22车位车客渡船优化设计

于圣堂,　王　丹

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

0　引　言

该22车位车客渡船是为适应长横渡轮站扩建及新石线车客运输的需求建造的,该船总体外形和布置沿用长横车客渡系列船型。10 a前，船舶所有人建造过23车客渡Ⅰ型船和Ⅱ型船，该船是基于Ⅱ型船设计。因10 a中法规和规范都有大量的修改，海事部门也有一些新要求和新规定，原来船型的尺度和布置已不能完全满足防火和逃生等现行规范的要求。根据船舶所有人及规范、法规的新要求，对该船的船舶主尺度和局部布置进行重新设计,着重围绕控制吨位、提升抗风能力、降低船舶质量和防止船舶振动开展优化工作。

1　船舶基本概况

1.1　船型及船舶主要参数

该22车位车客渡船为钢质、双机、双桨、双舵、双尾鳍及倾斜首柱的单体车客渡船，服务于长江A级航区，逆水航行时间<2 h，属于第四类大型客船。船舶的主要参数见表1。

表1　船舶主要参数

1.2　总体布置

该船设有主甲板(车辆甲板)、旅客甲板及遮阳甲板。车辆甲板最大可装载22辆5 t DFA1080S20D6型东风货车或4辆40 t集装箱卡车，旅客甲板最大定额人数为299人。车辆甲板艏艉两舷设置有升高平台，艏部平台布置锚绞机及系泊设备，艉部平台设置系泊绞车和系泊设备。为减少船舶受风面积及降低空船质量，并结合美观性，船中两舷各开设8个马蹄形门孔。考虑航行中的安全性,在车辆甲板的艏艉部，各设置1个液压翻板(见图1和图2)，可防止艏艉上浪及车辆意外滑移危险。在艏艉平台左、右舷各设置了1个宽度为1 000 mm的舷门，可满足船舶靠泊码头后人车分流的海事规定。船舶总布置图见图3。

图1　艏部翻板

图2　艉部翻板

2　船舶总吨优化

交通运输部、省级港口行政管理部门规定对沿海及长江干线南京以下港口码头的最大靠泊能力都进行了核定[1]。该船靠泊码头的最大靠泊能力≤1 600总吨。

因船舶的车辆甲板顶部设有船员舱室和供乘客休息的大客舱，导致滚装处所绝大部分为有顶盖型，此外，该船还需装载运木材的货车，船舶所有人要求顶部骨架下缘距车辆甲板的最小距离≥4 600 mm，使得量吨甲板以上固定载货处所的容积特别大(占全船总容积30%以上)，初步核算本船总吨达到1 639总吨。

采用与母型一致的布置方案将使该船超出码头的最大靠泊能力,经与船舶所有人沟通，将大客舱缩小六档，艉部舱室整体向船首移动。对客舱进行了重新布置,大客舱缩小六档容积减少约为108 m3,由于艉部露天滚装处所面积增大，滚装处所容积减少约为45 m3，通过以上措施(见图4和图5)使船舶的总吨位降至1 592总吨，既符合船舶所有人对乘客总人数的要求及规范对客舱区布置的要求，又满足了码头的靠泊能力。

图4　船舶上层建筑艉部及大客舱布置修改前

图5　船舶上层建筑艉部及大客舱布置修改后

3　提高抗风等级

根据交通运输部(交通发[2014]199号文)的要求，渡船应标明载客(车)定额及抗风等级等有关安全注意事项。

该船为石洞口码头和新河码头之间的定班轮，距离长江口较近，该航线每年6～8级风的天数较多。由于此航线为交通要道，摆渡的车辆和乘客较多，船舶所有人提出该船的抗风能力必须较原Ⅱ型船的抗风能力有所提高。

由于《内河船舶法定检验技术规则》2016修改通报及《内河客船和渡船抗风等级核定办法》对船舶的风压稳性衡准都提高了要求，对原Ⅱ型船重新进行抗风等级核定，由计算结果可知，原船虽能达到抗8级风，但是风压稳性衡准数Kf值及突风衡准K值在满载出港、到港及满载客货到港状态的余量较小。因此，需对稳性有影响的船舶参数进行调整。

增加型宽可有效提高稳性，但型宽的增加对快速性不利。而适当增加船长和型深，以增大船舶的复原力矩和提高最小复原倾覆力矩，整体提升船舶抵抗风压的能力，并解决在车辆甲板艉部增加挡板和艏艉通道的要求。另外，增加船长使L/B加大，快速性可得到保证，对原船的改动量也较少。经计算，船长增加1.80 m及型深增加0.20 m后，对船舶的建造成本影响较小，同时,该船的抗风能力也得到较大的提高。经综合考虑，最终采用增加船长和型深的方案见表2。船舶的风压稳性衡准数与抗风等级[2]对应表见表3。

4　空船重量优化

为保证设计航速，该船线型设计较为尖瘦，方形系数仅为0.541，每厘米吃水吨数只有6.15 t，空船重量若不严格控制，易发生超重现象。因此，对质量进行专业详细的统计与优化，结构和舾装专业在设计中采取以下降重的措施。

表2　该船与原Ⅱ型船各种工况稳性衡准数表

表3　船舶的风压稳性衡准数与抗风等级对应表

注：风压稳性衡准数Kf取各种装载工况的最小者。

4.1　上层建筑甲板、围壁板厚的余量控制

船舶的上层建筑参与总纵强度计算，经规范计算上层建筑(甲板室)的外围壁板厚应≥3.74 mm，上层建筑(甲板室)甲板的板厚应≥4.27 mm。实船的遮阳甲板至旅客甲板之间的外围壁板厚度实取为4 mm，内围壁板厚度实取为3 mm，遮阳甲板板厚实取为5 mm。实船的板厚基本紧贴规范选取,为防止板材厚度选取过薄而发生较强的振动，对上层建筑进行振动计算分析，计算结果表明，上层建筑的固有频率超过共振频率的30%，上层建筑不会发生明显振动现象，在实船航行中，上层建筑均无明显振感。

通过对上层建筑内外围壁、甲板板厚的余量控制，既保证了船舶强度，也有效降低了船体的结构质量。

4.2　采用直接计算法避免钢料增加

规范要求船底骨架(船底纵骨、旁内龙骨)应向艏艉端尽量延伸,由于该船艏部线性较瘦，底部纵骨只能终止于距离防撞舱壁6 m处，若底部纵骨继续延伸将超出实肋板与舷侧肋骨交界，进入舷侧范围，不符合常理。

延伸底部骨架，除艏部线型较瘦不好施工外，也会增加船舶的钢料质量。经与船检的沟通，对艏部未延伸区域外板采取直接计算的方法校核屈曲强度,计算结果表明，在不延伸骨架的情况下，外板屈曲强度仍满足规范要求,通过直接计算避免船体钢料增加约0.5 t。

此外，根据规范的规定，滚装处所强力甲板下的机舱内应设置纵向桁架。但由于该船机舱空间较小，若设置纵向桁架，不但会造成机舱内设备布置困难、通行不便，也会导致钢料增加。为解决该问题，在机舱内采取设置支柱的措施，并通过有限元法对机舱甲板板、甲板纵绗及强横梁等强力构件应力进行校核(见图6～图9)。该船机舱内设置的支柱可满足强度要求,避免船体钢料增加约0.7 t。

图6　有限元模型

图7　板材正应力图

图8　板材变形图

图9　骨材应力图

4.3　隔热绝缘及装潢材料的选取

对于客船，装潢材料的选取对控制船舶质量有重要的影响,客船上层建筑一般较为丰满，装潢的面积较大，选用不同材料，质量会相差很大，故对装潢材料的选用需特别慎重。

船舶常规的防火材料为陶瓷棉，隔热材料为岩棉，衬板、地板、天花板为25 mmPVC复合岩棉板，这些材料虽然价格相对较低，但密度较大。对于质量控制要求严格的船舶(客船、高速船、艇类船舶)，选用这些材料时应格外谨慎。

由于该船对质量较为敏感，为控制空船重量，防火材料选用密度为130 kg/m3的MJLB-3复合氧化铝，相对选用陶瓷棉减少质量约为0.9 t。该船隔热材料选用密度为40 kg/m3的玻璃棉，相对选用岩棉减少质量约为1.3 t。

对开孔少、不需要隔音舱室的天花板，也作特殊考虑。除厨房、浴室洗衣间及船员室采用复合岩棉板作为天花板外，大客舱及包间均采用了铝合金扣板作为天花板，铝合金扣板每平米质量约为复合岩棉板的10%，相对选用复合岩棉板减少质量约为3.3 t。

在舱室地板的选择上，为降低质量，除驾驶室铺设复合地板外，船员舱室和包间均敷设2 mm的低播焰型PVC地板，大客舱采用光甲板刷油漆，采取这两项措施使得质量降低约为4.9 t。

4.4　锚链长度及锚的选取

根据舾装数,该船锚链总长应为330 m,但船舶航行区域水深的最大水深仅为20 m,锚链的长度明显不合理。经与船检协商，同意将锚链总长作适当减少，依据船舶所有人提供的水文条件，结合《钢质内河船舶建造规范》的要求，每舷锚链长度需78.5 m,船检最终认可每舷锚链长度可减少55 m，锚链总长减少至220 m,减少的锚链质量约为2.54 t。

舾装数对应锚的总质量为2.45 t，如果采用大抓力锚，锚的质量可以取相应霍尔锚质量的75%。为降低船舶质量，选用2只0.97 t的AC-14大抓力锚,减少的锚质量约为0.51 t。

在设计中通过采取各种措施，总减轻质量约为14.65 t，约占空船重量的1.87%。

5　船舶振动的预防

在设计过程中，对可能发生振动的不同区域作了充分的考虑。

螺旋桨顶部区域(见图10)：对螺旋桨顶部外板采取局部加厚，并在螺旋桨顶部设置双层底，既方便于舵机的安装，也保证船体的刚度。此外，在保证船舶浮态的情况下，将淡水舱靠近螺旋桨区域布置，用以吸收部分振动波，削弱螺旋桨产生的激振带来的振动。

尾轴管区域(见图11和图12)：为抵抗螺旋桨沿船长方向的脉动推力(轴承力)[3]，导致船体结构的疲劳，对尾轴管区域的尾鳍肋板和外板进行特别的加强。

在实船试航中，船员舱室及乘客活动区域均无明显振动，各区域测量的振动数据均低于规范要求值。

图10　螺旋桨区域加强

图11　双尾鳍外板局部加强

图12　双尾鳍内横隔板加强

6　结　语

对22车位车客渡船设计中采取多方面的降重措施，使船舶的空船重量降低约1.87%；采用合理的布置及针对性的加强避免了船舶的振动；通过合理的布置将船舶的吨位控制在1 600总吨内，满足了码头最大靠泊能力的要求；通过适当调整船舶长度和型深的措施让该船的抗风等级较原船型得到较大的提升，为该船成功安全的营运提供了安全保障。

参考文献：

[1]交通运输部,沿海码头靠泊能力管理规定[S]. 北京：交通运输部水运局，2014.

[2]中国船级社.内河客船和渡船抗风等级核定办法[S]. 2016.

[3]王春雪，基于有限元的大型集装船振动分析[J]. 船舶工程，2015(S2):39-42.