45000t集装箱滚装船结构设计

欧阳杰，沈朝晖

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

设计与研究

45000t集装箱滚装船结构设计

欧阳杰，沈朝晖

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

45000t集装箱滚装船的设计理念与常规集装箱滚装船完全不同，其将船体中部设置为滚装区域、将艏艉设置为集装箱区域，并对主甲板以下的集装箱货舱采用大开口、无舱盖设计。这种创新的设计方法可有效减少船舶航行中的压载水量，最大化载货量，提高船舶的经济性。45000t集装箱滚装船作为一种全新的船型，其船体结构相当复杂，重点介绍其结构特点和设计难点及在设计过程中需要考虑的强度计算问题，并对关键部位的设计进行说明。该船结构的设计方法可供同类船舶设计参考。

集装箱滚装船；总纵强度程度；刚性设计；滚装设备；过渡结构；疲劳强度分析

0 引 言

沪东中华造船（集团）有限公司设计建造的45000t集装箱滚装船是目前世界上最大、最先进的集装箱滚装船，同时具备集装箱船和滚装船的特点，体现了2种船型设计技术的进一步发展。

为提高集装箱装卸效率，该船的集装箱货舱采用大开口、无舱盖、无绑扎和超高连续导轨架设计。目前绝大多数集装箱滚装船都将主甲板以下货舱布置为滚装货舱，集装箱堆放于主甲板以上；而该船为载货量最大化，将滚装货舱主要布置在船体中部，并使滚装区域通道穿过机舱区域，将集装箱区域分成2部分，分别布置在艏部和艉部。这种独特的布置可有效减少船舶在满载/重载航行下的压载水量，提高船舶的经济性。该船实船图见图1。

1 船型特点

根据装载手册确定包络线（弯矩、剪力及扭矩曲线）是结构详细设计的前提。考虑到特殊的货物装载布置，船舶在正常航行过程中会处于中拱状态，且中拱弯矩较大，因此采用纵骨结构形式。由于该船前部集装箱货舱采用大开口、无舱盖设计，因此必须满足国际海事组织海上安全委员会（MSC）的相关要求，即MSC/Circ.608/REV.1。在确定弯矩和剪力曲线时要考虑到前部集装箱货舱进水的影响，具体的进水量需通过水池船模试验求得。同时，船舶的总纵强度、局部强度和极限强度要满足集装箱货舱完全进水工况下的强度要求。

滚装区域主要位于船舶中部，除7层固定甲板以外，在三甲板与七甲板之间还设置有4层活动甲板。滚装货舱可装载多达11种车辆（如轿车、拖车、铲车、超长拖车（35m）、超重平板车（240t）等）。除普通滚装货以外，还可装载集装箱、大型工程机械等，最大能装载长35m，高7.45m的车辆。为满足装载超高、超宽特种货物的要求，在艉部布置有大型艉门、进口坡道，坡道上左右舷各布置有1个大型水密门，这些大型水密门门框四周的结构必须具有足够的强度和刚度，以保证破舱情况下水密门的密性要求。

2 结构设计

2.1 主要设计难点

由于特殊的货舱布置形式，该船的结构设计相当复杂，主要体现在以下6个方面：

1) 从艉门进来有3条主要通道。其中，左边通道（为坡道）通往二甲板、内底板；中间通道（为坡道）通往三甲板以上的滚装甲板；右边通道（为平直通道）是通往三甲板的车辆通道。这3条通道经过艉部（含机舱区域），导致该区域结构完全不对称，加上斜纵壁、斜坡道及斜坡道顶等斜面众多，需要与平直结构合理过渡，经常出现3个面交叉的节点，过渡相当复杂。对于纵向连续结构，在计算总纵强度时需经过直接计算确定其参与总纵强度的程度。图2为艉门、进口坡道图。

2) 滚装区域由于装载车辆种类繁多，板厚、骨材及主要支撑构件的强度校核工况十分复杂。图3为滚装货舱中间支柱图。

3) 位于中部的滚装区域，在主甲板（四甲板）与五甲板之间的外板、内纵壁及五甲板一定程度上参与船体总纵强度的计算。由于前后过渡区域构件有较大的突变，因此要进行大量的有限元细化分析，合理过渡，确保其结构强度及疲劳强度。

4) 整个滚装区域除了仅绑扎小轿车的绑扎点不需要结构加强以外，其余近万个绑扎点都需要按照规格书要求的12.5t的设计载荷进行结构加强。

5) 对于各个滚装设备，在合理布置的同时需对其进行结构加强，尤其是3个水密门，还要考虑破损工况下门框周围结构的变形情况，保证破损时门的水密性。

6) 滚装区域的通风系统和水消防系统是45000t集装箱滚装船的设计难点之一，需要与通风专业及管系专业人员不断协调，合理布置 59台风机，保证风量，并在狭窄的舷侧双壳结构内布置消防、落水箱体结构。

2.2 主要节点结构强度分析

集装箱船和滚装船是2种截然不同的船型，主要结构布置完全不同。大开口的集装箱船主要采用舷侧的抗扭箱和根据堆箱图布置的各层舷侧甲板、纵舱壁来保证其总纵强度，同时在横向上设置横舱壁来保证其横向强度和抗扭刚度[1]。而滚装船则主要靠各层全宽甲板及甲板纵桁、舷侧双壳结构、底部双层底结构来保证总纵强度。45000t集装箱滚装船主甲板以上的中部滚装区域的连续纵向构件必然要承受总纵弯曲应力，而这些构件参与总纵弯曲的程度很难用规范给出的计算方法来确定。王佳颖等[2]利用有限元计算模型，沿船长方向应用悬臂梁原理，在各个强框架上施加垂向载荷，以得到包络线所要求的弯矩值（静水弯矩+波浪弯矩），从而得到各纵向构件所受的总纵弯曲应力，进一步获得这些构件参与总纵强度的效率。图 4为中部滚装货舱五甲板参与总纵强度的范围。

从图4中可看出，利用有限元计算模型得出的五甲板实际有效参与总纵强度的范围大致在突变处（或开孔处）起至斜向30°范围内，高于规范要求的15°斜向范围。对于其他纵向构件的大开孔处、截面突变处，可采取类似的计算方法，从而优化设计。

同时，从有限元应力分布图上可发现，外板在前后过渡区域处有明显的应力集中现象。为使结构合理过渡，减小应力集中，在向艉处采用弧形设计（见图5），并通过增加面板来减小应力；而在向艏处采用箱体结构（见图6）。

45000t集装箱滚装船在Fr108和Fr231处的主甲板下设置2道横舱壁，为提高有效载货面积及便于滚装区操作、运营使用，滚装区域甲板的船宽方向上只在船中设置一排中间支柱。这些支柱与滚装区域前后横舱壁及舷侧双壳结构共同承受来自各层甲板的货物载荷，处在最底层的支柱承受的垂向载荷最大，其下方的高应力区域的支撑结构是局部舱段有限元计算校核的重要节点。滚装区域底层支柱支撑结构形式及有限元应力分布见图7。

当船舶发生横摇时，甲板上的滚装货物会引起较大的横向惯性力[3]。这些横向力会通过甲板强横梁传到舷侧，因此将五甲板以下的舷侧设计成双壳结构可有效抵抗船舶横摇时发生的扭曲变形（Racking变形）。同时，由于左右舷水压不对称，会产生较大的横向弯矩。横向强框架靠近舭部的区域为高应力区，因此将舷侧设计成边舱结构形式，以增加抗弯刚度和抗剪刚度。此外，横向弯矩会在强横梁端部与纵向结构连接处产生附加应力，由于受到净高限制，因此只能通过增加强横梁端部腹板厚度及面板宽度来降低该应力（见图8）。

对于五甲板以上的横向结构，采用刚性设计理念，即在舷侧设置垂向T排与横向强横梁对齐，通过所形成的完整环形框架来共同抵抗Racking变形。

2.3 关键节点疲劳强度分析

在船体结构的高应力处，构件连接部位的应力集中是导致船体结构疲劳损坏的主要因素。基于美国船级社（ABS）疲劳强度谱分析直接计算指南，经与船级社反复沟通，选择滚装区域与艏艉集装箱区域过渡处纵舱壁与横舱壁的交点的4个位置进行全概率谱分析验证（见表1）。

表1 关键节点疲劳强度分析

设计波浪环境按照ABS计算指南[4]，采用国际船级社协会（IACS）推荐的基于双参数Bretschneider 波谱的 No.34北大西洋波浪散布图；波浪频率范围为0.2～1.85rad/s，每隔0.05rad/s递增；装载工况选择“均质货物、夏季载重吃水、满载到港”。

从表1中可看出滚装区域向艏过渡的主甲板舱口角隅处易产生疲劳强度问题，类似于常规集装箱船的主甲板机舱区域与货舱区域过渡处。因此，采用大型集装箱船类似节点处的特殊弧度过渡的设计方法，过渡形式见图9。

不同于常规的集装箱船，45000t集装箱滚装船因中部存在滚装货舱而使得艏部集装箱货舱的开口较大，在主甲板两侧没有纵向连续舱口围，导致其抗扭刚度较小。为满足扭转强度及总纵强度下的结构合理过渡要求，从中部滚装货舱前壁开始，向艏在主甲板两侧增加箱体结构（如图 6所示），长度延伸到滚装货舱前面第一个大开口集装箱货舱为止。该部分箱体结构在有效减小主甲板舱口角隅处总纵弯曲应力的同时，增加了舱口角隅处的疲劳寿命。

3 结 语

随着全球造船市场竞争和成本压力日益加剧，我国在常规船型设计建造方面的优势正逐步减弱。面对日益细化的航运市场和船东的多样化需求，集装箱滚装船作为高技术、高附加值、节能环保型船舶，具有良好的发展前景。45000t集装箱滚装船的设计建造对进一步拓展船舶国际市场、进一步增强应对市场变化的能力及我国船舶行业的在国际市场上的竞争力具有重要的意义。

[1] 韩钰，陈磊，王伟飞，等. 超大型集装箱船的结构设计[J]. 船舶与海洋工程, 2015, 31 (4)： 10-17.

[2] 王佳颖，金燕子，杨仁记. 大型集装箱滚装船全船结构有限元分析[J]. 中国造船，2015 (4)： 57-67.

[3] 郑刚，顾晔昕. 汽车运输船的结构设计[J]. 上海造船, 2008 (2)： 16.

[4] ABS. Rules for the classification of steel ships[S]. 2013.

Structural Design of 45000t Con-Ro Ship

OUYANG Jie，SHEN Zhao-hui
（Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

The 45000t Con-Ro ship is a brand new ship type with very complicated hull structures. It adopts completely different design concept from conventional Con-Ro ships, in which the middle hull area is arranged for ro-ro cargo and the fore and aft areas for container. It also adopts the large opening and hatchless design for the container compartment below the main deck. The innovative design can effectively reduce the amount of ballast water in operation, maximize the loading capacity and improve the economic efficiency of the ship. This paper mainly introduces the structural characteristics, design difficulties and the strength calculation problems in the design, and elaborates the design of critical positions. The solutions for the structural design problems and the design methods of the ship could be a reference for the design of similar ships.

Con-Ro vessel; global longitudinal strength; rigid design; ro-ro equipment; transition structure; fatigue strength analysis

U674.13+8

B

2095-4069 (2017) 01-0001-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.001

2016-03-30

工信部高技术船舶科研项目（工信部联装[2012]534号）

欧阳杰，男，高级工程师，1982年生。2004年毕业于哈尔滨工程大学，现从事船体结构设计工作。