屬于大型PCC，但是作為PCC應具備的特征一應俱全。如多層連續(xù)甲板、薄板結構、尾跳與坡道、舷側貨艙通風等。該船共設10層連續(xù)甲板，1～9層為車輛甲板，第10層甲板為居住甲板，駕駛室位于首部，設有帶球鼻的傾斜船首和方尾，采用定距槳和懸掛式半平衡舵，并裝有首側推器，第6層甲板船中兩舷設舷梯，供人員上下船之用，總布置圖見圖1。

船東對該船的營運定位是專門運輸小型乘用車，不考慮卡車，每層車輛甲板的凈高及負荷見表1；其中5甲板和6甲板層高及甲板結構強度滿足裝載越野車（SUV）的要求。

該船的貨艙區(qū)第4甲板以下為雙殼結構，水平密性劃分原則是在滿足干舷前提下力求艙容均衡，使CO2容量配置最低。因此，整個貨艙分為1個水密區(qū)域和3個氣密區(qū)域，即第1甲板、第5甲板和第6甲板（機艙區(qū)域）為水密甲板，第7甲板和第9甲板為氣密甲板，其余均為非密性甲板；9層車輛甲板通過8個固定坡道、1扇鉸鏈式水密門和2扇鉸鏈式氣密門實現彼此連通與分隔要求。圖2為該船貨艙的劃分形式。

圖1 總布置圖

表1

2.3 船體結構

該船船體結構為混合骨架式，即所有甲板、船底和4甲板以下舷側為縱骨架式，4甲板以上舷側考慮到風道設計為橫骨架式，因總布置和運輸貨物的特殊性，主要有以下特點：

2.3.1 多層薄甲板結構

根據馮志遠、楊國旗等學者對發(fā)動機連桿在不同工況下，用有限元軟件進行疲勞壽命分析可知，連桿在交變應力的作用下，桿身部位處于單軸應力狀態(tài)。連桿小頭油孔、小頭與桿身過渡部位、大頭與桿身過渡部位、連桿蓋螺栓沉孔部位均處于多軸應力狀態(tài)，這些都是極易發(fā)生疲勞斷裂的潛在區(qū)域[17-18]。有限元分析結果如圖2所示。

該船共設9層車輛甲板，含第10甲板（上甲板）在內共10層連續(xù)甲板，這導致空船重心偏高，控制空船重心高度成為結構設計首先要考慮的問題。為此車輛甲板間凈高在考慮了甲板變形和車輛頂部距結構的間隙等因素后，在滿足所裝載的車輛高度下盡量低；同時車輛甲板的厚度也盡量減小，僅有5.5 mm～6 mm，甲板橫梁和縱桁高度盡量壓縮。為了減小橫梁跨距和便于車輛在艙內行進，僅在船體中心線處設一排支柱，每16檔設一根，艙內不設橫艙壁或半艙壁。由于主機吊缸高度要求，5甲板在機艙處有抬高。

2.3.2 總縱強度

由于甲板層數多，且都為連續(xù)甲板，該船的剖面模數有較大富裕。但由于方形系數較小，在各種載況下的靜水彎矩都為中拱，和波浪彎矩合成后使得船底區(qū)域受到較大的彎曲壓應力，而合成后對于甲板上的壓應力則比較小。但由于甲板的結構較單薄，且舷側采用橫骨架式，在總縱彎矩下的屈曲需要關注［2］。

圖2 貨艙劃分圖

2.3.3 橫向強度

對于不設橫艙壁或半艙壁的車輛艙，橫向強度是結構設計的重點，橫向強度問題主要源自貨物的橫向慣性力。由于貨物裝載位置較高，當船舶橫搖時，貨物會引起較大的慣性力，通過舷側強肋骨向下傳遞，使強橫梁和強肋骨發(fā)生扭曲變形，會在強橫梁和強肋骨連接部位形成高應力區(qū)。由于該船凈高的要求，無法通過設置常規(guī)肘板來降低應力，而是通過每4檔設置強框架，并將強橫梁和強肋骨連接處局部采用AH36高強度鋼，強橫梁面板端部放大，保證了足夠的橫向強度。借助于艙段有限元計算，該船橫向強度得到驗證。

2.4 滾裝通道設備

該船的滾裝通道設備主要由尾部斜跳板 （兼尾門，左右舷各一）、固定坡道、水密門和氣密門組成。

尾斜跳布置于第6甲板尾部，與船體中心線夾角35°,為三節(jié)鉸鏈式，液壓控制。主要技術參數見表 2。

表2 主要技術參數表

從跳板的工作范圍看，跳板具有 4.21 m（4.68－0.47）的調節(jié)潮位變化能力，見圖3。甲板離碼頭的高度與尾跳型深、吃水、碼頭標高及潮高存在以下函數關系：

圖3 調節(jié)潮位變化能力圖

式中：

h——甲板離碼頭高度；

H——尾跳甲板處的型深，該船H=12.22 m；

t——潮高；

T——船舶尾吃水；

F——碼頭標高。

上述關系式中（F-t）即為碼頭高度，其與尾吃水T成反比例函數，見圖4。利用圖4，能直觀地判斷尾跳是否可以收放，以該船航線上五個港口（大連、天津、上海、東莞和?？冢槔?，根據其水文資料（見表3），高潮和低潮時的碼頭高度分別為（F-t1）和（F-t2），繪出各港口的碼頭高度范圍，見圖 5，位于圖4中高、低界限之內的碼頭高度，尾跳都能正常收放。

圖4 碼頭高度與尾吃水函數

表3 港口水文資料

圖5 碼頭高度示意圖

汽車滾裝船另一重要的通道設備就是坡道。從船東對該船的經營戰(zhàn)略定位和船舶建造成本考慮，該船車輛艙內全部采用固定車輛甲板配以固定坡道。根據乘用車的爬坡能力，所有坡道的最大坡度不超過12°，且兩端3 m～4 m范圍內其坡度不大于5°，并采用圓弧過渡,形成微“S”形，避免車輛上下坡碰擦底盤，見圖6。坡道沿舷側布置，并向船首延伸，以減少車輛掉頭次數,車輛行進采用直線式和螺旋式相結合的路線,盡可能縮短車輛在艙內的行車路線長度，大大提高了裝卸效率。

2.5 車輛綁扎

車輛綁扎由兩部分組成，即甲板上的固定件和用于綁扎車輛的各種器材。

甲板上的固定件的選取隨各層甲板的密性要求不同而不同。該船由于裝載車輛都為輕型乘用車，負荷相對較小，所以固定件的種類相對較少，在第1甲板、第9甲板及其余液艙部分的甲板采用波形條，如圖7（a），其余甲板均采用直接在甲板上開?60圓孔的形式，如圖7（b），但對有密性要求的甲板（第5甲板和第7甲板）還要在甲板下方裝焊冷壓成形的密性罩，如圖7（c）。所有固定件下甲板無需額外加強。

圖6 坡道示意圖

圖7 車輛綁扎示意圖

該船的綁扎器材主要是尼龍綁扎帶，其寬度為25 mm，有效長度為1600 mm，破斷負荷為180 kg。除了綁扎帶之外，船上還配置了一定數量的車輛墊塊。該船的綁扎器材雖然品種不多，但數量卻很大，如以滿載2400輛小汽車計算，每輛4根綁扎帶，就需9600根，再考慮約5%的備用品，那么總數將超過10000根，可見整個綁扎器材數量之多！為了方便使用和存放，通常將這些綁扎帶整齊懸掛于各層車輛甲板強肋骨之間及前后艙壁上。

2.6 貨艙通風

該船貨艙通風次數根據規(guī)范設計為航行中10次/h和港內裝卸貨20次/h，將危險區(qū)域控制在甲板面上450 mm以內。為了降低成本，該船貨艙采用機械進風、自然出風的常用通風形式，第10甲板首部和舯部舷側共計布置了28臺非防爆、可逆轉軸流風機，以適應進風或抽風的需要，不過作為抽風機使用時，僅限于當貨艙內無車輛時開啟。由于中國船級社的特殊要求，為了改善自然出風的效果，該船尾部還額外布置了2臺防爆抽風機，用于抽取車輛艙底部（第1甲板和第2甲板）殘余的危險氣體。為了不占用車輛甲板有效面積，該船所有風機沿船長方向布置，橫向通風，風道與結構強肋骨建為一體，風道寬度等于強肋骨腹板高度。

3 結語

2000車位汽車滾裝船的設計成功，意義重大。不僅填補了SDARI在中小型汽車滾裝船設計領域的空白，也開創(chuàng)了我國此類型船舶自行設計的先河，其良好的技術性能和優(yōu)越的經濟性為船東迅速擴大市場分額起到了關鍵作用，并在業(yè)內引起了轟動效應，已有多家汽車物流企業(yè)和船廠對此船型產生濃厚興趣，紛紛委托SDARI做前期開發(fā)。相信國家對汽車和造船兩大產業(yè)的振興調整規(guī)劃的出臺，必將引發(fā)汽車滾裝船的設計和建造高潮。

［1］高勇軍.汽車滾裝運輸船的特點和發(fā)展趨勢［J］.船舶設計通訊，2007，（1）.

［2］鄭剛、顧曄昕.汽車運輸船的結構設計［J］.上海造船，2008，（2）.