萬正田，王艷春

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 引 言

三沙市作為我國最南端的城市，地處全球最繁忙的海上通道的前沿，戰(zhàn)略地位重要。由于該市管轄的海域面積較大，內(nèi)部島嶼眾多，且與大陸相隔遙遠(yuǎn)，亟需大型交通補給船保障其交通運輸需求?！叭?號”交通補給船是由上海船舶研究設(shè)計院為三沙市政府研發(fā)設(shè)計的交通補給船，主要承擔(dān)三沙市所屬的西沙、南沙和中沙群島海域的綜合補給、島礁考察、行政管理、應(yīng)急救援及指揮、醫(yī)療救助和軍地融合等任務(wù)。該船的成功建造和運營極大地提升了南海各島礁之間的交通和運輸保障能力，為我國履行海上搜救、人道主義救援等國際責(zé)任提供了有力支撐。

“三沙2號”交通補給船總長128 m，型寬20.4 m，結(jié)構(gòu)吃水5.7 m，共有9層甲板，可載客400名，額定船員76名，車道長度240 m，服務(wù)航速20 kn，最大續(xù)航力6 000 n mile，入級中國船級社（China Classification Society，CCS），掛中國旗。圖1為該船側(cè)視圖。作為一艘具有運載旅客、滾裝車輛（包括裝甲車）、集裝箱拖車和補給淡水等功能的大型交通綜合補給船，該船的功能非常多樣化。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，由于船舶功能的多樣化和船舶的重要性，船體結(jié)構(gòu)除了要滿足客滾船的強度要求以外，還要滿足交通補給船的高安全性和便捷舒適性需求，以及其他常規(guī)船舶的使用要求。

圖1 “三沙2號”交通補給船側(cè)視圖

1 結(jié)構(gòu)重量和重心控制

由于客滾船的船型復(fù)雜，居住區(qū)面積較大，上層建筑層數(shù)較多，內(nèi)部裝修豪華，且對載重量有很高的要求，故其空船重量和重心控制一直是設(shè)計的重點和難點，直接影響到船舶的穩(wěn)性和載重量等重要性能指標(biāo)。隨著“三沙2號”交通補給船建造項目的逐步推進(jìn)，船東對船舶的使用功能有所調(diào)整，特別增加了對醫(yī)療救助和軍地融合功能的需求，這對船體重量和重心控制是不利的。因此，在保證結(jié)構(gòu)強度和舒適性滿足要求的基礎(chǔ)上，減輕結(jié)構(gòu)重量是船舶設(shè)計中的一項重要研究課題。為實現(xiàn)該目標(biāo)，進(jìn)行以下幾個方面的研究。

1.1 客艙區(qū)域減重措施

“三沙2號”交通補給船與其他常規(guī)客滾船相比，車輛艙較小，客艙所占區(qū)域較大。3甲板以上都是居住區(qū)域，面積大，層數(shù)多，這些區(qū)域結(jié)構(gòu)的重量和重心對全船的重量和重心有很大影響，因此對居住區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化和精細(xì)化設(shè)計非常必要。按照船級社規(guī)范的要求，在對船舶進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，只需對車輛艙的橫向強度進(jìn)行有限元直接計算，無需對客艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。為優(yōu)化客艙區(qū)域的結(jié)構(gòu)，建立全船有限元模型，對客艙區(qū)域結(jié)構(gòu)的強度進(jìn)行直接計算，以便不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定強框架結(jié)構(gòu)尺寸，并對客艙區(qū)域的整體布置提出建議。在保證結(jié)構(gòu)強度滿足要求的前提下，盡可能地減少客艙區(qū)域結(jié)構(gòu)艙壁的數(shù)量，增加支柱并優(yōu)化其位置，由此提高結(jié)構(gòu)的利用率。此外，為減輕上層建筑的重量，降低全船結(jié)構(gòu)重心，該船5甲板以上區(qū)域的內(nèi)圍壁全部采用5 mm厚的壓筋板結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的板筋結(jié)構(gòu)，這樣既能減輕結(jié)構(gòu)重量，又能減少船廠建造船舶時的薄板焊接和焊接變形控制工作量。

1.2 艏部區(qū)域減重措施

在CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》第2.15.3節(jié)“船首底部加強”中，對船首底部結(jié)構(gòu)布置提出了描述性規(guī)范要求，對船底板和船底縱骨尺寸也提出了要求。根據(jù)規(guī)范的要求，需對船首底部區(qū)域（0.7L至艏部，其中L為船長）的強框架布置進(jìn)行加密，實肋板間距由4檔肋位改為2檔肋位，縱桁間距由5縱骨間距改為3縱骨間距，且肋板和縱桁板的厚度不變。為減輕艏部區(qū)域的結(jié)構(gòu)重量，對艏部結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行優(yōu)化，不采用加密布置，而是采用與貨艙區(qū)域相同的布置方案，即實肋板間距為4檔肋位，縱桁間距為5縱骨間距，并采用直接計算的方法校核艏部區(qū)域的結(jié)構(gòu)強度。

經(jīng)過與船級社協(xié)調(diào)溝通，將船首強度直接計算分為以下2部分：

1）采用水動力分析方法計算得到船首底部不同肋位處的砰擊載荷；

2）將載荷加載到結(jié)構(gòu)有限元模型中，校核船首底部板架結(jié)構(gòu)的砰擊強度。

計算結(jié)果表明，采用水動力分析評估方法，艏部區(qū)域可減重約35 t，減重效果明顯，同時能降低結(jié)構(gòu)布置的難度。

1.3 艉軸區(qū)域減重措施

客滾船因線型的限制，其主機一般布置在舯部偏艉處，導(dǎo)致推進(jìn)軸系較長。根據(jù)艉部線型的差異，艉軸一般有2種布置方案：人字架艉軸加短艉鰭方案和人字架艉軸加縱流型船尾方案。該船的艉軸布置初始方案為前者（見圖2）。這種方案的優(yōu)點是伸出船體的艉軸管較短，軸系設(shè)計難度較小；缺點是船體濕表面積較大，結(jié)構(gòu)重量較大。為減輕船體重量，與其他專業(yè)協(xié)調(diào)之后，改為采用人字架艉軸加縱流型船尾方案（見圖3）。在艉軸船體出口處直接采用鑄件過渡，以取消艉鰭，這樣雖然會增加設(shè)計和施工的難度，但能減輕結(jié)構(gòu)重量和阻力。同時，在設(shè)計鑄件時，在滿足施工和使用要求的前提下，通過反復(fù)優(yōu)化減輕鑄件重量。

圖2 人字架艉軸加短艉鰭方案

圖3 人字架艉軸加縱流型船尾方案

1.4 機艙區(qū)域減重措施

該船的機艙采用雙機、雙槳、雙舵布置，機艙區(qū)域較長，占到了船長的1／2，機艙前端壁接近于船中（0.5L處）。若機艙雙層底區(qū)域按常規(guī)布置采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，將不利于控制重量。因此，在設(shè)計機艙時，除了規(guī)范強制要求的將主機下方結(jié)構(gòu)設(shè)置為橫骨架式結(jié)構(gòu)以外，其他區(qū)域盡量采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，以減輕結(jié)構(gòu)重量。

2 船體總縱強度

與常規(guī)客滾船相比，該船的布局對船體總縱強度存在以下不利影響。

1）在3～5甲板，船中0.4L向船首為客艙區(qū)，向船尾為車輛艙區(qū)。為提高客艙空間的利用率，減小舷側(cè)結(jié)構(gòu)所占空間，3～5甲板的舷側(cè)結(jié)構(gòu)（包括車輛艙和客艙區(qū)域）采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，對總縱強度不利。

2）4甲板只從船首延伸至船中，不能參與船中區(qū)域的總縱強度，而船中的總縱載荷最大，對總縱強度不利。

3）5甲板上的區(qū)域因船體外觀造型的要求，窗戶采用的是落地窗形式，導(dǎo)致舷側(cè)外板開孔較大，結(jié)構(gòu)的連續(xù)性較差，對總縱強度不利。

為保證船體總縱強度滿足要求，在設(shè)計結(jié)構(gòu)時對船底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，選擇合理的結(jié)構(gòu)布置方式，使參與總縱強度的縱向構(gòu)件盡量多，特別是機艙區(qū)域，以滿足規(guī)范對總縱強度的要求。此外，上層建筑外板的大開孔會嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)總縱強度的有效性，并在角隅處造成應(yīng)力集中。采用有限元細(xì)化分析方法對角隅區(qū)域的總縱應(yīng)力水平進(jìn)行評估（見圖4），特別是艏艉的開孔角隅，初始應(yīng)力值會遠(yuǎn)超衡準(zhǔn)值。對危險區(qū)域的節(jié)點進(jìn)行特別的設(shè)計，并適當(dāng)增加板厚，以滿足設(shè)計要求，預(yù)防疲勞裂紋的產(chǎn)生。

圖4 上層建筑端部（艉端）有限元模型

3 柔性風(fēng)道設(shè)計

客滾船的機艙頂部甲板一般為車輛甲板，承受的載荷很大。該船的車輛甲板均布載荷為3 t／m，軸載荷為20 t，若機艙風(fēng)管按常規(guī)要求設(shè)計成剛性風(fēng)管，風(fēng)管結(jié)構(gòu)會作為強構(gòu)件參與承擔(dān)車輛甲板載荷。同時，該船的航速較高，主機功率較大，機艙通風(fēng)量也較大，結(jié)構(gòu)風(fēng)管的外形尺寸和板厚會較大，且風(fēng)管上的加強筋尺寸也很大，對通風(fēng)效果有很大的影響。此外，風(fēng)管出風(fēng)口的開口一般在強構(gòu)件端部，不能滿足規(guī)范的要求，需額外考慮，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大的難度，且對重量控制極為不利。在該船的設(shè)計中，創(chuàng)新性地采用柔性風(fēng)道設(shè)計，用壓筋板（板厚為5 mm）做結(jié)構(gòu)風(fēng)管（見圖5）。通過計算并與船級社溝通，確定柔性風(fēng)道可不參與承擔(dān)車輛甲板載荷，車輛載荷仍由原船體結(jié)構(gòu)承擔(dān)。這種柔性風(fēng)道只需保證氣密性滿足要求，結(jié)構(gòu)尺寸可大大減小，出風(fēng)口的開口也無需額外考慮強度問題。從實船運營情況來看，該風(fēng)道結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)強度問題。這種柔性風(fēng)道設(shè)計既降低了結(jié)構(gòu)風(fēng)管的設(shè)計難度，又減輕了結(jié)構(gòu)重量。

圖5 縱向和橫向結(jié)構(gòu)風(fēng)管

4 艙室整體安裝對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

客船上層建筑強構(gòu)件腹板高度的確定通常有2種方案：一種是高開孔腹板方案，管系穿過橫梁和縱桁；另一種是低腹板不開孔方案，設(shè)置支架讓管系直接在橫梁和縱桁下穿行。在本文所述船舶的設(shè)計中，出于減小艙室層高和減輕結(jié)構(gòu)重量考慮，選擇低腹板不開孔方案（腹板高度為230 mm）。但是，船廠在生產(chǎn)設(shè)計時改變了上層建筑客房區(qū)域的建造方案，對客房區(qū)域采用艙室整體安裝的建造方式，要求在橫梁上盡可能多地預(yù)留大開孔（開孔高度為180 mm），其他區(qū)域（如公共處所）的建造方式和結(jié)構(gòu)形式不變?？紤]到2種區(qū)域的建造方式不同，為保證船廠施工的便利性，與船廠反復(fù)協(xié)調(diào)之后，只將客房區(qū)域的強構(gòu)件高度加大至340 mm，并預(yù)留足夠多的開孔。從理論上看，這樣的結(jié)構(gòu)形式不再是傳統(tǒng)的梁系結(jié)構(gòu)，而是類似桁架的結(jié)構(gòu)，超出了規(guī)范強度校核的要求，也不再適用經(jīng)典梁系理論，無法采用傳統(tǒng)的方法校核其強度。為解決該問題，本文采用有限元細(xì)化模型分析代替規(guī)范強度計算，由此校核這種類似桁架結(jié)構(gòu)的強度。細(xì)化模型采用shell

和beam／bar單元仿真模擬船體艙段范圍內(nèi)的各構(gòu)件，細(xì)化區(qū)域網(wǎng)格大小為50 mm×50 mm。通過有限元分析，合理地確定結(jié)構(gòu)的尺寸和開孔邊緣的結(jié)構(gòu)形式，由此降低構(gòu)件的應(yīng)力水平，提高結(jié)構(gòu)的安全性。典型的上層建筑橫梁有限元細(xì)化模型及其應(yīng)力水平見圖6。

圖6 典型的上層建筑橫梁有限元細(xì)化模型及其應(yīng)力水平

5 振動和噪聲控制

該船屬于高速船，主機為中速機，扭矩激勵相對較大，螺旋槳激勵頻率相對較高。從布置來看，艉部具有全通車輛甲板，并設(shè)有2個艉門，開口較大，艉部剛度較小，且滾裝設(shè)備較重，導(dǎo)致艉部結(jié)構(gòu)的固有頻率較低，與螺旋槳激勵頻率相差不大，存在共振的可能性，因而全船的振動和噪聲控制為該船設(shè)計的重點和難點。

5.1 振動控制

在設(shè)計初期，從總布置入手，使上層建筑的主要分隔橫艙壁與主船體橫艙壁對齊，并盡量往船底延伸或由強力桁材支撐（如圖1所示）；上層建筑側(cè)圍壁與主船體縱艙壁對齊或采用縱桁支撐，并適當(dāng)增加支柱，提高上層建筑的剛性。

在設(shè)計后期，通過全船有限元模型計算全船的固有頻率及其在螺旋槳激勵力作用下的振動響應(yīng)。另外，對艙室內(nèi)的板、板格和板架等局部結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行計算。計算結(jié)果表明，艉部有局部振動超標(biāo)。對此，采取以下改善措施：

1）主機由環(huán)氧樹脂支撐墊塊安裝改為彈性安裝；

2）5～7 甲板艉部露天區(qū)域兩側(cè)改為全封閉結(jié)構(gòu)，加大6甲板、7甲板和8甲板部分區(qū)域縱骨的尺寸，提高艉部的整體剛度，使其固有頻率與螺旋槳倍葉頻激振力頻率錯開，降低共振的風(fēng)險。

經(jīng)實船測試，該船的客艙、機艙和艉部等區(qū)域的振動響應(yīng)均滿足振動標(biāo)準(zhǔn)的要求，且具有較大的裕度。

5.2 噪聲控制

在設(shè)計初期，主要通過合理的布置控制噪聲的傳播。在噪聲源艙室（如風(fēng)機室、機艙棚）外圍設(shè)置隔離空艙（見圖7），避免居住艙室布置在噪聲源艙室附近，并在兩者之間布置一些對噪聲要求不高的艙室（如過道、儲藏室等）。

圖7 風(fēng)機室隔離空艙

在設(shè)計后期，根據(jù)該船的噪聲計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)機艙棚和車輛艙風(fēng)道附近有部分艙室噪聲超標(biāo)，而風(fēng)機室（設(shè)有隔艙）周圍艙室的噪聲未出現(xiàn)超標(biāo)的情況。結(jié)合船廠的施工情況等因素，對超標(biāo)區(qū)域采取以下改善措施：

1）將機艙集控室天花板做成微穿孔吸音板；

2）在4甲板艙室與貨艙風(fēng)道公共圍壁處使用高隔聲板，增設(shè)阻尼；

3）在5甲板機艙棚與廚房相鄰側(cè)壁增加玻璃棉，在與餐廳相鄰側(cè)壁增加高隔聲板；

4）在甲板與機艙棚相鄰的右舷房間，其圍壁采用高隔聲板，天花和內(nèi)襯板采用微穿孔吸音板。

通過采取以上措施，實船試航的噪聲測量結(jié)果滿足衡準(zhǔn)要求。

6 結(jié) 語

本文對“三沙2號”交通補給船結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點和難點進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

1）可通過優(yōu)化布置的方法減輕客艙區(qū)域和機艙艉軸區(qū)域的結(jié)構(gòu)重量；可通過采用水動力分析方法評估船首底部砰擊強度減輕船首底部區(qū)域的重量。

2）與傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)風(fēng)道相比，柔性結(jié)構(gòu)風(fēng)道方案可避免風(fēng)道承受車輛甲板載荷，減輕結(jié)構(gòu)重量和降低結(jié)構(gòu)風(fēng)道的設(shè)計難度。

3）可采用桁架式強橫梁方案降低艙室整體安裝給船廠建造帶來的不利影響，充分發(fā)揮艙室整體安裝的優(yōu)勢。

4）對于對振動和噪聲要求較高的船舶而言，可在設(shè)計初期通過定性分析設(shè)置一些預(yù)防措施（如隔艙等），在后期通過對全船進(jìn)行仿真計算采取相應(yīng)的改善措施，滿足相關(guān)規(guī)范和規(guī)則的要求。該船的結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造經(jīng)驗可供今后同類型船舶的設(shè)計和建造參考。