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滚装船的结构特点及其操纵分析
滚装船的结构特点及其操纵分析
[摘要]滚装船作为一种特殊船型出现在历史的舞台，虽然其历史不久，但其发展速度却非常的快，并占有相当大的市场份额，随着汽车贸易的繁荣，滚装船的地位是无法被别的船型取代的。
然而，无论是在中国还是国外，都存在由于滚装船舶结构和操纵技术上的不成熟以及对这种特殊船型的特点掌握不完全而产生的海难。
本文根据一些前人资料结合笔者自己所学的知识简要的介绍了滚装船的历史及其国内外市场发展状况，结合实例介绍了滚装船的船体结构和甲板结构设备，进行了强度分析，然后用操纵指数等要素分析滚装船的操纵性，从而得到在滚装船操纵上的一些注意事项，为在滚装船上工作的海员们提供一些专业性的参考。
[关键字]滚装船结构特点操纵性
StructuralandCharacteristicsofRo-RoShip
[Abstract]Ro-Roship,asaspecialroleappearinthehistory,althoughthesourcetothenear,butitsdevelopmentspeedisveryfast,andoccupyalargemarketshare,withthecartradeflourished,thepositionofro-roshipcannotbereplacedbytheothertypeships.However,whetherinChinaorabroad,therearemanyro-roshipaccidentastheimmaturityoftechnologyandthecharacteristicsofthisparticularshipisnotfullygrasptheresultingsea.Livinginthissituation,thisarticleaccordingtosomepreviousstudiescombinedwiththeauthorhadlearnedinhisProfessionalstudy,madesomeintroductiontothehistoryofro-roshipanddevelopmentofdomesticandforeignmarkets.Withexamplesdescribedro-rodeckstructureandthehullstructureandequipment,tothestrengththeanalysis,andthenmanipulatingtheindexofsuchfactorsasthemanipulationofro-ro,whatthisarticlehaddonewastogetinonsomeofthemanipulationofattention,especialforprovidingprofessionalreferencetotheseafarerswhoworkonro-ro.
[Keywords]ro-roshipstructuralcharacteristicsmaneuverability
4.1货物装卸15
4.2安全注意事项16
引言
滚装船是国外60年代发展起来的一种运输船型。
由于其装卸速率快、费用低，对码头要求不高，便于多式联运，实现“门对门”服务，迎合了现代航运的发展趋势，因此，不论是在国内还是国外，滚装船运输都在稳步发展，滚装船需求不断增长，滚装船市场日渐兴旺。
2010年日本仅2月份就出口381407辆，而世界汽车贸易量突破100万，而这些汽车的运输都需要滚装船这个专用的船型来完成。
挪威滚装船航商──礼诺航运（LeifHoegh）董事库托臣日前在新加坡公开场合上表示，滚装船全球总运力不足，出现车多
运力供应不上的局面。
尽管滚装船对航运市场如此之重要，但人们对它的了解却少之又少，业界对它的研究分析也相当少，拿国内来说。
因此也就出现了一系列的问题，如1999年11月24日“大舜”特大海难、2004年的“辽海轮”着火事件等。
由此可见，研究分析这种船型对业界来说非常的重要。
本文在介绍滚装船的发展历史的同时还简要的描述了它的国内外市场状况。
而本文的重点是放在结构和操纵分析。
在结构分析时，运用了高等教育统编教材之《船舶结构与设备》的分析步骤，先介绍了船体结构，其中，运用实例分析了这样的船体结构带来的总纵强度和局部强度的情况，接着简要的介绍了滚装船的其它船体结构设备，最后根据对其它几个典型的船型的结构状况来纵向比较了滚装船与它们的结构上的差异。
在操纵方面，本文首先分析了滚装船的操纵特征，再根据操纵性指数分析了滚装船的操纵性，接着结合操纵理论基恩要的介绍了在操纵的注意事项。
通过这样的论文，我学到了许多的知识，对我以后的工作肯定有许多帮助。
第1章滚装船概论
1.1滚装船的发展历程
滚装船又称“开上开下”船，或称“滚上滚下”船，它是利用运货车辆来载运货物的专用船舶，用牵引车牵引载有箱货或其他件货的半挂车或轮式托盘直接进出货舱装卸的运输船舶。
是在汽车轮渡的基础上发展演变而来的。
二战后，英国曾用退役的登陆艇开辟一条通往德国汉堡的定期航线，装载货物的车辆可直接登上陆岸。
尽管用登陆艇运输经济性差，没有推广价值，但是，这却是在交通运输史上具有划时代意义的事件，因为由此在海洋运输方式中开创了新的形式——滚装运输。
从20世纪50年代后期，美国、英自从集装箱船诞生后，人们在使用集装箱船过程中，发现装卸集装箱并不方便，要动用许多吊货装置和起重设备。
人们设想将集装箱的装卸方式改为用运货车辆直接上下集装箱船，将货物装卸方式从吊上吊下改为水平方向的作业。
20世纪60年代末，在集装箱船基础上，有些国家又出现了一种新型船舶—滚装船。
这样，可以省去许多装卸、起重设备，简化装卸程序，还可以使集装箱船能在一般码头停靠，不需要对港口码头进行大规模改造。
这样就出现了集装箱滚装船，现代货运船舶中的滚装船就是指这种集装箱滚装船。
世界上第一艘滚装船“彗星”号，是美国于1958年建造的。
直到1966年，丹麦才建成了北欧第一艘滚装船“苏墨赛特”号。
由于北欧地区海岸的潮差较小，公路运输网稠密，利用滚装船可构成海上运输和公路运输的集成运输系统，所以滚装船在北欧迅速发展，自1958年美国建造第一艘滚装船后，在北欧发展应用较多，世界海运发达国家也在使用。
20世纪末约占全世界滚装船运输总量的一半。
目前的滚装船已经发展到第四代。
1.2滚装船的运输市场简介
1.2.1国内的市场
在我国滚装船运输与滚装船队发展过程中，形成了三大市场：
以琼州海峡和珠江三角为中心的南海市场，以长江三角洲和舟山群岛为中心的东海市场，以渤海湾为中心的渤黄海市场。
南海市场我国发展较早船舶交易量较多的滚装船市场。
最初以客滚船发展过来，由于海南经济的发展，珠三角的汽车贸易量增加，南海市场发展规模变大。
特别是在九十年代后市场规模迅速扩大，目前有客滚船有将近100艘。
另外我国最大的汽车码头—南沙码头也在广州。
东海滚装船市场是我国的后起之秀，它的特点是航线较多、船队较少、船龄较低、发展比较健全。
1983年开始滚装运输，90年代以后，该市场发展平稳，船舶成交量平均每年增加近3艘。
该市场是在我国华东沿海经济发展带动下发展起来的。
东海市场中，陆／岛、岛／岛间的短途航线较多，船舶总量以及二手船量都较少，在航滚装船队的平均船龄低于南海和渤黄海市场，船型种类相对较多，其中车／客滚渡船约占七成，单船公司少于南海和渤黄海市场。
另外，我国最大的造船之一的南通造船厂也在这片区域。
作为中国经济最为活跃的长江三江州，具有超越其他两者的汽车贸易的腹地。
渤黄海滚装船市场是起步最晚、发展较快、船队老龄化最严重的市场。
该市场1985年开始滚装运输，10年内增加滚装船航线11条，增加滚装船公司18家，成交滚装船45艘，发展速度仅次于南海市场。
另外，这个市场又具有连接东北和华北的“蓝色高速公路”之称，随着近日吉利集团收购沃尔沃的成功，这一区域的贸易市场肯定也会得到更大的发展。
1.2.2国外的滚装船市场简介
随着汽车制造基地的转移,船公司为了满足未来汽车海上运输的需求,逐步加大建造汽车滚装船的步伐。
1965～2005年全球汽车滚装船建造量统计见表1-1。
2005年全球滚装船队规模为623艘,其中614艘处于营运中。
2006年有23艘滚装船竣工,而2007年将有30艘竣工,2008～2009年将有35艘竣工。
据有关专家预测,未来10年内需建造230艘新船才能满足市场需求。
世界主要的滚装船公司集中在北欧地区及日韩两国。
2002年,北欧著名滚装船经营人威廉臣（WalleniusWil2helmsen）以15亿美元的价格收购韩国现代商船的滚装船队后,在世界滚装船运输市场上的份额跃升至32%以上,以绝对优势占据该行业第一位。
另外68%的市场份额分别被日本的3大滚装船经营人（日本邮船、商船三井、川崎汽船）、欧洲联合滚装船运输公司、德国E.H.Harms公司、挪
威Hual公司、意大利Grimaldi集团等瓜分。
目前我国国际航线汽车滚装船数量很少,至2006年仅有12艘。
表1-1 1965～2005年全球汽车滚装船建造量
年份
建造总量
建造国家
日本
韩国
欧洲等其他国家
1965-1969
3
2
0
1
1970-1979
54
44
0
10
1980-1989
225
197
16
12
1990-1999
139
84
34
21
2000-2007
161
93
20
48
资料来源：
中国船舶工业市场研究中心
1.3滚装船发展方向
滚装船滚装船近十年来发展很快，迄今世界上已有两千余艘。
滚装船正向着速度更高、装载量更大、性能更完善的方向发展。
现在滚装船一般用柴油机作动力，航速在20节左右，快的可超过25节。
未来的滚装船可采用新的动力装置，速度更快。
现在滚装船装载集装箱，未来的滚装船除了装载集装箱外，还可装载石油、矿砂等多种货物，用途将更广泛。
第2章滚装船结构分析
2.1船体结构
2.1.1结构特点
鉴于滚装船采用水平装卸货物方式,因此在总布置上有如下特点:
（1）货舱为水平分隔,甲板层数增多,导致型深加大,从而使滚装船的水上面积比水下面积大得多,面积比值一般大于2,有时到达3或更大。
（2）为便于车辆出入,船与码头用跳板连接。
跳板形式有直跳板、斜跳板（与船舶纵向中心线角度一般为30～45°）、旋转跳板。
跳板一般设在船的尾部,也有首尾均有设置。
（3）为便于装卸,机舱设在船的尾部,且处于封闭状态,主要是因为机舱上部可作为主要通道。
（4）为便于车辆通行与置放,甲板一般不设舷弧与梁拱。
（5）为准确靠离码头,一般在船首部或首尾设置侧推器。
2.1.2结构设计
出于稳性的考虑,控制空船的重心成为结构设计首先要考虑的问题。
为此,上层甲板的厚度应尽量减小,仅有5.5～6mm。
甲板板架的设计可根据规范中对于车辆甲板的规定进行,主要构件的强度还需通过有限元计算进行验证。
由于甲板层数多,且都为连续甲板,汽车运输船的剖面模数都能满足要求。
由于方形系数较小,汽车运输船在各种装载状态下的静水弯矩都为中拱,和波浪弯矩合成后使得船底区域可能受到较大的弯曲压应力,而合成后对于甲板上的压应力则比较小。
但由于甲板的结构较单薄,且在舷侧多采用横骨架形式,其在总纵弯矩下的屈曲需要关注。
由于型深比较大,虽多为单壳结构,船体梁的剪切强度也都能满足要求,但舷门处的剪切强度需要引起注意。
除常规的结构问题外,汽车运输船还存在特有的横向强度问题,在其结构设计中必须予以充分关注。
由于其货物装载位置较高,船舶在发生横摇时,这些货物会引起较大的横向惯性力。
由于在货舱区不设置横舱壁,这些横向力需要通过舷侧的强肋骨向下传递。
当强肋骨受到横向力作用而发生变形时（这种变形我们称为扭曲变形）,强横梁为强肋骨提供转动约束从而一起发生变形。
由于弯矩的存在,扭曲变形会在强横梁和强肋骨的连接部位引起附加应力。
附加应力和该部位原有的应力叠加,使之成为高应力区。
由于受到净空高度的限制,对于高应力区,无法通过常规的设置肘板的方式来降低其应力。
为了降低应力,采用塞板的形式进行加强,即在强横梁和强肋骨的连接处,采用较厚的腹板。
当船的尺度增大,横向力也随之增大时,这种加强的要求使得强肋骨的尺寸有较大的增加,且连接处的加强要求进一步提高。
为了提高抵抗横向力的能力,除通过增加强肋骨的尺寸外,还可以设置专门的半舱壁来抵抗横向力。
所谓半舱壁指在货舱区域内不封闭的舱壁,舱壁的大部分为开口,仅在两舷留有两个窄条,这两个窄条称为半舱壁。
半舱壁抵抗横向力的能力比强肋骨要强得多。
每隔若干个强肋骨设置一个半舱壁,这样在其附近区域的横向力由半舱壁来抵抗,而强肋骨几乎不抵抗横向力。
这种设计可以降低对于强肋骨的要求,从而减小其尺寸,甚至可以免除对于强肋骨和强横梁连接处的加强要求。
从抵抗横向力的材料效率来讲,这种方法效率高;不过,采用半舱壁时,会在货舱区形成若干个角落,对于装卸的效率有一定的影响。
柔性设计是另一种抵抗横向力的设计方法。
车辆在横摇运动下的横向力沿甲板向前后传递,并通过艏艉处的横舱壁、外壳和尾封板来抵抗。
采用这种设计时,甲板在艏艉处和这些结构的连接处成为应力较大的关键区域。
船中区域没有能有效抵抗横。
向力的结构,其扭曲变形会很大。
大的扭曲变形形成大的附加应力,可能引起结构的破坏。
为解决这一问题,在甲板和舷侧的连接处（即强横梁和强肋骨的连接）采用柔性设计,强横梁和强肋骨采用不共面布置,甲板强横梁上的垂向力通过放大的纵骨传递到强肋骨上,而强横梁上的弯矩不会传递到强肋骨上。
这使得即使出现较大的扭曲变形,也不会在两者的连接处出现附加应力。
2.1.3结构强度分析
为了便于分析，下面通过第1艘入中国船级社（CCS）的仅装载轮式商品车辆汽车滚装船（2000pcc）的总体强度和局部强度为例来分析滚装船的结构强度。
该船为单浆、柴油机驱动、无限航区的车辆滚装船，可装载多种小汽车。
设有9层车辆甲板，车辆甲板之间安装固定坡道，有2块尾门跳板，左右舷各1块。
其总长为140.5m垂线间长129.60m型宽24.40m内层1至十层（车辆）甲板高度为1.70m、3.80m、5.90m、8.0m、10.30m、12.80m、15.40m、17.60m、19.80m、21.95m设计吃水为6.00m。
图2-1总布置图
（1）、总体强度
根据车辆滚装船总体布置特点，车辆甲板分为2个水密大舱。
机舱、系泊设备、通道设备等设备重量集中于首尾部。
而舷侧除了防横倾水舱，仅设2对压载水舱,其余都为空舱。
因为该船航速较高，水下首尾端线型较瘦削，干舷甲板上各层甲板达到船宽，浮力大都集中在船中。
所以船体总纵强度全部为中拱状态。
最大弯矩一般出现于压载工况。
由于本船具有10层封闭的连续甲板，所以甲板和船底剖面模数大大富裕。
在确定各剖面的设计弯矩值时侧重考虑板的屈曲强度，特别是横骨架式。
由于装载车辆的需要，上层建筑甲板层数较多，且贯通首尾,因此各甲板都应考虑总纵强度对其影响。
由于船体一直处于中拱状态，各甲板一般处于受拉状态，但规范规定板格的最小工作压应力为30N/mm2。
所以甲板、船底、内底均采用纵骨架式。
根据车辆滚装船的自有特性，各剖面甲板处和龙骨处最大总纵弯曲应力σd、σb远小于许用弯曲应力[σ]。
计算外板和甲板时，折减系数可取到极限值0.7,计算骨材时，折减系数可取到极限值0.8，以减轻船体重量。
（2）局部强度
滚装船的局部强度分析一般来说分为甲板板强度、舷侧外板的强度以及车辆甲板骨架的强度等，通过有限单元模型的方法来计算，具体方法参考大连海事大学出版社出版的《船舶原理》的计算原理，这里只做简要的介绍。
对于车辆甲板板来说，如果仅用于装载商品轮式车辆的非露天车辆甲板,其板厚可按《钢质海船入级规范》对车辆甲板的厚度要求减薄1.5mm,但不能小于5.5mm。
对于液舱顶和双层底内底仅用于装载商品轮式车辆的车辆甲板,其板厚可按《钢质海船入级规范》对车辆甲板的厚度要求减薄0.75mm,但不能小于5.5mm。
舷侧外板结构分为干舷甲板以下，和干舷甲板以上分别考虑。
干舷甲板以下的舷侧骨架可按钢规有关规定，但计算压头可量至干舷甲板边线。
干舷甲板以上，舷侧结构应直接计算。
车辆甲板骨架按照临界状态和具体工况载荷来计算，载荷应计入轮印载荷和设计均布载荷。
可以假设骨材的两端为刚性固定轮印载荷作为集中载荷置于骨材的跨距中点，许用弯曲应力100N/mm2。
2.2甲板结构设备
甲板结构设备分为锚设备、系泊设备、舵设备和装卸设备。
首部设2台锚机,采用低压组合式,锚机带有恒张力系统。
在左、右系泊站设遥控台以操作锚机和绞车。
甲板机的选型适应未来增加一层车辆甲板后舾装数的增加。
其锚型一般为大力无杆锚，因为其有稳定的鳍，能迅速啮土，对各种底质有较强的适应能力适合滚装船的操纵特点。
滚装船的系泊设备跟其它船型有较大的技术差别，因为滚装船是从船尾滚动装卸的并且其顶层甲板很高，因此它的尾缆必须有跟高的要求，在船尾主要通过尾缆和尾倒缆的受力来系固，且两者之间的间距较大，而船上的缆桩是设在中层甲板的位置。
在大多数的滚装船的尾部都装有襟翼舵，因其长宽比较大，旋回性能较差，而此类舵是仿效飞机的襟翼，在通的主舵叶后缘装一个称为襟翼的副叶，以此增加流体动力。
滚装船的装卸都是靠或货物本身的滚动或外加托盘来完成的，所以没有普通的装卸设备，而是通过设置大型的尾门、上下提升坡道、固定坡道来完成的。
2.3与其他船型的比较
滚装船由于所装货物为滚轮形的，为了便于货物的装卸它没有一般的横向结构，所以在结构强度上有一定的折扣，因此，它不能像油轮和散货船一样具有那么大的方形系数。
另一方面，由于它的甲板层数很多，比一般的集装箱船高1/3，因此，为了抵抗在风中的外力及其抗波性它也不可能像集装箱一样具有线性，所以，结构上，它的方形系数介于油轮和集装箱之间。
而其他结构的比较，让我们来了解一下其他船的结构特点。
2.3.1集装箱船结构简介
①集装箱采用垂向直壁式结构，并且它的的货舱口宽度几乎和货舱宽度一样大，舷边只留了很小宽度的甲板边板。
而这样的开口明显对船的抗弯、抗扭和横向强度不利。
为了弥补这些的不足，集装箱船在结构上通常采用下列加强措施：
（1）采用具有水密舷边舱的双舷侧；
（2）增加甲板板和舷侧板的厚度；（3）加大两个货舱口之间的舱口端横梁和甲板横梁的尺寸。
②集装箱船货舱区域的舷侧都具有双层壳板，其货舱载货的有效宽度和货舱宽度差不多。
内舷侧纵壁对甲板大开口造成的总纵强度的削弱做了补偿。
此外，舷边舱还能提高船体的抗沉性和用作压载水舱。
③由于集装箱船甲板外飘、航速快，船体受到波浪的冲击力比较大，造成的冲荡应力也比较大，加上总纵合成应力也比较大，所以船体内结构所受的弯矩值也就大，所选取的构件尺寸也应较大。
④为了装更多的集装箱，集装箱船通常设计成大的货舱开口和狭长的甲板条船舶，这使得船体的水平弯曲、扭转效应、横向强度在其总纵强度中所占的比例明显上升，舱口角隅处也会有明显的应力集中。
2.3.2油轮结构简介
油轮不仅在外型上会与集装箱有很大的不同，而且在内部的结构上也有很大的差别。
它为单甲板，由于货油通过管路进行装卸，故甲板上没有装卸设备，也不设大的舱口，而布有许多的管系、阀门，设有圆筒形油气膨胀舱口。
大型油轮干舷绝对值较大，长不设首楼，因而在甲板下设内部纵向通道，还设有内部纵向舱壁，这样有助于减少自由液面的影响还能增加总纵强度，根据规则要求现在油轮必须设有双层船壳。
2.3.3散货船结构简介
散货船一般分为：
通用型散货船、矿砂船、自卸式散货船。
散货船具有接近油轮的方形系数，长宽比比滚装船小很多，结构也比滚装船简单。
与滚装船相反的是，它的内部结构上没有纵向舱壁，取而代之的是分隔多个大型舱的横向舱壁。
对于后两者来说过，还有比较多的起卸货设备。
干舷也比滚装船小很多。
第三章滚装船操纵
3.1操纵性分析
3.1.1操纵特征概述
滚装船与其他类型船舶比较，因其庞大的水上船体受风面积和结构、特性等原因，造成了船舶操纵上的诸多困难和事故高风险概率。
其操纵方面的主要特征为：
（1）船型长宽比L／B小，长／深比L／D小，船体方形系数Cb小，船长与夏季满载吃水比L／ds大，致使滚装船的航向稳定性、追随性差。
（2）船身肥短、庞大的水面以上体积，致使滚装船操纵受风的影响极大。
概略估算，其受风影响为集装箱船的两倍，油轮的三倍。
（3）保持航向的临界风速小于其他类型的船舶。
如正横舷90°受风，船速10kn，用30°舵角为例，临界风速分别为：
滚装船10×3．5=35kn，压载超大型油轮10×5．2=52kn。
在狭水道及航道中航行为安全计，通常以使用15°舵角为限计算，则滚装船为10×2．3=23kn，满载油轮为10×4．0=40kn。
即滚装船需保持航向的难度是油轮的1．7倍。
（4）在锚地锚链所受的最大张力大。
锚链在船体偏荡时受的最大张力（nx），前部正面风压力（F=V2／25），通常滚装船n值约为5，普通船、集装箱船n值约为2．5～3．5。
即滚装船在锚泊时，锚链所受的最大张力约为普通船、集装箱船的1．5～2．0倍。
3.1.2K、T指数分析滚装船操纵性
在操纵性分析过程中我们常用的方法是Z形操纵实验法。
但由于条件限制，本文不能从实验的角度进行分析滚装船的操纵性分析，所以本文只能通过一些船舶的Z形实验资料，根据20世纪50年代野本谦作和诺宾发展的一种对Z形实验结果进行理论分析的方法──K、T分析法，这种方法得到广发的认可，K、T由此也被称作操纵性指数。
K值是表示船舶操舵后产生多大转头角速度的要素，K值大则转头角速度越大，其船舶旋回性就越好，K值实际上是定常旋回中的船舶每单位舵角所能给出的转头角速度值，也称增益常数。
K值的大小表明船舶旋回性的优劣，它越大说明舵擞好，船舶的旋圆圈也就越小，因此，K称为旋回性指数。
T值是支配操舵后达到最高旋回角速度所需时间的主要因素。
T值小则操舵后的转向角加速度γ值较高，而衰减很快，转头角度很快稳定于Kδ值，每经过T的时间均趋近于e–1倍，所以T又称为时间常数．T越小表明舵效越好，操正舵时稳定到新航向上的时间越短。
反之，则航向稳定较慢。
但只要T>0（为正的小值）则具备良好的航向稳定性，若T<0则不具备航向稳定性。
因此，T称为船舶的追随性指数。
然而，为了比较不同船型的操纵性，船舶操纵理论中还引进了无因次化操纵性参数K′、T′。
他们分别代表K（L/V）、T（V/L）（其中，V、L分别代表船速和船长）。
下面通过一些船舶Z形试验资料来对比滚装船的操纵性：
表3-1试验样本及其船型参数
由此可见，同为1.5万吨左右的船舶，滚装船的K值只比集装箱小一点点，而T值只略小于油轮和散货船，而在这些船型中集装箱K值最大，油轮T值最小。
因此，根据操纵性理论滚装船的旋回性只比集装箱船稍差，而追随性仅次于油轮和散货船。
综合比较，滚装船的操纵性较高。
3.2滚装船安全操纵注意事项
3.2.1靠离泊注意事项
（1）滚装船平行处船体较短，在操纵中极易造成船壳凹陷受损。
应对措施：
加强拖轮顶推点处船壳的强度；实行平行靠离泊
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