大型集裝箱船艙蓋布置適應(yīng)性研究

張維栗，梅曉君

（上海德瑞斯華海船用設(shè)備有限公司，上海 200093）

大型集裝箱船艙蓋布置適應(yīng)性研究

張維栗，梅曉君

（上海德瑞斯華海船用設(shè)備有限公司，上海 200093）

隨著國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)的發(fā)展，大型集裝箱船不斷涌現(xiàn)。文章擬通過(guò)分析大型集裝箱船的船體變形，研究如何對(duì)艙蓋板進(jìn)行合理分塊，協(xié)調(diào)布置艙口蓋相關(guān)裝置，以充分滿足航行過(guò)程中艙口蓋適應(yīng)船體結(jié)構(gòu)大開(kāi)口變形的問(wèn)題。

大型集裝箱船；艙蓋；適應(yīng)性

0 引言

隨著國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)的發(fā)展，集裝箱船以便捷、快速、定點(diǎn)等特點(diǎn)躋身世界主要三大主流船型。近幾年，大型集裝箱、超大型集裝箱船更是不斷涌現(xiàn)，逐漸成為集裝箱運(yùn)輸集團(tuán)的主力船型。大型集裝箱船通常采用大開(kāi)口貨艙型式，舷邊縱向甲板條狹窄，舷側(cè)結(jié)構(gòu)受舷外靜水、波浪載荷以及貨物載荷等作用易產(chǎn)生變形。因而航行過(guò)程中艙口圍變形很大，需充分考慮航行中艙口蓋和艙口圍之間的相對(duì)位移。在極端惡劣海況下，艙蓋板在大量集裝箱貨物載荷時(shí)，必須既能安全限位在原固定位置，又不能影響艙口圍各點(diǎn)位置可能產(chǎn)生的相對(duì)位移和變形。

1 艙口圍結(jié)構(gòu)大開(kāi)口變形的分析

隨著大型、超大型集裝箱船主尺度的不斷增加，主甲板開(kāi)口在航行過(guò)程中的變形值也不斷增大。從艙蓋設(shè)計(jì)角度出發(fā)，艙蓋的布置主要受制于水平方向的變形，垂直方向的變形由于數(shù)值較小，對(duì)艙蓋的影響不大。因此文中將重點(diǎn)討論水平方向的開(kāi)口變形值對(duì)艙蓋板的設(shè)計(jì)布置產(chǎn)生的影響。

1.1 橫艙壁變形值ΔX和縱艙壁變形值ΔY

橫艙壁變形值X（圖1）指的是，船體變形時(shí)橫艙壁沿著船長(zhǎng)方向上的變形，一般在船體中心線處變形值最大，會(huì)造成貨艙開(kāi)口大小在縱向方向上的局部變化。

縱艙壁變形值Y（圖2）指的是，船體變形時(shí)縱艙壁沿著船寬方向上的變形，一般在貨艙中心線處變形值最大，會(huì)造成貨艙開(kāi)口大小在橫向方向上的局部變化。

為進(jìn)行定量分析，可以參照DNV規(guī)范中對(duì)于貨艙開(kāi)口水平方向變形值限制的指導(dǎo)性建議：艙口圍的彎曲變形值＝Lc/1000，Lc為側(cè)部或端部的艙口圍板長(zhǎng)度。

圖1 橫艙壁變形值ΔX

圖2 縱艙壁變形值ΔY

1.2 縱向艙口圍面板變形值ΔL

艙口圍面板縱向變形值（圖3），指的是縱向艙口圍面板在船長(zhǎng)方向上的變形，會(huì)造成整個(gè)貨艙在縱向方向上開(kāi)口大小的變化。一般認(rèn)為主要是由船體航行過(guò)程中的中拱、中垂引起的。由于大型、超大型集裝箱船甲板結(jié)構(gòu)開(kāi)口大，艙口圍板一般均做連續(xù)設(shè)計(jì)，用以參與總縱強(qiáng)度。從梁截面模型考慮，艙口圍頂部的面板應(yīng)力水平往往很高。

圖3 縱艙壁變形值Y

根據(jù)材料彈性階段內(nèi)的拉壓虎克定律：σ=E·ε，即變形ε=σ/E。將船級(jí)社允許的材料彎曲設(shè)計(jì)許用應(yīng)力代入計(jì)算，取折減系數(shù)0.9。對(duì)于大型、超大型集裝箱船，艙口圍面板材料通常選用EH36以上級(jí)別，縱向艙口圍開(kāi)口一般為12.6m左右，故中拱中垂引起的變形值L一般約為±15mm以上。

1.3 由于船體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致的開(kāi)口翹曲值ΔU

前面分析的集裝箱船在水平方向上的開(kāi)口變形值，都是建立在原開(kāi)口框架結(jié)構(gòu)角點(diǎn)位置基本不變的前提下。然而，根據(jù)船體有限元模型的分析計(jì)算，當(dāng)船體結(jié)構(gòu)受斜浪或不對(duì)稱波浪載荷時(shí)，會(huì)發(fā)生一定幅度的扭轉(zhuǎn)變形。而大型集裝箱船貨艙開(kāi)口的寬長(zhǎng)比很大，船體的扭轉(zhuǎn)變形會(huì)導(dǎo)致貨艙開(kāi)口在平面內(nèi)產(chǎn)生較大的翹曲，此時(shí)開(kāi)口形狀已不再是原來(lái)的矩形形狀，一般呈類似S形的曲線狀（圖4）。對(duì)于大型集裝箱船來(lái)說(shuō)，翹曲直可以達(dá)到200～400mm。這個(gè)值對(duì)于艙蓋設(shè)計(jì)有很大的影響，具體請(qǐng)見(jiàn)下文。

圖4 開(kāi)口翹曲值ΔU

2 艙口蓋相對(duì)艙口圍滑移的問(wèn)題

2.1 艙蓋板分塊的研究

在整個(gè)貨艙開(kāi)口范圍內(nèi)，理論上可以采取單塊蓋板分塊型式和多塊蓋板分塊型式。

采用單塊蓋板的吊離式蓋板型式非常少見(jiàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)在于可以有效減少全船艙蓋板的結(jié)構(gòu)總重量。缺點(diǎn)是蓋板的起吊重量很重，對(duì)碼頭或船體設(shè)備有比較高的要求。另外考慮到航行過(guò)程中船體結(jié)構(gòu)的變形，當(dāng)水平面內(nèi)發(fā)生翹曲變形ΔU時(shí)，兩舷側(cè)的限位塊會(huì)隨著艙口圍變形而產(chǎn)生船長(zhǎng)方向相互錯(cuò)位，導(dǎo)致整塊蓋板以一定角度偏轉(zhuǎn)。由于蓋板尺寸較大，在開(kāi)口角隅附近蓋板相對(duì)艙口圍的橫向滑移量會(huì)比較大，從而一定程度上影響蓋板的風(fēng)雨密性能；同時(shí)，靠近側(cè)部橫向方向的滑移也會(huì)影響舷側(cè)綁扎的安全性。

對(duì)于大型、超大型集裝箱船而言，長(zhǎng)度方向開(kāi)口尺寸一般在12.6m左右，寬度方向開(kāi)口隨船寬尺寸變化。典型艙的蓋板分塊數(shù)一般為3～4塊，偶爾也有分更多塊的特殊情況。艙蓋板的分離接縫一般為縱向布置，從貨艙開(kāi)口一端至另一端。在對(duì)造船市場(chǎng)資料進(jìn)行一定的調(diào)查收集后，可以具體分為以下幾種情況，具體請(qǐng)見(jiàn)如下表格。

2.2 限位裝置的初步布置

不論何種分塊型式的艙蓋，在航行過(guò)程中均不參與船體總強(qiáng)度。水平方向由縱、橫向限位裝置限位在艙口圍上，垂直方向由支承裝置將蓋板上的載荷傳遞到艙口圍上。蓋板整體框架相對(duì)于艙口圍開(kāi)口而言是剛性的。因此，當(dāng)船體艙口圍結(jié)構(gòu)開(kāi)口發(fā)生水平各方向的變形以及扭轉(zhuǎn)翹曲時(shí)，艙口蓋的結(jié)構(gòu)框架可以認(rèn)為在水平面內(nèi)是相對(duì)剛性無(wú)變形的，隨著船體限位裝置在平面內(nèi)移動(dòng)。所以限位裝置的布置對(duì)于艙口蓋相對(duì)艙口圍滑移的影響至關(guān)重要。

在一個(gè)貨艙開(kāi)口上，蓋板的位置可以分為兩種：中間蓋板和舷側(cè)蓋板。中間蓋板由艏艉兩端的艙口圍結(jié)構(gòu)約束（限位、支承），舷側(cè)蓋板則由艏艉端和舷側(cè)位置處的艙口圍三邊約束。

對(duì)于側(cè)部蓋板，如果在舷側(cè)一邊設(shè)置縱向限位裝置，考慮到船體結(jié)構(gòu)開(kāi)口變形ΔU，在端部不能再設(shè)置縱向限位裝置，否則會(huì)導(dǎo)致蓋板局部結(jié)構(gòu)的破壞。但此時(shí)集裝箱載荷引起的彎矩，會(huì)使得蓋板處于不定狀態(tài)。具體如圖5所示。

圖5 艙蓋受力圖

而若在舷側(cè)一邊設(shè)置橫向限位裝置，則在某一端部也需設(shè)置橫向限位，否則無(wú)法抵消集裝箱載荷引起的彎矩。故可在端部各設(shè)縱、橫向限位（圖6）。

由于要承受船體總縱強(qiáng)度，對(duì)于大型、超大型集裝箱船舷側(cè)艙口圍面板的應(yīng)力很高，對(duì)局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的過(guò)渡要求很嚴(yán)。同時(shí)，考慮到舷側(cè)位置橫向限位和端部縱向限位之間的翹曲變形ΔU，即舷側(cè)橫向限位在船長(zhǎng)方向上的滑移量很大，磨損較快，一般可以將上面的布置做一定調(diào)整。將側(cè)部的橫向限位裝置移至端部，形成一端縱、橫雙向限位，一端橫向限位的布置（圖7）。

圖6 艙蓋受力圖

圖7 艙蓋受力圖

對(duì)于由艏艉兩端約束的中間蓋板，若僅在一端設(shè)置縱、橫向限位器，雖然在坐標(biāo)軸方向的水平力可由限位器承受，但蓋板上集裝箱載荷形成的力矩卻無(wú)法抵消，蓋板處在不定狀態(tài)，所以一般也建議將限位裝置設(shè)在兩端。其中一端為橫、縱雙向限位，另一端為橫向限位。這樣布置，在航行過(guò)程中即可以將相對(duì)剛性的蓋板“固定”在開(kāi)口上，又可以將蓋板上的集裝箱載荷通過(guò)限位裝置傳遞到船體艙口圍結(jié)構(gòu)上。

2.3 限位裝置的優(yōu)化布置

艙蓋板限位裝置的布置，除了上節(jié)中提到的對(duì)于大體位置的考慮外，還可以進(jìn)一步分析限位器具體橫向位置對(duì)蓋板適應(yīng)艙口圍變形的影響。

艙蓋板的風(fēng)雨密是通過(guò)蓋板上設(shè)置的密封橡膠條壓緊在艙口圍的不銹鋼板上實(shí)現(xiàn)的。在航行過(guò)程中，蓋板相對(duì)于艙口圍做往復(fù)滑移的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)密封膠條將在不銹鋼壓緊板上來(lái)回滑移。顯而易見(jiàn)，如果滑移量較大，對(duì)橡皮的壽命影響很大，從而影響艙蓋板的風(fēng)雨密性能。同時(shí)大滑移量也要求不銹鋼壓緊板的尺寸相應(yīng)加大，從而增加制造成本。

支承裝置是大型、超大型集裝箱船吊離式艙蓋板非常重要的部件。由于航行過(guò)程中蓋板相對(duì)艙口圍的往復(fù)滑移，使得支承塊在具有高承壓能力的同時(shí)，還需具有很強(qiáng)的耐磨性。而相對(duì)滑移量越大，支承塊磨損的速度就越快，同時(shí)支承結(jié)構(gòu)的尺寸也越大。

因此，出于密封膠條和支承裝置壽命的考慮，應(yīng)根據(jù)艙口圍變形情況盡可能合理的布置限位裝置位置，減少相對(duì)滑移量。下面先對(duì)側(cè)部蓋板的位置作進(jìn)一步分析。

考慮到蓋板上的載荷，初步確定在側(cè)部蓋板的兩端設(shè)置縱橫雙向限位器和橫向限位器。同時(shí)將限位器設(shè)在蓋板端部的中點(diǎn)位置，以盡量減少水平載荷力矩的影響。然而，從船體貨艙開(kāi)口結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度考慮，在角隅處的結(jié)構(gòu)剛性最大，故艙口圍開(kāi)口的翹曲變形在寬度范圍內(nèi)并不是線性變化的。兩舷側(cè)結(jié)構(gòu)在船長(zhǎng)方向有相互錯(cuò)動(dòng)位移后，開(kāi)口角隅處縱桁艙壁結(jié)構(gòu)仍基本保持原來(lái)的直角形態(tài)，因此橫艙壁變形會(huì)呈S形。

在非線性變化（S形）的情況下，如果側(cè)部蓋板限位器設(shè)置在蓋板端部中間，則在側(cè)部和接縫處，蓋板相對(duì)艙口圍開(kāi)口的變形值ΔS1和ΔS2之間會(huì)有較大的差異（圖8）。

因此，對(duì)于艙口圍變形量較大且側(cè)部蓋板寬度方向尺寸較大的超大型集裝箱船，將側(cè)部蓋板的限位裝置向接縫方向移動(dòng)，可以平均側(cè)部和接縫處的

圖8 艙口圍與艙蓋的相對(duì)位移

相對(duì)變形位移，從而減少最大變形位移數(shù)值。如圖9所示，ΔS1+ΔS2為恒值，當(dāng)限位器位置向接縫處移動(dòng)后，ΔS1與ΔS2之間的差值會(huì)逐漸減少，從而減少兩者之間可能出現(xiàn)的最大峰值。

圖9 艙口圍與艙蓋的相對(duì)位移

對(duì)于中間蓋板，由于橫向艙壁中間段的變形曲線較接近于線性分布，故蓋板的限位裝置采用通常的居中布置還是比較合適的。綜上所述，在進(jìn)一步分析艙蓋板限位布置合理性時(shí)，為盡量減少最大相對(duì)滑移變形值，一般可考慮將側(cè)部蓋板的端部限位裝置適當(dāng)向接縫偏移，而中間蓋板的端部限位裝置居中布置（圖10）。

艙整個(gè)開(kāi)口尺寸而言的，而單塊蓋板相對(duì)于開(kāi)口的大小尺寸是考慮相對(duì)運(yùn)動(dòng)量的前提條件，因此需要具體分析艙口蓋的合理分塊。在艙口蓋合理分塊的基礎(chǔ)上，再結(jié)合艙蓋限位裝置的布置方向和位置來(lái)研究如何適應(yīng)船體大開(kāi)口結(jié)構(gòu)。并且結(jié)合密封橡皮和支撐塊的使用要求來(lái)進(jìn)一步調(diào)整和細(xì)化限位裝置的位置。

圖10 艙蓋布置適應(yīng)艙口圍變形的示意圖

[1] GL. Rules for Classification and Construction[S]. 2012.

[2] DNV. Rules for Classification and Construction[S]. 2012.

Adaptability Research of Hatch Cover Layout For Large Container Vessel

Zhang Wei-Li, Mei Xiao-jun
(TTS Hua Hai Ships Equipment Co., Ltd., Shanghai 200093, China)

With the development of the international shipping market, there are more and more large container vessels in the world. This article intends to analyze the hull deformation of large container ship, studying how to separate the hatch covers and arranging hatch cover fittings reasonably to adapt the big deformation of hatch coaming when designing the hatch cover.

Large container vessel; hatch cover; adaptability

U674.13+1

A

1005-7560(2014)01-0057-04

張維栗（1979），男，本科，艙口蓋主管設(shè)計(jì)師。