45000t集裝箱滾裝船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

歐陽(yáng)杰，沈朝暉

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

設(shè)計(jì)與研究

45000t集裝箱滾裝船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

歐陽(yáng)杰，沈朝暉

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

45000t集裝箱滾裝船的設(shè)計(jì)理念與常規(guī)集裝箱滾裝船完全不同，其將船體中部設(shè)置為滾裝區(qū)域、將艏艉設(shè)置為集裝箱區(qū)域，并對(duì)主甲板以下的集裝箱貨艙采用大開口、無(wú)艙蓋設(shè)計(jì)。這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法可有效減少船舶航行中的壓載水量，最大化載貨量，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性。45000t集裝箱滾裝船作為一種全新的船型，其船體結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，重點(diǎn)介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)及在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的強(qiáng)度計(jì)算問(wèn)題，并對(duì)關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。該船結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法可供同類船舶設(shè)計(jì)參考。

集裝箱滾裝船；總縱強(qiáng)度程度；剛性設(shè)計(jì)；滾裝設(shè)備；過(guò)渡結(jié)構(gòu)；疲勞強(qiáng)度分析

0 引 言

滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司設(shè)計(jì)建造的45000t集裝箱滾裝船是目前世界上最大、最先進(jìn)的集裝箱滾裝船，同時(shí)具備集裝箱船和滾裝船的特點(diǎn)，體現(xiàn)了2種船型設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

為提高集裝箱裝卸效率，該船的集裝箱貨艙采用大開口、無(wú)艙蓋、無(wú)綁扎和超高連續(xù)導(dǎo)軌架設(shè)計(jì)。目前絕大多數(shù)集裝箱滾裝船都將主甲板以下貨艙布置為滾裝貨艙，集裝箱堆放于主甲板以上；而該船為載貨量最大化，將滾裝貨艙主要布置在船體中部，并使?jié)L裝區(qū)域通道穿過(guò)機(jī)艙區(qū)域，將集裝箱區(qū)域分成2部分，分別布置在艏部和艉部。這種獨(dú)特的布置可有效減少船舶在滿載/重載航行下的壓載水量，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性。該船實(shí)船圖見圖1。

1 船型特點(diǎn)

根據(jù)裝載手冊(cè)確定包絡(luò)線（彎矩、剪力及扭矩曲線）是結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的前提?？紤]到特殊的貨物裝載布置，船舶在正常航行過(guò)程中會(huì)處于中拱狀態(tài)，且中拱彎矩較大，因此采用縱骨結(jié)構(gòu)形式。由于該船前部集裝箱貨艙采用大開口、無(wú)艙蓋設(shè)計(jì)，因此必須滿足國(guó)際海事組織海上安全委員會(huì)（MSC）的相關(guān)要求，即MSC/Circ.608/REV.1。在確定彎矩和剪力曲線時(shí)要考慮到前部集裝箱貨艙進(jìn)水的影響，具體的進(jìn)水量需通過(guò)水池船模試驗(yàn)求得。同時(shí)，船舶的總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度和極限強(qiáng)度要滿足集裝箱貨艙完全進(jìn)水工況下的強(qiáng)度要求。

滾裝區(qū)域主要位于船舶中部，除7層固定甲板以外，在三甲板與七甲板之間還設(shè)置有4層活動(dòng)甲板。滾裝貨艙可裝載多達(dá)11種車輛（如轎車、拖車、鏟車、超長(zhǎng)拖車（35m）、超重平板車（240t）等）。除普通滾裝貨以外，還可裝載集裝箱、大型工程機(jī)械等，最大能裝載長(zhǎng)35m，高7.45m的車輛。為滿足裝載超高、超寬特種貨物的要求，在艉部布置有大型艉門、進(jìn)口坡道，坡道上左右舷各布置有1個(gè)大型水密門，這些大型水密門門框四周的結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證破艙情況下水密門的密性要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)

由于特殊的貨艙布置形式，該船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面：

1) 從艉門進(jìn)來(lái)有3條主要通道。其中，左邊通道（為坡道）通往二甲板、內(nèi)底板；中間通道（為坡道）通往三甲板以上的滾裝甲板；右邊通道（為平直通道）是通往三甲板的車輛通道。這3條通道經(jīng)過(guò)艉部（含機(jī)艙區(qū)域），導(dǎo)致該區(qū)域結(jié)構(gòu)完全不對(duì)稱，加上斜縱壁、斜坡道及斜坡道頂?shù)刃泵姹姸?，需要與平直結(jié)構(gòu)合理過(guò)渡，經(jīng)常出現(xiàn)3個(gè)面交叉的節(jié)點(diǎn)，過(guò)渡相當(dāng)復(fù)雜。對(duì)于縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，在計(jì)算總縱強(qiáng)度時(shí)需經(jīng)過(guò)直接計(jì)算確定其參與總縱強(qiáng)度的程度。圖2為艉門、進(jìn)口坡道圖。

2) 滾裝區(qū)域由于裝載車輛種類繁多，板厚、骨材及主要支撐構(gòu)件的強(qiáng)度校核工況十分復(fù)雜。圖3為滾裝貨艙中間支柱圖。

3) 位于中部的滾裝區(qū)域，在主甲板（四甲板）與五甲板之間的外板、內(nèi)縱壁及五甲板一定程度上參與船體總縱強(qiáng)度的計(jì)算。由于前后過(guò)渡區(qū)域構(gòu)件有較大的突變，因此要進(jìn)行大量的有限元細(xì)化分析，合理過(guò)渡，確保其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度。

4) 整個(gè)滾裝區(qū)域除了僅綁扎小轎車的綁扎點(diǎn)不需要結(jié)構(gòu)加強(qiáng)以外，其余近萬(wàn)個(gè)綁扎點(diǎn)都需要按照規(guī)格書要求的12.5t的設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

5) 對(duì)于各個(gè)滾裝設(shè)備，在合理布置的同時(shí)需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，尤其是3個(gè)水密門，還要考慮破損工況下門框周圍結(jié)構(gòu)的變形情況，保證破損時(shí)門的水密性。

6) 滾裝區(qū)域的通風(fēng)系統(tǒng)和水消防系統(tǒng)是45000t集裝箱滾裝船的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一，需要與通風(fēng)專業(yè)及管系專業(yè)人員不斷協(xié)調(diào)，合理布置 59臺(tái)風(fēng)機(jī)，保證風(fēng)量，并在狹窄的舷側(cè)雙殼結(jié)構(gòu)內(nèi)布置消防、落水箱體結(jié)構(gòu)。

2.2 主要節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

集裝箱船和滾裝船是2種截然不同的船型，主要結(jié)構(gòu)布置完全不同。大開口的集裝箱船主要采用舷側(cè)的抗扭箱和根據(jù)堆箱圖布置的各層舷側(cè)甲板、縱艙壁來(lái)保證其總縱強(qiáng)度，同時(shí)在橫向上設(shè)置橫艙壁來(lái)保證其橫向強(qiáng)度和抗扭剛度[1]。而滾裝船則主要靠各層全寬甲板及甲板縱桁、舷側(cè)雙殼結(jié)構(gòu)、底部雙層底結(jié)構(gòu)來(lái)保證總縱強(qiáng)度。45000t集裝箱滾裝船主甲板以上的中部滾裝區(qū)域的連續(xù)縱向構(gòu)件必然要承受總縱彎曲應(yīng)力，而這些構(gòu)件參與總縱彎曲的程度很難用規(guī)范給出的計(jì)算方法來(lái)確定。王佳穎等[2]利用有限元計(jì)算模型，沿船長(zhǎng)方向應(yīng)用懸臂梁原理，在各個(gè)強(qiáng)框架上施加垂向載荷，以得到包絡(luò)線所要求的彎矩值（靜水彎矩+波浪彎矩），從而得到各縱向構(gòu)件所受的總縱彎曲應(yīng)力，進(jìn)一步獲得這些構(gòu)件參與總縱強(qiáng)度的效率。圖 4為中部滾裝貨艙五甲板參與總縱強(qiáng)度的范圍。

從圖4中可看出，利用有限元計(jì)算模型得出的五甲板實(shí)際有效參與總縱強(qiáng)度的范圍大致在突變處（或開孔處）起至斜向30°范圍內(nèi)，高于規(guī)范要求的15°斜向范圍。對(duì)于其他縱向構(gòu)件的大開孔處、截面突變處，可采取類似的計(jì)算方法，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。

同時(shí)，從有限元應(yīng)力分布圖上可發(fā)現(xiàn)，外板在前后過(guò)渡區(qū)域處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為使結(jié)構(gòu)合理過(guò)渡，減小應(yīng)力集中，在向艉處采用弧形設(shè)計(jì)（見圖5），并通過(guò)增加面板來(lái)減小應(yīng)力；而在向艏處采用箱體結(jié)構(gòu)（見圖6）。

45000t集裝箱滾裝船在Fr108和Fr231處的主甲板下設(shè)置2道橫艙壁，為提高有效載貨面積及便于滾裝區(qū)操作、運(yùn)營(yíng)使用，滾裝區(qū)域甲板的船寬方向上只在船中設(shè)置一排中間支柱。這些支柱與滾裝區(qū)域前后橫艙壁及舷側(cè)雙殼結(jié)構(gòu)共同承受來(lái)自各層甲板的貨物載荷，處在最底層的支柱承受的垂向載荷最大，其下方的高應(yīng)力區(qū)域的支撐結(jié)構(gòu)是局部艙段有限元計(jì)算校核的重要節(jié)點(diǎn)。滾裝區(qū)域底層支柱支撐結(jié)構(gòu)形式及有限元應(yīng)力分布見圖7。

當(dāng)船舶發(fā)生橫搖時(shí)，甲板上的滾裝貨物會(huì)引起較大的橫向慣性力[3]。這些橫向力會(huì)通過(guò)甲板強(qiáng)橫梁傳到舷側(cè)，因此將五甲板以下的舷側(cè)設(shè)計(jì)成雙殼結(jié)構(gòu)可有效抵抗船舶橫搖時(shí)發(fā)生的扭曲變形（Racking變形）。同時(shí)，由于左右舷水壓不對(duì)稱，會(huì)產(chǎn)生較大的橫向彎矩。橫向強(qiáng)框架靠近舭部的區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū)，因此將舷側(cè)設(shè)計(jì)成邊艙結(jié)構(gòu)形式，以增加抗彎剛度和抗剪剛度。此外，橫向彎矩會(huì)在強(qiáng)橫梁端部與縱向結(jié)構(gòu)連接處產(chǎn)生附加應(yīng)力，由于受到凈高限制，因此只能通過(guò)增加強(qiáng)橫梁端部腹板厚度及面板寬度來(lái)降低該應(yīng)力（見圖8）。

對(duì)于五甲板以上的橫向結(jié)構(gòu)，采用剛性設(shè)計(jì)理念，即在舷側(cè)設(shè)置垂向T排與橫向強(qiáng)橫梁對(duì)齊，通過(guò)所形成的完整環(huán)形框架來(lái)共同抵抗Racking變形。

2.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度分析

在船體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力處，構(gòu)件連接部位的應(yīng)力集中是導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)疲勞損壞的主要因素?；诿绹?guó)船級(jí)社（ABS）疲勞強(qiáng)度譜分析直接計(jì)算指南，經(jīng)與船級(jí)社反復(fù)溝通，選擇滾裝區(qū)域與艏艉集裝箱區(qū)域過(guò)渡處縱艙壁與橫艙壁的交點(diǎn)的4個(gè)位置進(jìn)行全概率譜分析驗(yàn)證（見表1）。

表1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度分析

設(shè)計(jì)波浪環(huán)境按照ABS計(jì)算指南[4]，采用國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）推薦的基于雙參數(shù)Bretschneider 波譜的 No.34北大西洋波浪散布圖；波浪頻率范圍為0.2～1.85rad/s，每隔0.05rad/s遞增；裝載工況選擇“均質(zhì)貨物、夏季載重吃水、滿載到港”。

從表1中可看出滾裝區(qū)域向艏過(guò)渡的主甲板艙口角隅處易產(chǎn)生疲勞強(qiáng)度問(wèn)題，類似于常規(guī)集裝箱船的主甲板機(jī)艙區(qū)域與貨艙區(qū)域過(guò)渡處。因此，采用大型集裝箱船類似節(jié)點(diǎn)處的特殊弧度過(guò)渡的設(shè)計(jì)方法，過(guò)渡形式見圖9。

不同于常規(guī)的集裝箱船，45000t集裝箱滾裝船因中部存在滾裝貨艙而使得艏部集裝箱貨艙的開口較大，在主甲板兩側(cè)沒(méi)有縱向連續(xù)艙口圍，導(dǎo)致其抗扭剛度較小。為滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及總縱強(qiáng)度下的結(jié)構(gòu)合理過(guò)渡要求，從中部滾裝貨艙前壁開始，向艏在主甲板兩側(cè)增加箱體結(jié)構(gòu)（如圖 6所示），長(zhǎng)度延伸到滾裝貨艙前面第一個(gè)大開口集裝箱貨艙為止。該部分箱體結(jié)構(gòu)在有效減小主甲板艙口角隅處總縱彎曲應(yīng)力的同時(shí)，增加了艙口角隅處的疲勞壽命。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著全球造船市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和成本壓力日益加劇，我國(guó)在常規(guī)船型設(shè)計(jì)建造方面的優(yōu)勢(shì)正逐步減弱。面對(duì)日益細(xì)化的航運(yùn)市場(chǎng)和船東的多樣化需求，集裝箱滾裝船作為高技術(shù)、高附加值、節(jié)能環(huán)保型船舶，具有良好的發(fā)展前景。45000t集裝箱滾裝船的設(shè)計(jì)建造對(duì)進(jìn)一步拓展船舶國(guó)際市場(chǎng)、進(jìn)一步增強(qiáng)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化的能力及我國(guó)船舶行業(yè)的在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。

[1] 韓鈺，陳磊，王偉飛，等. 超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 船舶與海洋工程, 2015, 31 (4)： 10-17.

[2] 王佳穎，金燕子，楊仁記. 大型集裝箱滾裝船全船結(jié)構(gòu)有限元分析[J]. 中國(guó)造船，2015 (4)： 57-67.

[3] 鄭剛，顧曄昕. 汽車運(yùn)輸船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 上海造船, 2008 (2)： 16.

[4] ABS. Rules for the classification of steel ships[S]. 2013.

Structural Design of 45000t Con-Ro Ship

OUYANG Jie，SHEN Zhao-hui
（Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

The 45000t Con-Ro ship is a brand new ship type with very complicated hull structures. It adopts completely different design concept from conventional Con-Ro ships, in which the middle hull area is arranged for ro-ro cargo and the fore and aft areas for container. It also adopts the large opening and hatchless design for the container compartment below the main deck. The innovative design can effectively reduce the amount of ballast water in operation, maximize the loading capacity and improve the economic efficiency of the ship. This paper mainly introduces the structural characteristics, design difficulties and the strength calculation problems in the design, and elaborates the design of critical positions. The solutions for the structural design problems and the design methods of the ship could be a reference for the design of similar ships.

Con-Ro vessel; global longitudinal strength; rigid design; ro-ro equipment; transition structure; fatigue strength analysis

U674.13+8

B

2095-4069 (2017) 01-0001-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.001

2016-03-30

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝[2012]534號(hào)）

歐陽(yáng)杰，男，高級(jí)工程師，1982年生。2004年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，現(xiàn)從事船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。