120 m汽车滚装船活动长坡道的设计

刘礼维，张纹梅，王 岩，闫 慧

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003；2.南京航天数智科技有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

20世纪50年代后期，随着汽车业的迅速发展，汽车滚装船应运而生。这种船在装卸方式上实现了重大的变革，可以不依赖船舶码头的专用吊装设备，而是使用船舶自身配备的艏、艉跳板及活动与固定坡道等，通过滚动式装卸工具来完成船舶与港口间货物水平运输的方式，所以称为“滚装船”。目前全球对各种货物的需求量越来越大，因此一些用户提出直接将一定数量的大型货运车辆通过滚装船运至目的地码头，这样既省时又省力。

林以坚[1]针对某汽车滚装船所装载的汽车自行“滚上滚下”进行装卸的特殊功能，对其活动坡道的特殊制作与安装工艺进行研究。刘其伟[2]对7 500 汽车滚装船内部坡道的电器设备布置和安装方法等进行研究，提出了各类注意事项。可见类似的装卸方式越来越被船舶运输企业所推崇，但很多的船型方案都因为船体内部坡道的结构尺寸受限和整体布局的不合理而受挫。叶步永等[3]对某汽车滚装船活动坡道的水密舱盖支撑结构进行了有限元结构强度分析，根据应力分布情况对不满足应力要求的结构进行了优化。刘在良等[4]采用有限元软件MSC.PATRAN对某大型汽车滚装船的固定式坡道结构进行了有限元分析，根据应力分布情况对应力不满足的结构进行改进。可见对汽车滚装船所有坡道结构做细化有限元分析十分必要[5]。

综上，能够设计一个既能满足结构要求又能保证大型货车顺利通行的活动坡道是十分重要的。120 m汽车滚装船是往来于南美某两国固定航道的专门运输大型货运车辆的汽车滚装船，该船能够装运2层大型集装箱货车，其设计要求与附加值都很高，是国内领先的船型。本文为该120 m汽车滚装船设计了2只约35 m的活动长坡道，并通过建立有限元模型模拟坡道4种可能的装载工况，以确保船舶的运营安全。

1 120 m汽车滚装船简介

1.1 主要参数和难点

120 m汽车滚装船的主要参数如下：

长度～119.0 m，船宽21.0 m，型深5.5 m，吃水3.0 m，航速～11 kn，装车量～450 kN×53辆，入级意大利船级社(RINA)，布置见图1。

因装载要求的特殊性，该船在配备艏、艉跳板的同时，其内部还配备2只约35 m长的活动坡道。这2只约35 m的长坡道的设计与制造工艺是该船难点之一，它涉及的主要难点有控制坡道的总厚度、滑轮和钢丝绳的设计、铰链、油缸、定位限位装置、控制扰度、承载负荷等。

1.2 装卸货过程

该船主要装载货运卡车的甲板共有2层。

(1)货车通过艉部跳板从底层甲板进入，再经活动长坡道行驶装运至顶层甲板。艉部的活动坡道升起，底层可继续装运货车。

(2)到港后，货车通过艏部跳板从船舶内部行驶至码头。先卸底层车辆，底层车辆卸完后，艏部的活动坡道放下，顶层甲板上的货车通过该坡道卸至码头。货车的整个上下过程不受天气和环境影响，无需借助码头上的装卸工具，做到了货物的水平运输，加快了货物的装卸速度。

图1 120 m汽车滚装船总布置图

按照设计要求，最终确定本船的长坡道方案见图2。按照方案进行结构设计，确定长坡道的结构图见图3。坡道根部用铰链与船体结构相连，坡道的自由端通过钢丝绳调节坡道的收起与放下。

图2 120 m汽车滚装船长坡道方案

图3 120 m汽车滚装船长坡道的结构图

2 有限元计算

根据意大利船级社(RINA)的RULESFORINLANDWATERWAYSHIP要求采用MSC.PATRAN和NASTRAN软件要求对汽车滚装船34.75 m坡道进行有限元强度直接计算。坡道主要构件及板材采用AH36板，在满足强度的条件下尽量减轻重量，从而确保船上传动件使用的安全可靠。坡道结构采用纵骨架式，下方共设7道强纵桁，其余处设置纵骨；纵桁与主船体结构间距尽量一致，横向共设21道强横梁。根据装载车辆的实际负荷测量：并排三轴共255 kN、两轴180 kN、单轴60 kN。本船坡道按轮轴最大负荷90 kN校核，轮印负荷按22.5 kN考虑。坡道材料AH36钢材屈服强度为355 MPa，材料换算系数为0.72。

2.1 结构有限元模型

材料具体参数为：模型材料Q235，弹性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.85 t/m3。模型范围为整个坡道结构。模型甲板、底封板、强构件腹板采用平面四边形板单元(局部过渡区域采用三角形板单元)模拟，其他纵骨、强构件面板等用二节点梁单元模拟，通过板梁单元组合的力学模型描述整个坡道的结构。

本模型总节点数为16 043，单元数为18 843；甲板单元格最大尺寸为250 mm×225 mm，构件单元格最大尺寸为250 mm×200 mm。坡道有限元模型见图4。

图4 坡道有限元模型

模型坐标系为：X轴指向坡道铰链端为正；Y轴由原点指向左舷为正；Z轴垂直向上为正。

2.2 边界条件

工况1～工况3坡道行车状态时：坡道一端搁置在船体结构上，节点上施加横向、垂向线位移约束；另一端用铰链与船体连接，在与船端连接的铰链处节点上施加纵向、横向、垂向线位移约束。

工况4坡道收起状态时：坡道一端用铰链与船体连接，在与船端连接的铰链处节点上施加纵向、横向、垂向线位移约束；另一端靠近尾端的两侧用插销固定，插销固定处垂向线位移约束。

具体的约束点示意图见图5。

2.3 主要结构厚度

坡道板10 mm，底封板12/14 mm，纵桁14 mm，强横梁腹板8 mm，首尾桁材12 mm。所有板厚均为总厚度，因本船为内河船舶，不考虑腐蚀余量。

图5 约束点示意图

2.4 载荷

考虑车辆上下的冲击，坡道载荷按设计车辆轴负荷的1.2倍确定，为108 kN，并以集中力的形式作用在轮印点上(F=27 kN)。

根据实船装载顺序及车辆停放位置，考虑以下4种工况(见图6)：

工况1：一车在前端(铰链端)指定位置停放，一车行驶在坡道中间位置。

工况2：两车均在前端指定位置停放，坡道处于下放状态。

工况3：一车在前端指定位置停放，一车在后端驶入。

工况4：两车在前端指定位置停放，坡道收起，后端插销固定。

图6 工况

2.5 许用应力衡准

根据RULESFORINLANDWATERWAYSHIP规定，最大合成应力σVM=150/k=208.3 MPa，剪应力τ=111.1 MPa。

3 有限元结果分析

有限元分析应力结果汇总见表1，坡道结构强度均满足规范要求。

表1 许用应力及计算结果 单位：MPa

铰链支点约束力见图7。铰支点处约束力汇总见表2。

4 结论

(1)在坡道厚度与质量受限的前提下，坡道结构合理排布、结构材料使用高强度钢，能够使坡道承受更大的结构应力。

(2)本船目前通过了船东和船检的验收，已交付使用，船上的各坡道及跳板使用正常。本长坡道作为整船的设计重点和难点也得到了船东、船厂、船检等各方的好评。在满足规范要求的前提下，既没有影响本船的设计要求，增加过多成本，也保证了大型货车的运行空间，为该船的顺利投入使用打下了坚实的基础。

表2 铰支点处约束力