梁家健,程海剛,蘇元凱,孟昌,倪長青

(1.中國船舶科學(xué)研究中心上海分部,上海 200011;2.無錫東方船研高性能船艇工程有限公司,江蘇 無錫 214082;3.三沙市船務(wù)管理局,海南 三沙 572500)

黃浦江水上旅游作為上海獨具特色的旅游名片,近年來浦江游覽呈現(xiàn)欣欣向榮的發(fā)展勢頭。黃浦江現(xiàn)有游船中大部分由普通客船或客滾船改裝而來,且船齡大多超過10年。老舊船型在總體布置、裝飾裝修等方面已難以滿足新時期多元化、差異化經(jīng)營需求,同時設(shè)備設(shè)施老化嚴重,噪音振動等舒適性指標持續(xù)惡化。無論從市場還是城市旅游形象提升方面,豪華游船的需求均與日俱增。

近年來,國內(nèi)外大量學(xué)者針對散貨船,油船以及客貨船的設(shè)計為游船的設(shè)計提供了大量設(shè)計思路方法以及設(shè)計要點,推動游船的設(shè)計[1-5]。本文一艘近期開發(fā)的五星級黃浦江游覽船總體設(shè)計進行簡述,并對綜合性能進行分析。重點介紹該船的主船體以及上層建筑線型設(shè)計、總布置、結(jié)構(gòu)形式在內(nèi)的總體方案,設(shè)計要點及特點;對線型方案開展基于CFD的快速性評估、基于艙室劃分的完整穩(wěn)性以及破艙穩(wěn)性校核,對破艙條件下的結(jié)構(gòu)安全性進行分析,為實船的建造提供依據(jù)。

1 設(shè)計概述

1.1 設(shè)計準則

區(qū)別于普通客船以及貨船,江上游輪在設(shè)計過程中除了需要考慮游客的最基本生活保障外,還需要綜合考慮游客的舒適、娛樂、休閑,以及購物等需求。本船主要服務(wù)于黃浦江沿途航線,屬于內(nèi)河游覽船,按照A級航區(qū),四類客船的要求并根據(jù)黃浦江通航條件量身設(shè)計,滿足晝夜安全航行要求。本船設(shè)計過程中除需滿足《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》[6]和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》[7]要求之外,還需滿足《黃浦江游覽船及碼頭營運設(shè)施與服務(wù)質(zhì)量要求》[8]中關(guān)于浦江游覽船五星評定的要求。

1.2 主尺度

主尺度的選擇與確定是一個需考慮多方因素并且平衡多方矛盾的綜合過程。在游船的設(shè)計中,需要考慮行駛航區(qū)的氣象、水文、航道和碼頭等限制條件,還需綜合考慮選取的設(shè)備尺寸、裝載乘客船員的人數(shù)以及地方性規(guī)定等。內(nèi)河游船往往因上層建筑較大導(dǎo)致重心偏高、受風(fēng)面積較大,寬度吃水比要求較一般貨運船更大。本船設(shè)計載客為400人,船東對多元化、差異化經(jīng)營的需求對布局和尺度有重大影響,在參考黃浦江現(xiàn)有游船中載客人數(shù)相近游船(“君子蘭”號、“水晶公主”號等)的主尺度的同時,對本船的尺度和布局進行優(yōu)化調(diào)整,形成主尺度初步設(shè)計意向,表1。

表1 本船初步設(shè)計參數(shù) m

1.3 性能指標

本船最佳觀光航速為8～9 kn,此工況下僅用2臺發(fā)電機組為電動機提供電力并驅(qū)動舵槳工作,振動噪聲情況優(yōu)良。電動機、主機同時起動時最大航速不低于12 kn,在設(shè)計裝載狀態(tài)下,以12 kn航速持續(xù)在靜水中航行的最大續(xù)航力達到～1 400 km。各種裝載狀態(tài)的穩(wěn)性需滿足中國海事局《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》及其修改通報對A級航區(qū)客船的要求?？钩列孕铦M足一艙不沉要求。環(huán)保指標方面,柴油主機、發(fā)電機組排放需滿足國際海事組織EEDI碳排放要求。

2 方案設(shè)計

2.1 線型

主船體線型設(shè)計方面,考慮到本船推進器采用全回轉(zhuǎn)舵槳,首先選取一艘尺度相近的常規(guī)單體船型,利用母型變換得到目標船型,對線型進行優(yōu)化設(shè)計,采用CFD技術(shù)對優(yōu)化后的線型進行評估,分析計算得到的阻力以及自由面興波。結(jié)合分析結(jié)果,在滿足總布置的前提下對主尺度進行微調(diào),在新方案的基礎(chǔ)上再次進行優(yōu)化迭代,得到滿足性能要求的線型。

2.2 總布置

針對400客位游船設(shè)計任務(wù)書的要求,綜合考慮布局合理性、結(jié)構(gòu)可靠性、工藝可行性、使用方便性和整體觀賞性,充分汲取大型游船外觀造型靈感及現(xiàn)代視覺觀感,400客位游船總體布置見圖1。本船主甲板以上分為4層,各層結(jié)構(gòu)高度分別為3.35 m、3.30 m、3.10 m和3.05 m。主甲板設(shè)有包間、大堂、休閑客艙、廚房、衛(wèi)生間和尾部露天觀光甲板等,在甲板尾部左右舷設(shè)置機艙和發(fā)電機艙入口間,在不影響乘客通行外走道的前提下,方便工作人員出入設(shè)備艙室進行作業(yè);二層甲板為駕駛甲板,首部設(shè)置露天觀光/錨泊處所,之后為駕駛室,在減小駕駛盲區(qū)的同時提供了可觀賞的區(qū)域范圍,駕駛室后為整體式宴會大廳,大廳尾部設(shè)有配餐間和服務(wù)吧臺;三層甲板為貴賓接待層,設(shè)有商務(wù)會客廳和茶水間;頂甲板為露天觀光休閑甲板,頂部配有遮陽棚,游客在此可獲得最佳游覽體驗。

圖1 400客位游船總體布置

主船體輪廓造型以從前向后的一體化線型為設(shè)計基礎(chǔ),整體采用前傾式設(shè)計,上層建筑從側(cè)視圖上呈金字塔造型,甲板長度由下向上逐層遞減,兼顧美學(xué)設(shè)計的同時有利于降低全船重心。上層建筑在船首部分與主船體型線采用流暢的一體式曲線進行無縫結(jié)合,與船體型線形成呼應(yīng),保證船體視覺的協(xié)調(diào)性與觀賞性。表2所示為各甲板人數(shù)以及室內(nèi)外面積。每層甲板布局充分考慮功能需求,同時兼顧艙室內(nèi)公共空間面積以及戶外觀光甲板面積的最優(yōu)化。

表2 各甲板人數(shù)及室內(nèi)外面積

2.3 船體結(jié)構(gòu)形式

本船主要結(jié)構(gòu)型形式設(shè)計見圖2。全船采用鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu),板材、型材均采用CCSA船用鋼材。主船體采用縱橫骨架式結(jié)構(gòu)形式,共設(shè)計6道水密橫艙壁,結(jié)構(gòu)件中的龍骨、實肋板、縱骨以及強橫梁、縱桁等大量采用T型組合型材;上層建筑方面,為保證客艙的部分的簡約與實用,在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下采用大跨距無支柱設(shè)計;外板成型方面采用加密板格、適當加厚外板等方式減少焊接變形,保證外觀平整光順。

圖2 400客位游船結(jié)構(gòu)示意

減震降噪方面,對主機基座處船底板、全回轉(zhuǎn)舵槳圍井處船底板等進行局部加強,機艙前壁面、基座面板及腹板均采用加厚板,減小振動噪音。

3 性能指標的論證

3.1 線型優(yōu)化及快速性指標論證

內(nèi)河游覽船航速及弗勞德數(shù)一般較小,若采用球鼻艏等降低興波阻力的船艏結(jié)構(gòu)會使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜化同時收效甚微。本船采用前傾式船艏結(jié)構(gòu),與水平面呈一定角度。這種形式可有效防止甲板上浪,且降低水線以下船身碰撞的風(fēng)險。對初始線型方案進行優(yōu)化,經(jīng)多輪優(yōu)化后得到最終線型方案,初始線型方案與最終線型方案對比見圖3。

圖3 初始線型與最終線型對比

相對于初始方案而言,優(yōu)化方案在船艏處改U形為V形,船艏排水量減小,在船中處,通過加大平底線的半寬以及舭部半徑,平衡了船艏處減小的排水量,同時也有利于船舶的穩(wěn)性。在船艉處,水線以下靠近船中處的半寬減小,艉封板半寬減小。

自由液面興波對比以及船艏壓力分布見圖4、5。

圖4 自由液面興波對比

圖5 艏部表面壓力分布

從初始線型與優(yōu)化線型自由液面興波對比,可以看出初始線型在船首處有上浪現(xiàn)象,線型優(yōu)化后,上浪現(xiàn)象基本消除,最終線型舷側(cè)產(chǎn)生的自由液面興波較初始線型更加平緩。對優(yōu)化方案選取多個航速進行計算流體力學(xué)計算,結(jié)合本船主機功率信息,對本船進行航速預(yù)估。不同航速下對應(yīng)的收到功率值見圖6,由預(yù)估結(jié)果可知,在主機最大輸出功率條件下,最大航速不低于12 kn。

圖6 航速預(yù)估結(jié)果

3.2 艙室劃分和穩(wěn)性校核

根據(jù)確定的主船體型線以及總布置圖,在穩(wěn)性計算軟件中對本船進行整船建模以及艙室的劃分。之后輸入進水點、有效裝載等數(shù)據(jù),對該船進行靜水力計算,并對本船在滿載出港、滿載到港、空載出港、空載到港4種工況下的完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性進行校核計算,各工況艙室破損組合見表3。

表3 穩(wěn)性計算工況

完整穩(wěn)性的計算結(jié)果見圖7。由圖7可知,相對于滿載而言,空載船舶形狀穩(wěn)性力臂和復(fù)原力臂極值更大,穩(wěn)性更好。到港時最大復(fù)原力臂也較出港時更大。這主要是由于裝載較少時,重心更低。本船設(shè)計航區(qū)為內(nèi)河A級航區(qū),根據(jù)《法規(guī)》規(guī)定:初穩(wěn)性高度應(yīng)不小于0.2 m,最大復(fù)原力臂所對應(yīng)的橫傾角θm應(yīng)不小于15°,此外,最大復(fù)原力臂所對應(yīng)的橫傾角θm,進水角θj與對應(yīng)的動穩(wěn)性力臂ld值方面,有如下規(guī)定。

圖7 完整穩(wěn)性計算結(jié)果

當min{θm,θj}≥20°時,ld(min{θm,θj,30°})≥A=0.052Cl

當min{θm,θj}<20°時,ld(min{θm,θj})≥A=0.052Cl+0.001 5(20-θ)

式中:θ=min{θm,θj},Cl=0.7+0.15L(Cl>1時取Cl=1)。

各工況下,完整穩(wěn)性中計算結(jié)果見表4。從結(jié)果來看,各工況下min{θm,θj}<20°,動穩(wěn)性力臂ld均不小于A的計算值,均滿足完整穩(wěn)性要求。

表4 完整穩(wěn)性計算結(jié)果

滿載出港條件下破艙前后穩(wěn)性對比見圖8。本船需滿足一艙不沉抗沉性要求,破艙穩(wěn)性計算狀態(tài)為滿載出港、滿載到港、空載出港、空載到港4種裝載工況,其中每種裝載狀態(tài)下有6種一艙破損組合。根據(jù)《法規(guī)》要求,客船的破損水線應(yīng)在艙壁甲板邊線的下緣;破損后客船不對稱浸水產(chǎn)生的橫傾角不超過10°;初穩(wěn)性高度不小于0.1 m;剩余復(fù)原力臂曲線在平衡角以外至進水角或消失角(取小者)至少有10°的正值范圍(或減小至5°范圍),此范圍內(nèi)曲線下的面積應(yīng)不小于0.01 m·rad。

圖8 滿載出港條件下破艙前后穩(wěn)性對比

圖9 破損各工況下的最終橫傾角θ0和初穩(wěn)性高

在SOLAS公約2020修正案中,國際海事組織修改了分艙指數(shù)R的計算方法,對客船的破艙穩(wěn)性提出了更高的要求,由修正案中新規(guī)定的分艙指數(shù),本船的分艙指數(shù)R應(yīng)不小于如下計算值

R=N/7 580+0.669 23,400≤N≤1 350

(1)

本船取N=400,由式(1)計得R=0.722。破艙穩(wěn)性計算表明,本船分艙指數(shù)A=0.792 1,滿足要求。

3.3 結(jié)構(gòu)安全性初步分析

船舶破艙進水后,穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度會變化。船舶破損后,艙室進水會引起局部載荷的集中從而改變剪力及彎矩沿船長的分布,對船舶的結(jié)構(gòu)安全性會產(chǎn)生較大安全隱患。通過對進水前后的船體總縱彎曲強度分析,判斷進水后產(chǎn)生最大剪切應(yīng)力絕對值及彎矩的部位是否能夠滿足許用應(yīng)力的要求,以對船舶進水后的結(jié)構(gòu)安全性進行初步判斷。

圖10以艉尖艙及機艙和固定壓載艙破損狀況為例,滿載出港條件下典型艙室破損前后結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比見圖10。觀察滿載出港條件下剪力及彎矩隨著船長方向上的分布,可看出在進水后最大剪切力及彎矩都有了一定程度的增加。由于艉尖艙和機艙距離船中較遠,在破損進水時,剪力及彎矩的增量較大。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中,對于總縱彎矩變化較大位置,一方面需要在局部進行骨架形式的優(yōu)化設(shè)計,另一方面也需盡可能通過裝載的配比及壓載水的調(diào)整以減小局部的應(yīng)力,從而滿足規(guī)范的要求。此外,對于客船,需結(jié)合其所在航區(qū)的水文特性,對惡劣狀況下的結(jié)構(gòu)安全性進行有限元計算,分析風(fēng)浪流作用下的全船應(yīng)力及開口,孔腔等應(yīng)力集中的點處的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)連接處的疲勞強度,綜合地對全船及局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

圖10 滿載出港條件下典型艙室破損前后結(jié)構(gòu)應(yīng)力曲線對比

3.4 內(nèi)河能效指數(shù)EEDI計算分析

內(nèi)河船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)是衡量船舶CO2排放的指標,與船舶的主機功率、裝載量以及航速直接相關(guān)。在優(yōu)化設(shè)計過程中,圍繞船舶能否達到EEDI的規(guī)定,結(jié)合本船的主機選型對本船的線型進行了優(yōu)化,并對主機配置以及裝載量進行優(yōu)化。

由本船航速預(yù)估結(jié)果,在75%主機功率下的航速Vref=11.70 kn,根據(jù)EEDI規(guī)定,本船Capacity為1 063 t。本船EEDI基線以及EEDI計算值對比見圖11。由計算可知,本船Attained EEDI為35.76,內(nèi)河綠色船舶要求的客船EEDI能效設(shè)計指數(shù)基線值Required EEDI RLV為38.82,滿足EEDI基線的要求。

圖11 內(nèi)河客船基線圖及本船Attained EEDI值

4 結(jié)論

1)在外觀設(shè)計方面,采用極簡主義設(shè)計手法,用簡練的線條營造出端莊大氣的外觀效果,上層建筑內(nèi)部設(shè)計方面在保證結(jié)構(gòu)安全性的同時,采用大跨度的無支柱設(shè)計可以減少結(jié)構(gòu)件,增加空間層次感與整體舒適度。

2)在線型設(shè)計方面,將船艏改為深V形雖可以在一定程度減小船體的阻力從而達到航速要求,但排水體積會有一定程度的減小,此時可將減小體積增至對阻力性能影響不顯著的船中處,在平衡體積減小的同時保證船體快速性能。

3)客船上層建筑相對主船體較散貨船、集裝箱船等船舶更大,且客船搭載乘客,穩(wěn)性衡準較貨船更高。在破艙穩(wěn)性校核時,需注意選取包含所有危險的破損組合工況進行校核。此外,在總縱彎矩變化較大的區(qū)域,可綜合采用局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)整壓載配比等手段,保證全船的結(jié)構(gòu)安全性。