邵漢東

(揚(yáng)帆船舶設(shè)計(jì)研究院，浙江 舟山 316100)

2200TEU集裝箱船艙段局部強(qiáng)度分析

邵漢東

(揚(yáng)帆船舶設(shè)計(jì)研究院，浙江 舟山 316100)

以2 200 TEU集裝箱船為研究對(duì)象，按英國(guó)勞氏船級(jí)社對(duì)集裝箱船艙段直接計(jì)算的要求，應(yīng)用MSC.Patran有限元軟件建立艙段模型，并進(jìn)行多工況計(jì)算和對(duì)局部強(qiáng)度分析，得出最大應(yīng)力，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)板架方案。

集裝箱船；艙段；局部強(qiáng)度；有限元法

0 引言

在集裝箱船大型化發(fā)展的今天，支線型集裝箱因其在港口、航線、航道，貨源供應(yīng)、裝卸等方面較大型集裝箱船靈活方便，所以受到中小船東的青睞。根據(jù)規(guī)范要求,大開口的集裝箱船除要校核靜水彎矩，船舶在迎浪狀態(tài)垂向合成彎曲應(yīng)力，在斜浪中的垂向合成彎曲應(yīng)力、水平彎曲應(yīng)力以及由水動(dòng)力扭矩、貨物扭矩所產(chǎn)生的翹曲正應(yīng)力之外，對(duì)于大于150 m的集裝箱船，還需分析和評(píng)估貨艙段甲板、舷側(cè)、船底和艙壁等主要構(gòu)件在局部載荷作用下的強(qiáng)度以及疊加船體梁載荷后的應(yīng)力響應(yīng)。本文研究的2 200 TEU集裝箱船通過(guò)建立艙段模型進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，計(jì)算主要參照英國(guó)勞氏船級(jí)社LR《Primary Structure of Container Ships Guidance on direct calculations》PART C Verification of Primary Structure規(guī)范進(jìn)行。

1 船舶及結(jié)構(gòu)概況

2 200 TEU集裝箱船為單機(jī)、單槳、球鼻、方尾，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的高自動(dòng)化船舶，入級(jí)LR。本船結(jié)構(gòu)采用縱橫混合骨架形式，其中，貨艙區(qū)域甲板、舷側(cè)、底部結(jié)構(gòu)采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，每4檔肋位設(shè)置強(qiáng)框架，舷側(cè)采用寬邊艙，以提高集裝箱船的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度；邊艙內(nèi)設(shè)置1層平臺(tái)；首尾采用橫骨架式結(jié)構(gòu)。該船主要量度為：

總長(zhǎng)Loa

220.8 m

垂線間長(zhǎng)Lpp

214.2 m

型寬B

30.0 m

型深D

18.8 m

結(jié)構(gòu)吃水TS

12.0 m

2 結(jié)構(gòu)化模型

結(jié)構(gòu)模型化是計(jì)算的前提和結(jié)構(gòu)分析成敗的關(guān)鍵因素。本文結(jié)構(gòu)化模型依據(jù)LR的規(guī)范要求，模型范圍：縱向?yàn)榇袇^(qū)域“1/2貨艙+第3號(hào)貨艙+1/2貨艙”，即沿縱向4個(gè)12 191 mm(40 ft)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度集裝箱；垂向取型深范圍；橫向取船寬范圍，不計(jì)型線變化，有限元計(jì)算模型如圖1所示。模型總體坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)模型中的板、殼(如外板、內(nèi)底板、艙壁板及肋板等)部分，采用4節(jié)點(diǎn)板殼，3節(jié)點(diǎn)模擬，高應(yīng)力區(qū)避免采用3節(jié)點(diǎn)單元；縱骨、橫梁及強(qiáng)框架的面板采用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M。有限元網(wǎng)格的劃分為：舷側(cè)、甲板及船底采用縱骨間矩的細(xì)網(wǎng)格，縱向采用肋距劃分網(wǎng)格，開孔直接在網(wǎng)格中刪除。由于本船采用邊管弄，結(jié)構(gòu)局部不對(duì)稱，為確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用全寬的有限元模型進(jìn)行評(píng)估和分析。

圖1 有限元計(jì)算模型

3 邊界條件

LR規(guī)范約束條件區(qū)分較細(xì)：評(píng)估雙層底部分應(yīng)力時(shí)候，采用Z向約束水密艙壁并施加垂向力；評(píng)估舷側(cè)及橫艙壁結(jié)構(gòu)的時(shí)候，采用Z向約束模型兩端內(nèi)殼縱壁和舷側(cè)外板施加垂向力的方法，需要評(píng)估滿載正浮工況+總縱彎矩工況合成應(yīng)力結(jié)果；評(píng)估橫傾工況下的雙層底、甲板、舷側(cè)及橫艙壁結(jié)構(gòu)時(shí)，采用垂向施加彈性約束彈簧元，并且Y向在主甲板、內(nèi)底、外底施加彈性約束彈簧元。彈簧剛度的大小根據(jù)公式K=G(A/(lN))計(jì)算，其中G為彈簧剛性模數(shù)，N為彈簧元應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)數(shù)，l為彈簧元離下道非評(píng)估艙壁的距離，A為彈簧元支撐結(jié)構(gòu)的剖面積。具體約束見表1。

表1 邊界約束表

4 計(jì)算工況

根據(jù)LR Container Ships Direct Calculation Procedure 2006要求，主要計(jì)算正浮、橫傾、縱傾、貨艙進(jìn)水工況，具體見表2。載荷要素說(shuō)明如下：

(1)計(jì)算因總縱彎曲載荷引起的應(yīng)力時(shí)，在艙端前后端面增加垂向靜水和波浪彎矩。

(2)計(jì)算因局部載荷引起應(yīng)力時(shí)，需考慮空船重量，貨艙段需加載集裝箱載荷，壓載艙需加載壓載水載荷，深艙內(nèi)需加載燃油載荷，還應(yīng)考慮外部海水的靜水壓力及波峰或波谷的附加水載荷。

(3)對(duì)于縱蕩工況，還需考慮加速度對(duì)貨艙的影響。

集裝箱載荷在貨艙以點(diǎn)載荷的形式施加在箱腳上，在甲板以上以線載荷的形式施加在艙口圍板頂板處。對(duì)于C6船舶縱蕩工況，需考慮縱向加速度對(duì)集裝箱的影響。在貨艙內(nèi)，考慮集裝箱在縱向加速度作用下，對(duì)支撐箱腳的水密艙壁及導(dǎo)軌架支撐結(jié)構(gòu)的載荷；在艙蓋上要考慮縱向加速度引起的支撐集裝箱的艙口圍板處由于集裝箱縱向運(yùn)動(dòng)受到的摩擦力，其分布力簡(jiǎn)化為縱向集裝箱載荷總量的15%計(jì)算，并且作用在縱向和橫向艙口圍板頂部節(jié)點(diǎn)上，其余艙蓋上的集裝箱載荷以85%縱向載荷作用在艙蓋后端的1/2寬度處。

表2 工況裝載情況表

5 計(jì)算結(jié)果與分析

(1)分析C2a、C2b、C4、C5工況，發(fā)現(xiàn)旁桁材在X方向組合應(yīng)力發(fā)生在水密橫艙壁下居中的左中右3根，最大剪應(yīng)力發(fā)生在水密橫艙壁前后端2～3個(gè)肋位處。旁桁材X方向組合應(yīng)力如圖2所示，旁桁材剪切應(yīng)力如圖3所示。

圖2 旁桁材X方向組合應(yīng)力

圖3 旁桁材剪切應(yīng)力

(2)根據(jù)C2a、C2b、C4、C5工況分析中間甲板，最大合成應(yīng)力分布在導(dǎo)軌支撐橫艙壁前后2～3個(gè)肋位，最大剪應(yīng)力分布在支撐艙壁后端3～4個(gè)肋位。由于此處應(yīng)力水平值較高，應(yīng)避免在此范圍內(nèi)開孔，平臺(tái)角接處可以適當(dāng)增加板厚。中間甲板組合應(yīng)力圖和剪切應(yīng)力圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 中間甲板組合應(yīng)力

圖5 中間甲板剪切應(yīng)力

(3)根據(jù)C2a、C2b、C4、C5工況分析肋板的最大合成應(yīng)力和最大剪應(yīng)力，主要發(fā)生在縱向：導(dǎo)軌支撐艙壁前后共6～7塊肋板，橫向：在水密縱艙壁下端3個(gè)縱骨的距離位置，高的剪應(yīng)力分布在開孔邊緣，所以此處開孔盡量小，且盡量遠(yuǎn)離內(nèi)底板。肋板合成應(yīng)力圖和剪切應(yīng)力圖如圖6、圖7所示。

圖6 肋板合成應(yīng)力

圖7 肋板剪切應(yīng)力

(4)舷側(cè)橫隔板最大合成應(yīng)力主要分布在導(dǎo)軌支撐艙壁前后各3個(gè)橫隔板下端，距內(nèi)底板1 m區(qū)域，最大剪力除以上區(qū)域外，還發(fā)生在二甲板下端1 m范圍，因此，應(yīng)避免在以上區(qū)域開孔，并且二甲板縱骨穿過(guò)橫隔板處增加補(bǔ)板，以補(bǔ)償剪切面積。舷側(cè)橫隔板合成應(yīng)力和剪切應(yīng)力分別如圖8、圖9所示。

(5)艙壁垂直隔板最大合成應(yīng)力發(fā)生在導(dǎo)軌支撐艙壁下端，橫向位置為靠近船體中心線左中右共3塊垂直隔板。另外，艙壁內(nèi)的垂向隔板除合成應(yīng)力外，Y方向的合成應(yīng)力比較明顯和密集，需注意盡量減少減小開孔。

圖8 舷側(cè)橫隔板合成應(yīng)力

圖9 舷側(cè)橫隔板剪切應(yīng)力

(6)橫艙壁最大合成應(yīng)力和最大剪應(yīng)力發(fā)生在距外板5 m左右范圍，若需開孔，不易太大，并且根據(jù)C6工況，Y軸組合應(yīng)力較大，主要發(fā)生在縱艙壁與主甲板相連接的橫艙壁區(qū)域。C7a、C7b工況最大合成應(yīng)力發(fā)生在靠近內(nèi)底板的橫艙壁下端，特別是靠近船體中心線區(qū)域，需注意板厚的局部加強(qiáng)。

(7)以上僅列出典型結(jié)構(gòu)的有限元局部強(qiáng)度分析結(jié)果云圖，其他還有：

①分析C7a、C7b工況，發(fā)現(xiàn)支撐艙壁的導(dǎo)軌支撐面板靠近最下一層平臺(tái)處合成應(yīng)力高，面板的連接需注意過(guò)渡良好；

②艙壁內(nèi)水平隔板：最大合成應(yīng)力發(fā)生在重油艙內(nèi)，特別是大開孔邊緣，Y方向組合應(yīng)力發(fā)生二甲板以上平臺(tái)船體中心線5 m區(qū)域，需注意開孔加強(qiáng)；

③底部外板最大應(yīng)力在X方向，位于水密艙壁前后端；內(nèi)底板最大應(yīng)力在X方向，位于水密艙壁和導(dǎo)軌架支撐艙壁中間區(qū)域等。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)貨艙段的有限元模型的強(qiáng)度計(jì)算，本船的設(shè)計(jì)得到了貨艙的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種載荷工況下的受力情況，根據(jù)分析結(jié)果確定了構(gòu)件尺寸和加強(qiáng)部位及鋼板等級(jí)的選用，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加趨于合理化。在設(shè)計(jì)類似集裝箱船時(shí)，本文對(duì)提高設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，具有積極的參考價(jià)值。

[1]中國(guó)船級(jí)社.集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南[M].北京：人民交通出版社, 2005.

[2]徐蓉. 3 600 TEU集裝箱船貨艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的直接計(jì)算分析[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2010，(B09)：38-42.

2014-03-16

邵漢東(1974-)，男，工程師，主要從事總體與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

U661.43

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