三体高速客货运输船设计方案概要

三体高速客货运输船设计方案概要张洪达【摘要】多体船与同吨位单体船相比，前者可获得单位面积排水量时更大的甲板面积、良好的横稳性、优良的抗沉性和适航性.高速水运相对于其他运输方式而言,具有装载量大、营运成本低、初始投资少等显著优势.文中以某型具有特定滚装功能(可携带冷藏集装箱、汽车等)的三体客货运输船为例，详细介绍其主要技术参数、设计方案、材料和动力装置的选取情况，总结了三体船的受力特点，对同类型船设计中危险工况确定的强度分析和结构优化具有一定的指导意义.【期刊名称】《船舶》【年(卷)，期】2013(024)002【总页数】6页(P1-6)【关键词】三体船;运输;高速;设计;受力特点【作者】张洪达【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】U674.9510引言改革开放以来，随着祖国大陆经济快速增长、两岸关系的缓和及大三通的实现，海峡两岸的经济贸易、人员来往将越来越频繁，规模也将不断增大。据统计，截至2007年底，约有三分之一的台湾同胞来过大陆，累计超过4700万人次，是台湾地区2300万人口总数的2倍多；两岸贸易总额也由1993年的0.5亿美元增加到2007年的1245亿美元，涨幅超过2490倍。2007年，海峡两岸人员往来达到462.79万人次。有关专家预测，2015年海峡两岸人员往来预计将突破600万人次/年，2020年将突破750万人次/年；滚装车辆物流运输2015年预计会突破35万车次/年，2020年更有突破85万车次/年的可能。两岸经贸合作进一步深化，对高速海上交通运输也将提出更高的要求。海峡两岸城市间的距离约在200nmile范围内，属于中短程运输。虽然两岸海上客滚直航已经拉开帷幕，但投入运营的船舶不是适航性不佳就是航速太慢(需航行8h左右)，无法满足海峡两岸物流和客流发展需求。因此，目前海峡两岸的交通仍以航空运输为主［1］。经工业和信息化部、财政部批准，哈尔滨工程大学正在开展具有特定滚装功能的台湾海峡三体高速客货运输船的设计工作，并已通过中国船级社评审。本文在此基础上进一步论述三体船的受力特征，为后期的强度分析和结构优化提供便利。1设计方案1.1主要性能指标该型三体高速船需具备如下性能：(1)航速40kn以上，可在6级海况下正常营运的大型高速三体高速客货运输船，续航力不小于350nmile;(2)排水量约1250t,载重量不小于320t,载客数712人，具有特定滚装功能，可搭载140辆小型家用轿车(或小汽车100辆加冷藏集装箱4只)；(3)耐波性能满足〃在有义波高＜4m的两岸相应港口间航行4h，而90%旅客不晕船”的相应标准要求，船舶在航率为330天/年以上；(4)船舶稳性和不沉性满足国际海事组织《2000年国际高速船安全规则》第19章附录7“多体船的稳性”要求；(5)减振降噪设计达到“驾驶室v65dB、主要客舱＜70dB”的要求。1.2船型考虑到台湾海峡大型高速客货运输船滚装货物功能对甲板面积的要求较高，选择船型时需要船体具有较为丰满的上层建筑才能提供足够的甲板面积。另外，台湾海峡季风交替明显，频繁的偏北风非常强劲。每年10月至次年4月以东北风为主，每年6月~8月则以西南风为主。强烈的台风伴随暴雨，造成潮水位剧烈变化。因此，台湾海峡大型高速客货运输船的船型选择必须考虑能够提供良好的抗风浪能力，尤其是抗横风、横浪的能力。为了减少进入高航速后陡升的兴波阻力，通常将船体设计得尽可能细长。然而对单体船而言，1/日值在9以上，其复原力就很难保证。双体船由于其水线面积很小，与单体船相比，其纵向静复原力矩也很小，不足以平衡高速航行时作用在船上的水动力纵倾力矩和其他干扰力，所以其纵向运动(纵摇、垂荡)通常也不稳定，但是三体船的细长船体在减少兴波阻力的同时，可保证良好的复原力。由于三体船采取对单体船加长，且两侧各加一个单体船的船体结构形式，因此在快速性、耐波性、总布置以及隐形性能等方面比高速单体船和双体船更具优势，较大改善了旅客的海上舒适度。台湾海峡常年风浪较大，乘客的舒适度是必须要考虑的一个主要因素，而三体船更适合解决这种情况。此外，为满足具有特定滚装功能的设计要求，三体高速客货运输船的船型高大且设有多层甲板，便于载运集装箱的车辆上下船，也有效提高装卸效率，但同时也带来了质心高、稳性差的问题。三体船具有总体布置性好、甲板空间大、耐波性和适航性极佳的优点，所以将滚装功能和三体船技术结合起来，便能最大程度发挥这两种!船型的功能。选择船型时，增大长宽比可以有效降低兴波阻力，获取良好的快速性能；但过大的长宽比又会破坏三体船的横稳性和耐波性，难以满足客货运输的要求，所以需要权衡考虑各方面因素确定长宽比。结合实验数据和型线图等相关资料，最终决定将船长定为99m、船宽定为24m。1.3主尺度三体船片体排水量占总排水量的百分比与其总阻力、稳性及片体自身用途关系密切。较大的片体将使三体船的总阻力也变大，而过小的片体将对三体船的稳性不利，同时也使片体自身利用价值及其对主船体的保护作用下降［2］。综合各方面因素确定的三体船基本几何参数见表1。表1三体船基本几何参数单位：m参数主船体片体整船总长97.4057.1099.20设计水线长97.2048.6099.00型宽10.002.0024.00型深7.405.46—吃水4.001.15—1.4初步设计方案三体船结构设计和建造方面的文献非常少，且三体船的夕卜载荷和结构性能研究目前尚处于起步阶段，只有英国劳氏船级社基于〃海神”号三体试验舰的研究所开发的三体船规范［3］。该船以《船型开发科研项目指南（第一批）》和《海上高速船入级与建造规范》［4］（下面简称《规范》）中第4章对近海航区客货船的要求为依据，然后根据中国船级社评审专家组的意见进行设计优化。图1为文中所述三体高速客货运输船侧视图。该三体船船艏部分顶部存在一个向上的弧度，整体呈流线型。这样既可使上层建筑层次分明、整齐紧凑，也可大幅减少流线型船艏的风阻力，提高航速。驾驶室设置在船艏最高一层，既可改善驾驶视野，也有利于提高航行安全性。图1三体高速客货运输船侧视图汽车舱设有两层甲板，下层为主甲板、上层为上甲板（如图2所示），用于存放汽车和集装箱车。鉴于集装箱车的车身较高，故在上甲板中轴线处设有大开口，集装箱车可以停放在大开口下的主甲板上，其他地方则停放车身较低的小轿车。为了解决上甲板大开口处强度难以保障的问题，可以在汽车舱内（尤其是在上甲板大开口边缘）布置4列立柱，同时对上甲板采取加厚处理；车辆上下时会对主甲板产生很大的垂向压力，并且主甲板作为承受总纵弯曲的主要构件之一，所以主甲板也要适当加厚；此外，为确保车辆通行无阻，在汽车舱内不设置横向舱壁。图2上甲板俯视图在舱室布置上，上甲板停放40辆小轿车、主甲板停放4辆集装箱车和60辆小轿车，两层甲板之间设有铰接斜坡道，便于上甲板和主甲板之间车辆和人员通行。为了实现对车辆的有效固定，参考中国船级社《货物系固手册编制指南》，在主甲板和上甲板每隔纵向不超过2.5m、横向不小于2.8m（但不大于3m）的位置设置一个系固点，每个车位都用至少四根钢索固定，并在汽车系固点处采用埋入式底座。主甲板艉部设有出入口，用铰接跳板与岸搭接，用于滚装货上下船。载货车辆从出入口进入，一直开到主甲板前端或者通过斜坡道开到上甲板停放。图3旅客甲板俯视图比汽车舱高一层的旅客甲板（如图3所示）设有前后客舱。前客舱设200客位、后客舱设512客位，两者用舱壁隔开，既能更好保证空调的使用效果，也可节约能源；后客舱设有通达驾驶甲板和上甲板的梯道，便于船舶停靠时，旅客去汽车舱停放或取回车辆。旅客甲板上一层的驾驶甲板设有贵宾室，将贵宾室与下层的客舱隔开以营造豪华氛围。贵宾室设有梯道，可通向更高一层甲板的驾驶室。客舱和贵宾室艉部设有双开门，便于乘客前往船艉的露天甲板上游玩。露天甲板四周设有固定栏杆，船艉处还放有救生筏。在船型确定的情况下，影响多体船阻力性能的主要参数是片体相对主船体的位置。从阻力角度来看，应该选择常用的航速来布置片体；而从耐波性角度来看，随着航速的增加，横摇幅度明显减小。可见阻力和耐波性有时难以两全，所以片体相对主船体的位置既需要考虑阻力，还要顾及其耐波性［5］。三体船的片体具有比主船体更高的傅汝德数，因而片体也采用超细长船型。片体水线长度不到主船体水线长度的一半，但片体吃水大于其水线宽以保护主船体的部分重要舱段。片体水线附近采用了尖削的结构以便进行穿浪运动，从而提高在风浪环境下的航行能力。高速航行时，通过后置机舱使船舶质心偏后、船艏上翘，三体船就可进入滑行状态；此外，由于上主体和片体都比较细长，因此兴波阻力也比较小，形成的艉迹也相对较小，参见图4。图4三体船机舱段剖面图片体距离主船体比较远，可以提供更大的稳定力矩，提高横稳心半径，从而满足三体船在复杂海况（6级海况）下正常航行的设计要求。并且，片体距离主船体太近会使三体船高速航行时片体之间产生很大的兴波干扰，不利于发挥三体船的优势。但是，片体距离主船体太远则会对船体强度造成过大的削弱作用，难以保证船体横向强度和连接桥的稳定性，并且舰船建造与使用上也会受到限制。经过综合考虑各方面因素和参考实验数据，最终将连接桥型宽定为12m。该三体船为单甲板双底焊接结构，船外板和主甲板为纵骨架式，其余均为横骨架式。船外板和主甲板是承受总纵弯曲的主要构件，采用纵骨架式可以保证三体船高速航行时的总纵强度和外卜板的稳定性，同时采用纵骨架式可以使外板厚度减薄、减轻空船质量。横骨架式具有施工方便、工艺简单的优点，更重要的是横骨架式比纵骨架式更适宜抵抗水压力载荷。连接桥横向强度对三体船的安全性来说至关重要，所以连接桥要采用横骨架式，并且该处板厚和构件尺寸应适当加强。该船主要构件尺寸见表2。表2主要构件尺寸板材名称板厚/mm骨材名称尺寸船底板8主船体强肋骨±8x30010x120主船体舷侧夕卜板8主船体舷侧纵桁±8x30010x120主船体上甲板16主甲板纵桁±8x50010x120主船体内底板8主甲板强横梁±10x50012x120主船体外底板8片体舷侧纵桁±8x30010x120连接桥上甲板16片体强肋骨±8x30010x120连接桥下甲板8底舱旁内龙骨±8x60010x120片体上甲板12底舱中内龙骨±10x60012x120片体舷侧外板8主船体舷侧纵骨L75x50x7底舱肋板10主甲板甲板纵骨L90x50x8支柱外板6底纵骨L75x50x7根据《规范》，该船理论纵骨间距不大于500mm，实际肋距根据总体布置和实际船体结构定为：主甲板和底舱纵向骨材间距取500mm；上甲板出于承受车辆的重力和强度的需要，也取500mm；其他层甲板的横向骨材间距取600mm;计入总纵强度的船底纵桁应保持连续，并尽可能穿过水密横舱壁，且需要设置贯穿全船的舷侧纵桁。2材料该船主船体及上层建筑均采用CCS认可的LF5铝合金材料，采用钨极惰性气体保护焊（TIG）和溶化极惰性气体保护焊（MIG）。铝合金是目前快速船舶常用的材料。其优点如下：质量轻，能降低质心高度，从而改善船舶的稳性，而且在相同的主机功率时对速度有利；具有较好的耐腐蚀性，在使用过程中可以减少保养费用［6］。作为一种高镁合金，LF5铝合金的成形加工性能、抗腐蚀性能与可焊接性能优异，强度中等，在船舶制造行业被广泛运用。在铝合金高速船焊接制造中主要应用TIG和MIG两种方法：MIG方法焊接速度快、效率高，可用于焊接拼板和船体焊缝；由于采用手工送丝，TIG方法可以更好地控制焊接熔池，适用于焊接船体结构突变处和较短焊缝，即船体内部的型材、骨材等方面。3动力装置据英国电子期刊《FastFerryInternational》统计，自1991年起，高速车客渡船在数量上开始接近常规低速车客渡船和滚装船，截止2003年的13年中，全世界共建造了655艘高性能船，仅中国及港澳地区就进口了其中的144艘，主要为高速双体船；在随后5年中，全球又相继建造了近400艘高性能船。据统计，上述船中有75%采用喷水推进，显然喷水推进已经在高速船中占有主导地位；并且，喷水推进比螺旋桨推进在高速时具有更好的抗空泡能力，推进效率更高，使舰艇具有比传统螺旋桨舰艇更小的转向半径；所以喷水推进装置更适用于航速大于30kn的高速舰艇。因此，该船采用喷水推进方式，经过功率推算并考虑可靠性和经济性等诸多因素，决定将主机定为德国奔驰公司麾下的世界著名柴油机制造商MTU公司制造的3台功率为9100kW的MTU-20V8000M71L，喷水推进装置为3台由全球顶尖的喷水推进装置生产商瑞典MJP公司制造的MJP-CSU1100。4受力特点了解三体船的受力特点，对于确定三体船危险工况和完成强度分析是十分必要的，也有利于进一步对结构进行优化。现对此所作总结和分析如下：（1） 片体外侧弧度不大，流过的水流较平稳，引起的波浪和形状阻力均很小；片体内侧做成流线型体，利用片体和主船体的兴波及其之间互相干扰从而达到消波减阻的效果。另外，片体横剖面呈V字型，V字型剖面有利于减少摩擦阻力；对艉部形状而言，V型剖面使去流段水流顺畅，可减少施涡阻力；此外，V型剖面使纵摇、垂荡的阻尼增加，对耐波性有利。（2） 主船体艏部特别尖细，可以减少兴波阻力，利于提高航速；主船体船艏底部向前突出一部分，这部分产生的V型波列在一定程度上抵消了主船体航行时产生的衰波，从而减少了波浪对船身带来的阻力；同时，也改善了艏部线型，使船体水线部分曲度缓和，对减少涡流阻力、提高船舶推进效率有很大作用。（3） 依据对结构影响大小划分，三体船外部载荷分为主要载荷、次要载荷、局部载荷。三体船所受主要载荷包括：纵向弯矩、横向弯矩以及扭矩。纵向弯矩无论是对于单体船还是三体船都是很重要的载荷，尤其是在迎浪状态下的纵向弯矩对于三体船强度影响最大，主要影响船体纵向构件的尺寸。当三体船行驶在波浪中，片体会受到一个垂直于船长方向，并迫使片体产生一个远离或者靠近主船体的横向弯矩，这直接影响到船体横向构件的尺寸。连接桥在斜浪中遭受比较大的横向弯矩和横向扭矩，尤其是在斜浪（135°或者45°）时，对于连接桥强度会产生很大影响。除横向扭矩对于三体船连接桥与横向甲板会产生较大影响外，还需要格外注意纵向扭矩，因为对于三体船这类船体细长、片体与主船体距离较大的船型，纵向扭矩的影响会格外明显。对于航速高、排水量大的三体船必须考虑的局部载荷和次要载荷主要是由于外部水压引起的，包括底部砰击、艏部外飘砰击和横向甲板砰击。底部砰击主要是由船舶的升沉运动和纵摇运动所引起，持续时间很短但非常猛烈，已成为破坏船舶的主要原因之一。艏部外飘砰击是因船艏外飘部分快速浸入水中引起，虽然不如底部砰击猛烈，但与底部砰击不同的是，艏部外飘砰击不会随着船舶前体出水而迅速消失，因此，就这会使船遭受一个猛烈的激振力，这在设计三体船时必须重视。横向甲板砰击会对