PCTC船汽车甲板层高计算设计

翁旭辉，柳向阳，陈玉娟，夏小浩 ,刘在良

(1.扬帆集团股份有限公司，设计研究院，浙江 舟山 316004; 2.浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

PCTC(Pure Car&Truck Carrier)汽车运输船订单应时下国际汽车贸易发展而日渐增多，该船型有技术含量高，造价高，拥有众多汽车甲板等特点，确定各层汽车甲板层高是PCTC船总布置设计首要解决的问题。PCTC船主要用途为汽车运输，其内部结构以大面积空层结构为主[1]，汽车甲板布置从几层到十几层不等，初稳心较高，对船舶稳性影响较严重[2]，在总体设计时为获得更好稳性需尽可能降低汽车甲板高度，每层车辆甲板的层高需按最小允许高度设计，以获得更好的稳定性。由于PCTC船的汽车甲板面积较大，且采用6～7 mm的薄板材料，所以在最小层高设计上需综合考虑汽车甲板最大变形量，建造变形量和顶升变形量。如设计不合理，会导致变形后的实际层高不满足最小高度要求，或层高余量加放太多，不利于船舶稳性，这都将导致致命的设计问题。

一般大型PCTC船为考虑能运输多种类车辆，会间隔设置3～5层可升降的活动甲板[3]，升起活动甲板时，可获得的1.5～2倍的普通层高，以装载各种大型车辆，活动甲板下降支撑在工作位时可装载普通小汽车，用于装载大型车辆的甲板则被称之为重型汽车甲板。本文将通过有限元计算，分别研究重型固定甲板和轻型固定甲板的满载最大变形量分析，研究活动甲板在满载、顶升、收藏三种工况下的最大变形量，以此确定出各层汽车甲板最小层高要求。

1 甲板布置及载荷

图1为某汽车运输船车辆布置图。

图1 某汽车运输船车辆布置图

全船共设置8层固定甲板，其中2、4、6、8甲板为重型固定甲板，10、11、12甲板为轻型甲板，13为顶甲板，3、5、7、9甲板为活动甲板。经梁系软件3D-BEAM[4]计算确定出各层甲板自身厚度T1。

表1列出了船主要求净高h01，和甲板自身厚度T1。

表1 各层汽车甲板参数

2 各层固定甲板变形量计算

2.1 有限元模型

各层固定甲板变形量按该船的全船正浮工况，图2为全船有限元模型，构件尺寸已扣除腐蚀余量，网格尺寸为肋距和纵骨间距。

图3为典型重型、轻型固定甲板有限元模型。

图2 全船有限元模型 图3 轻型、轻型固定甲板有限元模型

2.2 载荷工况

为求得最大变形量，装载方式为间隔装载，即支柱中间和两侧成品字形装载。支柱中间层固定及活动甲板的均布载荷加载情况见图4，支柱外侧到两舷的固定甲板均布载荷加载情况见图5。

图4 支柱间装载 图5 支柱外装载

甲板货物和船舶运动加速度、波浪载荷[5]按规范[6]要求设定。

船舶纵向运动加速度公式：

式中：az1为纵向运动加速度；aH为Heave加速。

2.3 固定甲板计算结果

各层固定甲板最大变形量计算云图和结果见图6和表2，其中1甲板为内底板，13甲板顶甲板仅风雨载荷。

表2 固定甲板最大变形量

图6 固定甲板变形量云图

3 活动甲板变形量分析

3.1 活动甲板工况描述

活动甲板在实际运营中有以下几个工况需要在设计层高中进行考虑[7]：

(1) 活动甲板满载时的变形量，用来确定其满载时下层甲板的高度。

(2) 活动甲板空载顶升作业过程中四角的最大下垂量，用来确定其在最高收藏位置其上方需预留的顶升空间高度。

(3) 活动甲板空载自由四角落在支撑座上时，其中间的最大下垂量，该值考虑到活动甲板在长年使用后可能会发生永久性变形，其变形量取顶升变形工况的计算值。

3.2 活动甲板满载时的最大变形量计算

选取支柱间尺寸最大的活动甲板为分析案例，见图7。 其尺寸为13 570 mm×13 870 mm。模型按骨材间距建模，有限元模型及载荷见图8。

图7 活动甲板布置图 图8 活动甲板满载

活动甲板满载时载荷取船东要求的均载荷3 kN/mm2和自身重量，加速度按全船正浮工况用PCL[8]载入，四角支撑座位置处固定；空载顶升时甲板载荷为零，仅取活动甲板自身重量，顶升车托盘尺寸为3.0 m×6.3 m。在顶升车与活动甲板接触部位设计约束，顶升约束点布置见图9。

图9 活动甲板顶升约束点

通过有限元计算可以得到活动甲板变形量云图和计算结果见图10、11和表3。

图10 活动甲板满载变形云图 图11 活动甲板顶升变形云图

表3 活动甲板变形量mm

4 各层甲板层高计算

活动甲板在收藏位置时，坐落在四个角上的活动支撑件上，支撑件在动作时需要有一个翻转高度d5=30 mm。另还需考虑甲板的建造不平整d6=15 mm。

各层活动甲板层高按图12计算，固定甲板按图13计算。

图12 活动甲板处甲板层高

图13 固定甲板层高

根据图12得出活动甲板的层高可按下式计算得到：

重型固定甲板层高：

H1=h1+d6+d5+Tm

活动甲板层高：

H2=h2+d1+d6+T1

重型固定甲板最大层高：

H3=h3+d6+d5+d3+Tm+d1+d6+T1

根据图13得轻型汽车甲板的层高按下式计算得到：

轻型固定甲板层高：

H1=h0+d1+d6+T1

表4为各层汽车甲板层高和各层汽车甲板高度计算结果。

5 结 语

通过对某型PCTC船的固定甲板和活动甲板的变形量分析，结合规格书对层高要求和现场建造余量，计算出了该型PCTC船所有汽车甲板的高度布置。文中的有限元计算，在设计前期可以用交叉梁系计算软件进行替代，层高设计在PCTC船的前期设计中极为重要，一旦确定好了汽车甲板层高，后期很难再进行调整。因此本文的汽车甲板层高设计方法，对同类型船舶设计有一定的参考价值。

表4 层高计算结果 /mm