邵漢東， 劉在良， 周俊霖

(1.揚帆船舶設計研究院， 浙江 舟山 316100； 2.浙江國際海運職業(yè)技術學院， 浙江 舟山 316021)

2 339 TEU支線型集裝箱船設計特點

邵漢東1， 劉在良2， 周俊霖1

(1.揚帆船舶設計研究院， 浙江 舟山 316100； 2.浙江國際海運職業(yè)技術學院， 浙江 舟山 316021)

針對一艘出口德國的2 339 TEU支線型集裝箱,介紹其基于CFD技術的低阻線型設計開發(fā)，基于MSC.Patran的高可靠性結構設計，大型左右不對稱上層建筑整體吊裝有限元強度分析及窄邊艙技術等在船舶設計與制造中的應用；新技術、新設計手段在船舶設計與制造中應用使船舶各項性能顯著提高，其對類似船舶的設計與制造具有積極的參考價值和意義。

支線型集裝箱船； 低阻線型； 高可靠性結構； 整體吊裝； 窄邊艙

0 前 言

支線型集裝箱船作為集裝箱班輪航線的重要組成部分，是集裝箱樞紐港和干線運輸?shù)闹匾?。支線型集裝箱船在干線船的促進下，具有較好的市場前景。為此，世界各船舶設計研究院、船廠投入大量人力物力，以期以高科技手段與良好的性能指標來獲得船舶所有人的青睞。2 339 TEU支線型集裝箱船由揚帆集團股份有限公司量身定造，設計與制造過程中采用線型CFD優(yōu)化、高可靠性結構設計、窄邊艙技術應用、大型左右不對稱上層建筑整體吊裝有限元分析、節(jié)能裝置技術應用以及低軸中心線傾斜設計等新技術與新工藝。

1 船型特征

本船為無限航區(qū)，設有球鼻艏、方艉、單機、定距槳、高效舵(扭曲舵)、首側推，是一艘尾機型全格柵式集裝箱船。

本船主尺度：總長為189.00 m；垂線間長為180.2 m；型寬為30.4 m；型深為16.9 m；設計吃水為8.5 m；設計載重量為21 200 t；主機功率為12 840 kW ×97 r/min；航速為19 kn。

機艙、起居處所及駕駛室位于尾部，設有艏樓，上甲板以下從船首至船尾依次設置8道水密橫艙壁，將全船分隔成艏尖艙、5個貨艙、機艙和艉尖艙。

本船甲板上可裝載18列集裝箱，共計載箱2 345 TEU，除可裝載20 英尺,40 英尺集裝箱外，第3層以上還可裝載45 英尺集裝箱。全船還可裝載500個自冷式40 英尺集裝箱，貨艙內可裝載290個40 英尺集裝箱，甲板上可裝載210個40 英尺集裝箱。同時本船還能運輸國際危險貨物海運規(guī)則(International Maritime Dangerous Goods Code， IMDG Code) 規(guī)定的 1.4S，2，3，4，5.1，6.1，8，9類危險品。其總布置圖如圖1所示。

圖1 2 339 TEU支線型集裝箱船總布置圖

本船按照英國勞氏船級社(Lloyd's Register of Shipping, LR)的現(xiàn)行規(guī)范進行設計與建造，滿足燃油艙完全雙殼保護，是一條環(huán)保節(jié)能型船舶。耗油量相對較低，燃油艙雙殼保護滿足MARPOL公約附則I要求;氮硫化物排放滿足MARPOL公約附則II和歐盟禁排區(qū)要求;壓載水的置換采用順序置換法，并制訂壓載水管理手冊，滿足船級社的有關要求;上層建筑滿足國際勞工組織MLC 2006要求; 制冷劑管理, 垃圾管理, 生活污水的處理等滿足MARPOL公約相關要求；防污底系統(tǒng)滿足國際控制船舶有害污底系統(tǒng)公約附則Ⅰ的要求，不使用含有機錫化合物作為水生物滅殺劑。

2 低阻線型開發(fā)CFD技術的應用

在基于計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)的船舶阻力計算中，船舶線型優(yōu)化成為提升船舶科技含量的研究熱點,在船舶設計中其所創(chuàng)造的經濟效益，表現(xiàn)出強勁的競爭優(yōu)勢。

本船前體橫剖面采用“V形” 線型, 后體采用“V-U 形”結合，設計水線8.5 m以上外飄較大，采用球艏、球艉線型，浮心位置在舯后0%～ 2%，弗勞德數(shù)Fn取0.2～ 0.3 。

在主尺度等參數(shù)已確定的情況下, 優(yōu)化艏、艉部線型是關鍵。船體球艏設計, 主要是通過球艏與船艏興波的有利干擾來減小興波阻力, 要求球艏體積集中在艏柱以前，與船體連接處體積盡可能小，并且采用合適的球艏主要幾何參數(shù)。本船球艏最終取長度系數(shù)為0.030、高度系數(shù)為0.706、橫剖面面積系數(shù)為0.039。本船采用傳統(tǒng)的球艉船型,球艉設計合理,船舶伴流分布均勻, 從而使船身效率優(yōu)良, 改善了尾部振動, 提高了總推進效率。設計時采用合適的球艉幾何參數(shù)，取第1站為特征站，球艉大小系數(shù)為0.218，高度系數(shù)為0.202。 在合理設計線型的基礎上，本船采用CFD技術輔以線型設計和航速預報。

建立船殼的實體模型：采用芬蘭NAPA船舶性能計算軟件將線型的船體SURFACE以IGS的文件格式導出，在三維設計軟件RHINO中進行三維半體的實體建模，并在UG三維軟件中進行局部壞面的修補。建立流體計算域：網格采用全六面體非結構網格，在自由液面處進行加密，網格總數(shù)約150萬；采用穩(wěn)態(tài)物理模型，計算模式為湍流模型Komega(SST)-Menter，設置邊界條件和運動方程，進行迭代計算。設計吃水工況下的計算結果自由液面波形如圖2所示。

建立數(shù)值拖曳模擬水池,對航行中的船模繞流流場進行數(shù)值模擬,優(yōu)選出總阻力最小的線型方案，并在德國漢堡HSVA水池進行壓載吃水、設計吃水、結構吃水工況的船模試驗加以驗證。圖3為試驗圖片。

圖2 設計吃水工況下自由液面波形

圖3 2 339 TEU設計吃水狀態(tài)船模試驗

本船實船試航，采用國際拖曳水池修正法(International Towing Tank Conference， ITTC)經過ITTC法修正后，設計吃水工況下，主機功率為11 440 kW，并在15%海上貯備功率的工況下，航速為18.95 kn,比船模試驗的航速18.93 kn還快0.02 kn，完全達到預先設計研發(fā)的目的。

本船低阻線型的成功開發(fā)與應用，在很大程度上得益于CFD技術的應用。

3 小型集裝箱船全船有限元及結構疲勞分析

全船有限元分析在支線型集裝箱船的應用還不常見，通常運用有限元對貨艙艙段進行直接計算，計算貨艙區(qū)域的局部強度，但本船船舶所有人為了追求高結構安全可靠性，要求本船進行全船有限元疲勞分析，其全船疲勞強度滿足北大西洋海況航行25年的要求。

(1) 全船有限元模型分為2部分：一個是全船結構有限元模型，另一個是用來做水動力計算的面元模型。全船結構有限元模型運用有限元軟件MSC/Patran建立；全船有限元模型包含貨艙區(qū)、首部、尾部、機艙以及上層建筑等全船范圍內的主要結構，如圖4所示。為建模方便， LR船級社同意采用大網格建模，網格大小為強框間距，非主要構件的梁單元相應分擔到強框架處。

圖4 全船有限元計算模型

(2) 為了對高應力區(qū)域結構進行疲勞強度分析，經與LR商量，全船篩選了近40處艙口、角隅等高應力集中區(qū)域進行高精細網格劃分，細化網格大小為50 mm×50 mm。局部細化節(jié)點模型如圖5所示。

圖5 疲勞細化節(jié)點

水動力計算模型為船體外殼有限元網格，即濕表面。運用LR的水動力軟件進行水動力分析，得到船體外殼水線以下部分的外部波浪載荷，并將其導入有限元模型；然后運用有限元后處理運算器MSC.Nastran計算；最后應用LR的有限元軟件ShipRight評估計算結果。

(3) 通過對計算結果的分析，本船在總縱彎矩剪力以及扭轉彎矩影響下，高應力區(qū)域出現(xiàn)在貨艙前后端的主甲板處及角隅處、縱向艙口圍前后端部、艙口圍頂板角隅處。從疲勞強度評估結果可以看出，在艙口圍、主甲板、二甲板的角隅處都有不同程度的應力集中問題，解決這種屈服屈曲和疲勞問題最有效的方法就是在應力集中處局部增加加厚板和增大角隅半徑。另外，集裝箱裝載時過大的角隅半徑，易導致箱腳碰到角隅，影響集裝箱的吊裝，因此，在不影響裝箱的前提下，艙口圍角隅半徑盡可能地大，以減小角隅處加厚板的板厚，能采用負角隅的地方盡量采用負角隅，對減小應力集中都是有益的。

4 大型左右不對稱上層建筑整體吊裝有限元計算法的應用

上層建筑整段吊裝技術對縮短造船周期、降低造船成本、改善施工作業(yè)環(huán)境具有顯著的成效，是國內外規(guī)模船廠重要的工藝之一。本船上層建筑由7層甲板室和煙囪組成，長度方向從FR 5～FR 24，長度為12 919 mm，最大寬度30 400 mm，高度方向自A甲板依次到羅經甲板，最大高度為24 589 mm；上層建筑最大起重量585 t。

由于上層建筑左右不對稱，采用簡單的板架理論計算存在局限性，對吊碼的設置和結構的加強造成困難，在吊裝中由于重量載荷的不一致性，極易造成局部變形和開裂，發(fā)生吊裝事故。本船設計中采用有限元法，對不對稱上層建筑的吊裝進行有限元模擬，確保上層建筑的安全吊裝。圖6為上層建筑有限元模型。

有限元分析發(fā)現(xiàn)，有多處區(qū)域應力值明顯比許用應力大，已遠遠超出鋼板屈服強度235 N/mm2，超出鋼板最大抗拉強度520 N/mm2上限。表1中描述了高應力區(qū)域結構范圍及臨時或永久加強措施情況。

圖6 上層建筑有限元模型

表1 上層建筑應力集中區(qū)結構列表

續(xù)表1 上層建筑應力集中區(qū)結構列表

有限元分析可知，應力集中區(qū)域基本都集中在脫硫塔預留區(qū)域附近。造成局部構件應力集中的原因：上層建筑右側A甲板上面脫硫塔預留區(qū)域的布置，導致此區(qū)域左右前后結構不對稱，在A甲板形成結構特變區(qū)，在吊裝受力時，相當于脫硫預放A甲板與整個上層建筑在結構特變區(qū)形成附加彎矩，再加上此區(qū)域壁板上開孔，強度及剛度進一步遞減，另外下端的結構離這個附加彎矩的轉動軸較遠，受力就更大。

另外，吊碼處應力集中的原因主要是上層建筑結構不對稱，吊點處受力不均勻和多元受力方向以及吊點處結構相對較弱等。

上層建筑整吊作為現(xiàn)代造船模式區(qū)域造船法的重要工藝，為船廠在造船周期、降低成本方面取得卓越成就的同時，須重視對上層建筑吊裝科學合理的布置和計算。尤其是上層建筑結構比較特殊、吊碼布置不對稱的情況，須對其進行工藝詳細和強度論證；對吊點的選擇布置，對結構特變應力集中點，對結構應力集中區(qū)開孔，對吊碼兩端部與結構的有效過渡連接及吊碼的有效加強等問題，應前置到詳細設計階段統(tǒng)籌考慮。

5 窄邊艙技術的應用

為進一步提高船舶的載箱量，本船在貨艙區(qū)域舷側采用窄邊艙設計，貨艙開口寬度與船舶型寬之比達到0.91，超出常規(guī)大開口船舶0.85的設計要求，使本船在同主尺度的集裝箱船舶中具有更多的載箱量。超窄邊艙的設計使得船體水平彎矩、扭轉效應、橫向強度在其整體強度校核中的分量比例明顯上升，艙口角隅處產生明顯的應力集中。鄰近機艙處的甲板角隅應力達到最大。因此，在滿足集裝箱布置的前提下，角隅處盡量加大角隅半徑和采用負角隅的連接設計。

6 節(jié)能裝置技術的應用

為進一步降低船舶能效指數(shù)，采用槳后消渦節(jié)能裝置、舵球裝置，用以打散轂渦，恢復舵球、舵表面壓力，減小尾流旋轉能量損失，綜合節(jié)能2%～3%。為了能在歐盟禁排區(qū)航行，設置低硫油艙，滿足禁排區(qū)硫氮化物排放標準。

在上層建筑外圍預留洗硫塔安裝位置，一旦有新產品，可以很方便地升級，使船舶的環(huán)保要求在其生命周期中一直保持較好的狀態(tài)。

7 低軸中心線傾斜設計

采用傾斜式低軸線設計，設計角度達到0.5°，間接地降低了軸中心線和船舶主機的重心，便于主機環(huán)氧的安裝，提高船舶在壓載狀態(tài)下的航速和槳的效率。

8 結束語

綜上所述，本船是1艘高科技含量、高自動化、高附加值、新一代親環(huán)境、經濟支線型集裝箱船，現(xiàn)代高技術設計手段的運用使本船的各項性能指標居于同類支線型集裝箱船首位。針對支線型集裝箱船全船有限元強度的疲勞強度評估，為本船在船舶生命周期結構的有效性提供堅實的理論保障；有限元法在上層建筑吊裝中的局部強度分析，為上層建筑的成功吊裝保駕護航。本船在設計中應用的新技術、新工藝、新設計手段，對設計類似船型具有相當好的參考價值和意義。

[1] 郭然, 賈力平,樊小莉,等. Numeca系列教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[2] 邵漢東，蔡輝華，柳向陽，等. 2 400 TEU集裝箱船上建整段吊裝有限元強度分析與驗證[J]. 船舶工程, 2015, 37(6): 71-74.

DesignFeatureof2 339TEUFeederLineContainerShip

SHAO Handong1， LIU Zailiang2， ZHOU Junlin1

(1.Yangfan Ship Design and Research Institute, Zhoushan 316100， Zhejiang， China；2. Zhejiang International Maritime College, Zhoushan 316021， Zhejiang， China)

The main characteristics of 2 339 TEU feeder line container ship which is exported to Germany are studied. The application of low resistance line type development based on CFD, high reliability structure design based on MSC.Patran software, the finite element strength analysis of integral hoisting of asymmetric superstructure are described，and the narrow side cabin technology application in the ship design and construction are deseribed. Thanks to the new technical and new design method applied to ship design and construction, various performances of ship are much more improved, which provides reference for the design and construction of similar ships.

feeder line container ship; low resistance line; high reliability structure; integral hoisting; narrow side cabin

邵漢東(1974-)，男，高級工程師，研究領域為船舶總體與結構設計

1000-3878(2017)06-0033-06

U661

A