大型汽车运输船防挠曲设计理念和Racking强度评估方法研究

摘要

汽车运输船是专门运载各类车辆的船舶，也可运输大型滚装货品，是一种高技术、高附加值船型。其建造和营运的历史约30年左右。汽车运输船虽然属于滚装船范畴，但因其运载货物的特殊性，其船型布置，特别是结构也有其自身特点，例如大型深、多甲板、货舱区域开阔且横向不设置舱壁等，横向强框架来承担贡献整个船体的横向强度。如设计不当，汽车运输船在横倾状态下因横向歪斜或斜菱(Racking)变形时，横向强框架在舷侧接头区域容易出现结构被撕裂损坏的危险，因此必须特别重视汽车运输船的横向强度。
　　 从如何抵抗横向力出发，汽车运输船又分为刚性设计和柔性设计两种不同的设计理念。前者是指甲板强框架和舷侧强肋骨上下对齐，构成完整的环形框架结构来共同抵抗Racking变形；后者是指甲板强框架和舷侧强肋骨上下不对齐，整个甲板承受的横向力通过在艏、艉及机舱区域的特别设计的横向强构件来抵抗Racking变形。两种设计理念各有特点。本文以某6600车位汽车运输船为例，采用全船有限元分析，对两种设计理念涉及的结构特点、直接计算方法、简化分析方法及差异性等进行了深入研究。其中：
　　 首先，针对汽车运输船的主要承载构件--车辆甲板，进行了分析研究。在深入讨论车辆甲板设计输入信息的基础上，通过力学原理分析和算例比较，就各主要船级社对车辆甲板的规范要求进行了差异分析；通过3维梁系分析，给出了刚性设计和柔性设计理念下车辆甲板设计的差异；并归纳了车辆甲板的设计步骤。
　　 其次，基于挪威船级社(DNV)规范，对其要求的两种不同设计理念下的Racking强度分析方法进行了研究，包括建模方法、载荷施加、边界条件、应力评估等；针对例船进行了Racking状态下的采用柔性设计的汽车运输船全船横向强度评估，研究了柔性设计理念下船体应力分布特点、横向变形大小、热点区域范围等内容；在此基础上，将原按柔性设计的例船改为刚性设计，进行了Racking状态下全船有限元分析和局部舱段有限元分析，比较了刚性设计不同边界局部有限元分析的差异，以及全船分析基础上刚性设计和柔性设计理念的异同点。
　　 最后，在全船有限元分析的基础上，探讨了在设计初期如何采用简化的Racking评估方法来预估柔性设计理念下的汽车运输船的Racking强度。简化评估方法得到的载荷、应力及变形结果与全船有限元分析得到的结果基本一致。表明该简化方法能为在柔性设计汽车运输船前期设计时进行相应结构布置提供参考。