PCTC船汽車甲板層高計算設計

翁旭輝，柳向陽，陳玉娟，夏小浩 ,劉在良

(1.揚帆集團股份有限公司，設計研究院，浙江 舟山 316004; 2.浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

PCTC(Pure Car&Truck Carrier)汽車運輸船訂單應時下國際汽車貿易發展而日漸增多，該船型有技術含量高，造價高，擁有眾多汽車甲板等特點，確定各層汽車甲板層高是PCTC船總布置設計首要解決的問題。PCTC船主要用途為汽車運輸，其內部結構以大面積空層結構為主[1]，汽車甲板布置從幾層到十幾層不等，初穩心較高，對船舶穩性影響較嚴重[2]，在總體設計時為獲得更好穩性需盡可能降低汽車甲板高度，每層車輛甲板的層高需按最小允許高度設計，以獲得更好的穩定性。由于PCTC船的汽車甲板面積較大，且采用6～7 mm的薄板材料，所以在最小層高設計上需綜合考慮汽車甲板最大變形量，建造變形量和頂升變形量。如設計不合理，會導致變形后的實際層高不滿足最小高度要求，或層高余量加放太多，不利于船舶穩性，這都將導致致命的設計問題。

一般大型PCTC船為考慮能運輸多種類車輛，會間隔設置3～5層可升降的活動甲板[3]，升起活動甲板時，可獲得的1.5～2倍的普通層高，以裝載各種大型車輛，活動甲板下降支撐在工作位時可裝載普通小汽車，用于裝載大型車輛的甲板則被稱之為重型汽車甲板。本文將通過有限元計算，分別研究重型固定甲板和輕型固定甲板的滿載最大變形量分析，研究活動甲板在滿載、頂升、收藏三種工況下的最大變形量，以此確定出各層汽車甲板最小層高要求。

1 甲板布置及載荷

圖1為某汽車運輸船車輛布置圖。

圖1 某汽車運輸船車輛布置圖

全船共設置8層固定甲板，其中2、4、6、8甲板為重型固定甲板，10、11、12甲板為輕型甲板，13為頂甲板，3、5、7、9甲板為活動甲板。經梁系軟件3D-BEAM[4]計算確定出各層甲板自身厚度T1。

表1列出了船主要求凈高h01，和甲板自身厚度T1。

表1 各層汽車甲板參數

2 各層固定甲板變形量計算

2.1 有限元模型

各層固定甲板變形量按該船的全船正浮工況，圖2為全船有限元模型，構件尺寸已扣除腐蝕余量，網格尺寸為肋距和縱骨間距。

圖3為典型重型、輕型固定甲板有限元模型。

圖2 全船有限元模型 圖3 輕型、輕型固定甲板有限元模型

2.2 載荷工況

為求得最大變形量，裝載方式為間隔裝載，即支柱中間和兩側成品字形裝載。支柱中間層固定及活動甲板的均布載荷加載情況見圖4，支柱外側到兩舷的固定甲板均布載荷加載情況見圖5。

圖4 支柱間裝載 圖5 支柱外裝載

甲板貨物和船舶運動加速度、波浪載荷[5]按規范[6]要求設定。

船舶縱向運動加速度公式：

式中：az1為縱向運動加速度；aH為Heave加速。

2.3 固定甲板計算結果

各層固定甲板最大變形量計算云圖和結果見圖6和表2，其中1甲板為內底板，13甲板頂甲板僅風雨載荷。

表2 固定甲板最大變形量

圖6 固定甲板變形量云圖

3 活動甲板變形量分析

3.1 活動甲板工況描述

活動甲板在實際運營中有以下幾個工況需要在設計層高中進行考慮[7]：

(1) 活動甲板滿載時的變形量，用來確定其滿載時下層甲板的高度。

(2) 活動甲板空載頂升作業過程中四角的最大下垂量，用來確定其在最高收藏位置其上方需預留的頂升空間高度。

(3) 活動甲板空載自由四角落在支撐座上時，其中間的最大下垂量，該值考慮到活動甲板在長年使用后可能會發生永久性變形，其變形量取頂升變形工況的計算值。

3.2 活動甲板滿載時的最大變形量計算

選取支柱間尺寸最大的活動甲板為分析案例，見圖7。 其尺寸為13 570 mm×13 870 mm。模型按骨材間距建模，有限元模型及載荷見圖8。

圖7 活動甲板布置圖 圖8 活動甲板滿載

活動甲板滿載時載荷取船東要求的均載荷3 kN/mm2和自身重量，加速度按全船正浮工況用PCL[8]載入，四角支撐座位置處固定；空載頂升時甲板載荷為零，僅取活動甲板自身重量，頂升車托盤尺寸為3.0 m×6.3 m。在頂升車與活動甲板接觸部位設計約束，頂升約束點布置見圖9。

圖9 活動甲板頂升約束點

通過有限元計算可以得到活動甲板變形量云圖和計算結果見圖10、11和表3。

圖10 活動甲板滿載變形云圖 圖11 活動甲板頂升變形云圖

表3 活動甲板變形量mm

4 各層甲板層高計算

活動甲板在收藏位置時，坐落在四個角上的活動支撐件上，支撐件在動作時需要有一個翻轉高度d5=30 mm。另還需考慮甲板的建造不平整d6=15 mm。

各層活動甲板層高按圖12計算，固定甲板按圖13計算。

圖12 活動甲板處甲板層高

圖13 固定甲板層高

根據圖12得出活動甲板的層高可按下式計算得到：

重型固定甲板層高：

H1=h1+d6+d5+Tm

活動甲板層高：

H2=h2+d1+d6+T1

重型固定甲板最大層高：

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

根據圖13得輕型汽車甲板的層高按下式計算得到：

輕型固定甲板層高：

H1=h0+d1+d6+T1

表4為各層汽車甲板層高和各層汽車甲板高度計算結果。

5 結 語

通過對某型PCTC船的固定甲板和活動甲板的變形量分析，結合規格書對層高要求和現場建造余量，計算出了該型PCTC船所有汽車甲板的高度布置。文中的有限元計算，在設計前期可以用交叉梁系計算軟件進行替代，層高設計在PCTC船的前期設計中極為重要，一旦確定好了汽車甲板層高，后期很難再進行調整。因此本文的汽車甲板層高設計方法，對同類型船舶設計有一定的參考價值。

表4 層高計算結果 /mm