陳　皓,　李文賀,　彭貴勝

(1. 中國海運集團總公司 科技信息部， 上海 200080;

2. 大連船舶重工集團有限公司 設(shè)計研究所， 大連 116000)

超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

陳皓1,李文賀2,彭貴勝2

(1. 中國海運集團總公司 科技信息部， 上海 200080;

2. 大連船舶重工集團有限公司 設(shè)計研究所， 大連 116000)

摘要:針對超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)布置進行多方案設(shè)計對比分析。以某萬箱船為例，對比了8種不同結(jié)構(gòu)布置方案，確定了貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計、橫艙壁支撐系統(tǒng)、設(shè)計靜水彎矩、縱骨型材選擇以及貨艙內(nèi)裝載高箱對結(jié)構(gòu)性能的影響。該研究對超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞:集裝箱船； 有限元； 優(yōu)化設(shè)計； 規(guī)范計算

0引言

目前國內(nèi)超大型集裝箱船市場中，萬箱以上的超大型集裝箱船是設(shè)計開發(fā)的重點船型，其結(jié)構(gòu)設(shè)計與以往常規(guī)集裝箱船不同。影響集裝箱船空船重量和結(jié)構(gòu)性能的主要因素有：設(shè)計靜水彎矩、橫艙壁支撐桁材布置、不同船級社規(guī)范、縱骨型材選擇、縱骨間距布置等。對以上影響因素分別進行多方案研究論證，找到適合超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)型式，并確定主要設(shè)計參數(shù)對大型集裝箱船結(jié)構(gòu)重量的影響。

1結(jié)構(gòu)布置及主要設(shè)計參數(shù)研究方案

貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)布置形式是影響集裝箱船結(jié)構(gòu)重量的主要因素，對每一影響因素進行多方案的對比論證，找到最佳的結(jié)構(gòu)布置方案并判斷主要設(shè)計參數(shù)的影響,研究方案包括：

(1) 水密艙壁間3個Bay布置方案；

(2) 貨艙全裝高箱方案；

(3) 型材選用對結(jié)構(gòu)重量的影響；

(4) 支撐艙壁垂向、水平系統(tǒng)對比研究；

(5) 設(shè)計彎矩對結(jié)構(gòu)重量的影響；

(6) 強框布置形式對結(jié)構(gòu)性能的影響。

2各研究方案研究內(nèi)容及成果

2.1水密艙壁間3個Bay布置方案研究

常規(guī)集裝箱船1個貨艙包括2道水密艙壁和1道支撐艙壁(2個Bay),見圖1。為考察水密艙壁間布置3個Bay布置的影響，以某萬箱船作為母型，將1個艙由2個Bay設(shè)計修改成3個Bay設(shè)計，見圖2。

圖1　水密艙壁間2個貨艙

圖2　水密艙壁間三個貨艙

保持設(shè)計參數(shù)條件不變，用英國勞氏船級社軟件和規(guī)范進行中剖面的規(guī)范計算和艙段有限元分析，校核新方案對結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)重量的影響，計算結(jié)果見表1。

表1　3 Bay和2 Bay方案結(jié)構(gòu)重量對比

由表1可知，3 Bay設(shè)計的水密橫艙壁結(jié)構(gòu)僅比2 Bay設(shè)計重0.9 t，重量相差不大;支撐艙壁結(jié)構(gòu)增加了7.6 t，重量增加較多。3 Bay方案的單位長度縱向構(gòu)件較重，采用該方案將節(jié)省1道水密艙壁。萬箱船如采用3 Bay設(shè)計方案，雖然船體結(jié)構(gòu)重量減輕不多，但減少了大量的角接焊縫(約1 600 m)和對接焊縫(約750 m)，降低了船舶建造成本并縮短了建造周期。目前已有萬箱級營運船采用貨艙3 Bay設(shè)計,可見該設(shè)計是可行的。船長越長則節(jié)省水密艙壁越多，因此超大型集裝箱船采用3 Bay設(shè)計方案經(jīng)濟效益較好。

2.2貨艙全裝高箱方案

為滿足冷藏箱的維護要求，貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)必須按高箱設(shè)計，橫艙壁應(yīng)采用水平支撐系統(tǒng),舷側(cè)縱骨及水平桁均按高箱布置。分別采用縱骨間距為724 mm和965 mm 2種布置方案，據(jù)以上功能要求進行剖面設(shè)計及中剖面規(guī)范計算和艙段有限元分析，具體布置圖見圖3。

圖3　高箱結(jié)構(gòu)布置方案圖

主要考察舷側(cè)縱骨間距變化對結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)重量、規(guī)范計算和有限元計算屈服、屈曲結(jié)果的影響，計算結(jié)果見表2。

表2　中剖面參數(shù)對比

由表2得出，縱骨間距為965 mm方案結(jié)構(gòu)比縱骨間距為724 mm方案重1.07%；縱骨間距為724 mm縮減縱骨跨距，減小了帶板厚度，經(jīng)規(guī)范校核發(fā)現(xiàn)，因為縱骨間距減小，有效地減小了板和筋的尺寸。

2.3型材選用對結(jié)構(gòu)重量的影響

型材選擇是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計初期必須考慮的問題，此處僅對比球鋼和角鋼2種型材，從規(guī)范計算和直接計算2方面考察2種結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣性及其對空船重量的影響。為考核型材對結(jié)構(gòu)重量的影響，對比方案除型材不同外，其余均相同，分別對比主要結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能及重量。不同型材的設(shè)計對結(jié)構(gòu)重量的影響見表3。

經(jīng)規(guī)范校核和有限元分析對比發(fā)現(xiàn)，角鋼與球鋼的剖面性能相當。對于局部載荷確定的型材剖面模數(shù)，型材規(guī)格的連續(xù)性決定了型材重量，因此從剖面性能無法區(qū)分型材的優(yōu)劣。角鋼的屈曲性能優(yōu)于球鋼，在直接計算過程中略有優(yōu)勢。由于設(shè)計載荷相同，局部載荷確定的筋剖面模數(shù)相當，規(guī)范確定的板材尺寸相同，球鋼不僅在扭曲施工上不如角鋼，而且相同剖面模數(shù)的橫截面積大于角鋼，且規(guī)格不如角鋼豐富。當前設(shè)計的大型集裝箱船縱骨多采用角鋼。

2.4支撐艙壁垂向、水平系統(tǒng)對比研究

6 000 TEU以下集裝箱船橫艙壁支撐桁材通常為水平系統(tǒng)，萬箱以上集裝箱船則采用垂向支撐系統(tǒng)。為確定2種支撐系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)重量的影響，分別對2種支撐系統(tǒng)建立有限元模型，進行直接計算校核。

表3　角鋼和球鋼方案比較

表4　橫艙壁支撐系統(tǒng)重量對比

采用以水平系統(tǒng)作為水密艙壁和支撐艙壁的支撐結(jié)構(gòu)，垂向6檔，分別布置于G5，G10，G14。經(jīng)過有限元計算發(fā)現(xiàn)，在貨艙和甲板上裝滿集裝箱的情況下，所有載荷由中間甲板承擔，垂向桁材沒有支撐效果，導(dǎo)致水平支撐系統(tǒng)較垂向支撐系統(tǒng)重，而垂向支撐系統(tǒng)可以將艙口蓋上的垂向載荷均勻地傳遞到外底，起到良好的支撐作用。

2.5設(shè)計彎矩對結(jié)構(gòu)重量的影響

集裝箱船不同于油船和散貨船的固定裝載模式，其靜水彎矩與裝載直接相關(guān)。集裝箱船的裝載手冊中僅包含設(shè)計說明書和規(guī)范要求的典型裝載工況，而實際運營的箱船裝載非常靈活，設(shè)計靜水彎矩直接影響箱船的使用性能。針對該情況，分別設(shè)立靜水彎矩為63萬tm、68萬tm和73萬tm方案，考核靜水彎矩變化對箱船結(jié)構(gòu)重量(尤其是縱向結(jié)構(gòu)重量)的影響。在保證波浪彎矩相同的同時，盡量保證設(shè)計余量一致。各方案下的結(jié)構(gòu)重量對比見圖4，各結(jié)構(gòu)隨彎矩的重量變化見圖5。

圖4　結(jié)構(gòu)重量對比

圖5　各結(jié)構(gòu)隨彎矩的重量變化

從圖4可以看出，靜水彎矩增加5%,結(jié)構(gòu)重量增加1%左右，設(shè)計靜水彎矩對結(jié)構(gòu)重量的影響主要體現(xiàn)在連續(xù)縱向構(gòu)件上。

2.6強框布置形式對結(jié)構(gòu)性能的影響

集裝箱船舷側(cè)強框加筋布置一般分為水平布置和垂向布置2種，各有優(yōu)缺點。水平加筋方式可以折減跨距，增加縱骨和強框的連接面積，采用軟趾可改善疲勞壽命。垂向加筋方式施工方便，對于高效的拉入法施工更加有利，同時其結(jié)構(gòu)重量輕于水平加筋結(jié)構(gòu)形式。

舷側(cè)的外板縱骨在結(jié)構(gòu)水線以下，由于外部動載荷較大，這些外板縱骨的疲勞應(yīng)力也較大。疲勞計算結(jié)果表明，若強框架上的平鐵連接到這些外板縱骨上，則縱骨的疲勞強度不滿足要求(見圖6)。此處采用布置2條垂向筋的形式解決強框架腹板板的屈曲問題，而舷側(cè)外板縱骨在穿越強框架時沒有結(jié)構(gòu)焊接到縱骨的面板上。另外，若計算縱骨的連接面積不足，應(yīng)增加補板(見圖6和圖7)。

為考核2種加筋布置形式的優(yōu)劣性能，分別對艙中強框建立2種布置形式的有限元模型，加載計算。計算結(jié)果見表5和圖8～圖11。

圖6　強框結(jié)構(gòu)形式

圖7　強框加筋布置形式

表5　屈服屈曲結(jié)果對比

圖8　垂向加筋強框屈曲計算結(jié)果

圖9　垂向加筋強框剪切應(yīng)力

圖10　水平加筋強框垂向應(yīng)力

圖11　水平加筋強框合成應(yīng)力

從圖8～圖11可以看出，垂向加筋方式下所有板格的屈曲結(jié)果都優(yōu)于水平加筋方式。屈曲計算時，采用計算板格內(nèi)單元的平均應(yīng)力作為板格計算應(yīng)力，板格越大，平均應(yīng)力越小。舷側(cè)強框由于載荷、開孔及靠近外板等原因，應(yīng)力梯度大，采用大的板格更有利于屈曲計算。除屈曲性能外，強框的加筋布置應(yīng)考慮到折減跨距、連接面積、疲勞、施工(對位及拉入法)的影響。綜合以上優(yōu)缺點，萬箱級集裝箱船水線以上水平加筋，水線以下垂向加筋。

3結(jié)語

將影響集裝箱船空船重量和結(jié)構(gòu)性能的主要因素設(shè)計靜水彎矩、橫艙壁支撐桁材布置、縱骨型材選擇、縱骨間距布置等分別進行了多方案研究論證，找到適合超大型箱船的結(jié)構(gòu)型式，并且確定了主要設(shè)計參數(shù)對大型箱船結(jié)構(gòu)重量的影響，主要結(jié)論如下。

1) 水密艙壁間3個Bay布置方案：隨著集裝箱船逐漸大型化，水密艙壁間布置3個Bay可以減少水密艙壁數(shù)量，減小空船重量。

2) 貨艙全裝高箱方案：論證了貨艙內(nèi)全部裝高箱的布置方案，確定了縱骨間距724 mm及橫艙壁支撐系統(tǒng)布置方案。

3) 型材選用對結(jié)構(gòu)重量的影響：論證了縱骨采用球鋼和角鋼對結(jié)構(gòu)重量及結(jié)構(gòu)性能的影響，最終確定選用角鋼作為縱骨，結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)。

4) 支撐艙壁垂向、水平系統(tǒng)對比研究：研究了橫艙壁水平和垂向支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能，確定了水平支撐系統(tǒng)的布置形式和垂向支撐系統(tǒng)的優(yōu)勢。

5) 設(shè)計彎矩對結(jié)構(gòu)重量的影響：確定了設(shè)計靜水彎矩對結(jié)構(gòu)重量的影響，靜水彎矩增加5%，結(jié)構(gòu)重量增加約1%。

6) 強框布置形式對結(jié)構(gòu)性能的影響： 論證了舷側(cè)強框架水平和垂向2種加筋方式，最終確定，對于萬箱級集裝箱船，水線附近采用水平加緊，其他位置采用垂向加筋布置形式。

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收稿日期：2014-12-19

作者簡介：陳皓(1980—)，男，工程師，主要從事大型集裝箱船設(shè)計工作。

文章編號：1674-5949(2015)01-032-05

中圖分類號：U674.13+1文獻標志碼：A

Research on Structure Design of Ultra Large Container Ships

ChenHao1，LiWenhe2，PengGuisheng2

(China Shipping (group) Company Science and Technology Information Department,

Shanghai 200021, China; Dalian Shipbuilding Industry Co., Ltd, Dalian 116000, China)

Abstract:Different structure arrangement cases of the ultra large containership are researched. For an example container ship, the cargo hold arrangement, support system of bulkhead are studied, the still water bending moment and the type of longitudinal structure are designed. The influence of higher container on structure is investigated. The study gives useful information for structure design of ultra large container ship.

Key words:container ship; finite element method; optimized design; rule check