超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題

方箭

摘 要：本文總結(jié)了超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題，包括水動(dòng)力砰擊、波激振動(dòng)、固定航線集裝箱系固載荷以及高強(qiáng)度鋼的使用等，這些問(wèn)題也是目前國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）所關(guān)注的。

關(guān)鍵詞：超大型集裝箱船；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；砰擊；波激振動(dòng)；固定航線；高強(qiáng)度鋼

中圖分類號(hào)：U663.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

集裝箱船是目前航運(yùn)界三大主力船型之一，隨著世界經(jīng)濟(jì)的全球化，國(guó)際貿(mào)易需求量不斷擴(kuò)大，各國(guó)集裝箱載運(yùn)量不斷上升，集裝箱運(yùn)輸不斷朝著集約化、大型化的方向發(fā)展。自世界上第一艘改裝集裝箱船于1957年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，已從1 000箱以下的第一代集裝箱船發(fā)展為8 000箱以上的第六代超大型集裝箱船，甚至18 000箱以上的集裝箱船也已投入運(yùn)營(yíng)。根據(jù)最新的船舶定制和建造數(shù)據(jù)，目前國(guó)內(nèi)外各主要航運(yùn)公司均在建造萬(wàn)箱以上超大型集裝箱船。

與其他貨運(yùn)船型相比，超大型集裝箱船具有獨(dú)特的線型、大開(kāi)口結(jié)構(gòu)以及較高的航速等特點(diǎn)，因此對(duì)這種船的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要特別關(guān)注幾個(gè)問(wèn)題。本文初步總結(jié)了超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題，并就目前國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）的一些相關(guān)工作予以介紹。

2 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題

2.1 水動(dòng)力砰擊對(duì)總強(qiáng)度與局部強(qiáng)度的影響

超大型集裝箱船具有較大的首外飄以及較平坦的尾部線型等特點(diǎn)，并且航速較高，在惡劣海況下，由于自身的大幅搖蕩運(yùn)動(dòng)，很容易發(fā)生首尾底部以及首部舷側(cè)外飄區(qū)域的水動(dòng)力砰擊現(xiàn)象。瞬間而劇烈的船舶砰擊會(huì)使船體發(fā)生強(qiáng)烈的顫振現(xiàn)象，使船體梁非線性波浪彎矩增加而導(dǎo)致總強(qiáng)度喪失。另外，砰擊最直接的作用是對(duì)局部船體的猛烈沖擊而導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)的損傷破壞，嚴(yán)重的甚至危及船舶航行安全和船員生命安全。因此，對(duì)超大型集裝箱船的船體水動(dòng)力砰擊問(wèn)題無(wú)論從總強(qiáng)度還是局部強(qiáng)度上都應(yīng)給予充分的關(guān)注。

目前，民船規(guī)范通常對(duì)集裝箱船首底及首部舷側(cè)大外飄區(qū)域的砰擊載荷及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)提出了要求，但根據(jù)國(guó)際船舶力學(xué)會(huì)議ISSC2009及ISSC2012的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)不同船級(jí)社規(guī)范對(duì)船底砰擊及外飄沖擊下的構(gòu)件尺寸要求有很大的差別。因此，對(duì)萬(wàn)箱以上的超大型集裝箱船的現(xiàn)有規(guī)范適用性問(wèn)題，必須針對(duì)局部水動(dòng)力砰擊問(wèn)題進(jìn)行深入研究，以確定合理的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算校核方法，并完善現(xiàn)有規(guī)范體系。另外，對(duì)大型集裝箱船尾部結(jié)構(gòu)的砰擊問(wèn)題，目前規(guī)范還沒(méi)有涉及，需在研究中予以解決。

2.2 波激振動(dòng)與顫振導(dǎo)致的船體疲勞

與砰擊現(xiàn)象中的船體梁顫振不同，波激振動(dòng)是在具有與船體梁一階振動(dòng)頻率相近的波浪成分持續(xù)激勵(lì)作用下的船體梁諧振現(xiàn)象。由于船體結(jié)構(gòu)是一個(gè)小阻尼系統(tǒng)，諧振現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，波激振動(dòng)導(dǎo)致的船體應(yīng)力的衰減非常緩慢，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題。低海況下，大型船舶的船體容易激起線性的波激振動(dòng)；在中高海況下，船體又可能會(huì)出現(xiàn)非線性波激振動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)砰擊引起的顫振也往往會(huì)隨著海況的增大而頻繁發(fā)生。如果砰擊事件頻繁發(fā)生，將對(duì)區(qū)分波激振動(dòng)還是顫振帶來(lái)很大的困難。對(duì)砰擊引起的顫振來(lái)說(shuō)，往往是由于惡劣的海況所致，因而人們更傾向于關(guān)注其引起的船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度問(wèn)題。而大型船舶研究波激振動(dòng)現(xiàn)象往往也需關(guān)注其引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷。

隨著集裝箱的大型化，以及高強(qiáng)度鋼的大量使用導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的柔性增加，考慮到集裝箱船本身的航速較高，波激及砰擊振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生概率顯著增大，由此導(dǎo)致的疲勞效應(yīng)顯著增加，因此在評(píng)估集裝箱船的疲勞強(qiáng)度時(shí)，需要對(duì)波激及砰擊振動(dòng)引起的疲勞損傷特別關(guān)注。

目前，民船規(guī)范對(duì)船體梁強(qiáng)度的處理基于IACS的統(tǒng)一強(qiáng)度要求UR S11，其中并沒(méi)有包含顫振與波激振動(dòng)導(dǎo)致的船體波浪載荷的增加以及船體疲勞強(qiáng)度問(wèn)題。因此，對(duì)超大型化的集裝箱船船體顫振與波激振動(dòng)問(wèn)題，需要船級(jí)社和研究機(jī)構(gòu)共同努力解決。目前美國(guó)船級(jí)社（ABS）已就集裝箱船的顫振與波激振動(dòng)的預(yù)報(bào)及強(qiáng)度評(píng)估明確給出了相關(guān)的指導(dǎo)性文件，中國(guó)船級(jí)社（CCS）的相關(guān)研究工作也在進(jìn)行中。

2.3 固定航線對(duì)系固慣性載荷的影響

目前，集裝箱船的裝箱量是根據(jù)全球無(wú)限航區(qū)的海況條件進(jìn)行配載和系固，海況條件是可能遭遇的最惡劣情況，而實(shí)際操作情況下，集裝箱船基本為班輪運(yùn)輸，航線相對(duì)固定，如亞洲經(jīng)太平洋到美國(guó)西海岸，亞洲經(jīng)地中海到歐洲的航線等，海況條件也相對(duì)可以預(yù)報(bào)，比原設(shè)計(jì)情況下遭遇的海況和波浪條件要好，因此作用在集裝箱上的慣性載荷有減少的可能。所以在其他結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、航行視線要求能滿足的前提條件下，如何根據(jù)特定航線海況條件，制定更靈活的集裝箱裝載和系固方案，使得現(xiàn)有集裝箱船在不過(guò)多改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，能多裝載集裝箱或增加集裝箱的箱重，成為在目前航運(yùn)市場(chǎng)下的一個(gè)提高集裝箱船運(yùn)輸效能的較好方法。

由于航運(yùn)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，航運(yùn)公司會(huì)提出需求，希望在原有裝箱量的基礎(chǔ)上增加裝箱量或提高裝載量。因此，日本船級(jí)社（NK）和德國(guó)船級(jí)社（GL）等為了爭(zhēng)取客戶，紛紛提出固定航線下集裝箱船增加裝箱量的評(píng)估服務(wù)。中國(guó)船級(jí)社（CCS）為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，提高服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)能力，近期也開(kāi)展了固定航線系固計(jì)算方法研究。

2.4 高強(qiáng)度鋼的使用導(dǎo)致的強(qiáng)度問(wèn)題

2013年6月17日，日本8110TEU超大型集裝箱船“MOL COMFORT”號(hào)在印度洋折斷并沉沒(méi)，這是迄今較大的一起集裝箱船海難事故，有關(guān)事故發(fā)生的原因至今仍沒(méi)有明確的說(shuō)法。事發(fā)當(dāng)時(shí)，該海域具有6m波高的海況，按其船體梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度足以應(yīng)付，因此目前主要矛頭指向了該船所大量使用的高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼以成型性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)頗受造船廠歡迎，理論上能使船的縱向強(qiáng)度提高20%。但高強(qiáng)度鋼在應(yīng)付疲勞強(qiáng)度方面會(huì)出現(xiàn)一定的問(wèn)題，尤其是當(dāng)船體發(fā)生波激振動(dòng)時(shí)。同時(shí)，高強(qiáng)度鋼對(duì)焊接加工的工藝要求也更高，或許正是由于這兩種因素導(dǎo)致了該船的折斷和沉沒(méi)。

不可否認(rèn)，高強(qiáng)度鋼的使用可以使船體輕量化，增加船體梁的極限強(qiáng)度，但在船體設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，對(duì)于高強(qiáng)度鋼的使用必須充分考慮其缺點(diǎn)，并通過(guò)試驗(yàn)、理論計(jì)算校核以及嚴(yán)格的工藝規(guī)程控制等措施確保安全。

3 目前國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）密切關(guān)注的工作

國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）密切關(guān)注近年來(lái)集裝箱船的超大型化問(wèn)題，并考慮到該船型在設(shè)計(jì)、建造以及營(yíng)運(yùn)中一系列問(wèn)題，成立了集裝箱船的專家組，其目標(biāo)在于：（1）通過(guò)搜集整理相關(guān)研究信息，梳理出關(guān)于超巴拿馬型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造和營(yíng)運(yùn)的先進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀；（2）梳理出集裝箱船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)中的現(xiàn)有技術(shù)要求；（3）明確附加的研究需求；（4）明確對(duì)現(xiàn)有技術(shù)要求的改進(jìn)需求；（4）就集裝箱船型向IACS委員會(huì)提出未來(lái)工作建議。該專家組由IACS各成員船級(jí)社的專家組成，于8月份召開(kāi)了第一次會(huì)議，并就目前國(guó)際上集裝箱船的研究水平及規(guī)范現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，提出了一系列需要解決的問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題上已包含了本文提出的幾個(gè)關(guān)注問(wèn)題。相信這也是IACS和各家船級(jí)社未來(lái)著重解決的方向。

4 結(jié)語(yǔ)

超大型集裝箱船作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的火熱船型，在國(guó)際船舶市場(chǎng)上具有廣泛的需求。由于該船型的建造難度比較大，目前該船型的訂單主要集中在韓國(guó)。我國(guó)在超大型集裝箱的設(shè)計(jì)建造方面已開(kāi)始起步，面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，需要從技術(shù)儲(chǔ)備等方面做足功夫。本文總結(jié)了集裝箱船超大型化后在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題，這也是目前研究者、設(shè)計(jì)者以及船級(jí)社最為關(guān)心的問(wèn)題。