超大型集裝箱船特殊布置結構直接建模計算評估法

徐 敏，王旌生

（中國船級社審圖中心，上海 200135）

0 引 言

集裝箱船是國際航運市場上的主要船型之一，因其裝卸效率高、航速快以及貨物安全性好而備受市場的青睞，在航運市場占有重要的地位。隨著世界集裝箱運輸市場競爭的日益激烈，為了提高集裝箱的運輸效率[1]和規(guī)模經(jīng)濟效益，集裝箱船正日趨大型化[2,3]。超大型集裝箱船相比常規(guī)船型，具有以下特點：1) 方形系數(shù)一般在0.7左右；2) 航速可達到25kn；3) 甲板開口的寬度>0.89船寬；4) 較大的舷側外飄；5) 船長可達400m左右。

集裝箱船的大開口特點，使船體梁的抗扭轉剛度大大下降，在波浪、貨物扭矩的共同作用下，會產(chǎn)生較大的翹曲應力，受到國內外學者和專家們的廣泛關注，因此關于集裝箱船結構方面的研究，大多數(shù)都集中在如何進行性能優(yōu)化、整船波浪載荷預報和整船結構分析[4～8]，而對超大型集裝箱船的某些特殊結構布置則研究甚少，重油艙布置于船中區(qū)域這一結構特點就是其中之一。為了解決存在的技術難點，符合越來越嚴格的規(guī)范要求，設計人員對油艙布置作出較大的改變，將以往普通船型布置于船尾的重油艙，置于船中區(qū)域。顯然這對船型優(yōu)化有很好的作用，但也對重油艙結構校核帶來了新的問題。目前，如何對該結構形式進行直接計算，多數(shù)船級社沒有相關明確的規(guī)范。經(jīng)過充分分析船中重油艙所受到的外部載荷條件，通過獨立建模，確定載荷和邊界條件，采用有限元直接計算法，分 10個計算工況，對某超大型集裝箱船的船中重油艙結構進行了應力分析。

1 重油艙區(qū)域載荷分析

各大船級社對集裝箱船貨艙段的直接計算都有相關規(guī)定。其載荷包括：靜水波浪彎矩、垂向波浪彎矩、貨物載荷、舷外海水壓力、慣性力、壓載水壓力等。經(jīng)分析，布置于船中的重油艙，一般艙頂也用于運載集裝箱。因此，上述載荷對重油艙的直接計算也適用。除此之外，由于重油艙內裝有重油，艙內還受到液體壓力的作用。通過對各船級社規(guī)范的分析比較，并參考中國船級社 2012版鋼質海船入級規(guī)范（以下簡稱《鋼規(guī)》）的相關規(guī)定，確定各載荷的計算過程如下：

1.1 垂向波浪彎矩MW

式中：M——彎矩分布系數(shù)；L——船長；B——船寬；Cb——方形系數(shù)；C——波浪系數(shù)。

1.2 舷外海水壓力p

舷外海水壓力p分為動壓力phd和靜壓力phs兩種。水線面以下任意點的海水動壓力為：

式中：z——計算點到基準線的垂向距離；d1——計算工況下的吃水，pWL——舷側水線處的海水動壓力；pBS——舭部的海水動壓力；pBC——船底舯縱剖面處的海水動壓力；y——載荷作用點到舯縱剖面的距離。

水線面以上舷側外板任意點的海水動壓力為：

海水靜壓力Phs為：

式中：ρw——海水密度。

1.3 慣性力

船舶在海上航行時，會產(chǎn)生慣性力。在做直接強度分析時，其加速度a為：

式中：V0——設計航速；m在0.2L～0.7L范圍內取為1。

1.4 重油艙內液體壓力pHO

重油艙內液體壓力與舷外海水壓力一樣，分為動壓力pHO1和靜壓力pHO2兩種。動壓力pHO1為：

式中：h2——載荷中心到溢流管頂?shù)木嚯x。

1.5 靜水波浪彎矩、貨物載荷和壓載水質量分布

這部分設計載荷由裝載手冊查得。

2 重油艙實船建模與分析

以某萬箱船為例，重油艙布置型式和船體主要參數(shù)見圖1、2和表1。

圖1 萬箱船總布置（側視）

圖2 重油艙橫向分布

表1 萬箱船基本參數(shù)

2.1 有限元建模和工況的確定

為了顯示集裝箱船的內部結構，模型的右舷部分隱去。具體建模的細則、腐蝕余量、模型的范圍、邊界條件參考CCS 2005年出版的《集裝箱船結構強度直接計算指南》中的具體要求，建立的有限元模型見圖3。

為了較全面地評估重油艙結構，通過分析確立了10個計算工況，分為滿載、隔艙裝載和空載等工況，見表2。

2.2 計算結果及分析

各工況下不同區(qū)域中最大的板單元合成應力見表 3，部分工況下相應區(qū)域合成應力見圖3、4。

圖3 重油艙半寬有限元模型

表2 重油艙計算工況

表3 各工況下主要構件合成應力 單位：N/mm2

圖3 LC8 重油艙內某層平臺合成應力

圖4 LC3艙壁間垂直桁腹板合成應力

由于重油艙置于船中區(qū)域這種特殊布置結構，尚無相關評估標準，經(jīng)參照集裝箱船艙段計算屈服強度評估的衡準，縱向連續(xù)構件中，船底縱桁的許用應力為235/k，其他為220/k；橫向構件的許用應力為175/k；肘板趾端部局部應力集中處的許用應力為220/k；其中k為材料系數(shù)。

根據(jù)表3、圖3、4可知：

1) 由于超大型集裝箱船為了滿足最小吃水和穩(wěn)性的要求，船中區(qū)域雙層底和舷側的壓載水艙一般都保持有壓載水的狀態(tài)，可以抵消一部分外界水壓力的影響。經(jīng)計算，外底板的最大合成應力為199N/mm2、內底板為 191N/mm2、船底縱桁為 255N/mm2，而這些構件在設計時，都采用高強度鋼，許用應力達到282N/mm2和301N/mm2，所以都滿足許用應力的衡準要求；

2) 主甲板和艙口圍板的應力較大，艙口圍板最大應力達到269N/mm2，此外，對于超大型集裝箱船，由于大尺度、大開口的存在，船體會受到很大的彎矩、扭矩聯(lián)合作用，艙口角隅處很容易撕裂，因此，在設計時，艙口圍板和主甲板多采用40kg/m2的高強度鋼，艙口圍板角隅處的鋼板更應特別加厚；

3) 橫向艙壁和重油艙壁板的最大應力分別為 191N/mm2、217N/mm2。其中，橫向艙壁最大應力出現(xiàn)在支撐橫艙壁處的桁材上，若采用普通鋼，則不滿足許用應力的衡準要求，因此，在設計時，應相比其他貨艙相似區(qū)域作適當?shù)募訌娀蛘卟捎酶邚姸蠕摬?。重油艙壁板最大應力所在板格采用了高強度鋼材，滿足許用應力的衡準要求；

4) 重油艙最危險結構為重油艙內的平臺板和艙壁間垂直桁腹板。由圖3、4可知，由于在內部重油壓力作用下平臺角隅處應力集中、變形較大，而底部外載荷和內部重油壓力在底縱桁與橫艙壁交點處也形成同向的彎矩疊加，所以在艙內平臺角隅處、艙壁間垂直桁腹板與船底縱桁相連處出現(xiàn)的合成應力大大超出了許用應力。如果平臺角隅采用小肘板過渡，無法將此處的集中應力盡可能減小，因此設計時增大肘板圓弧半徑，將小肘板改成大肘板是一種很好的選擇。此外，還可以增加重油艙縱艙壁間的平臺板寬度和厚度。艙壁間垂直桁腹板與船底縱桁相連處設計時也應予以重視，應增加板厚并采用高強度鋼。

3 結 語

1) 直接建模計算評估法能較有效地評估超大型集裝箱船的重油艙結構；

2) 重油艙內壓力作用對縱向連續(xù)構件的影響較小，因此在評估普通貨艙段時，不需額外考慮；

3) 獲得了重油艙的一些危險結構，如艙內各層平臺的角隅處、艙壁間垂直桁腹板與船底縱桁相連處，設計時應高度關注，并深入校核重油艙板材的屈曲、水平桁應力集中處的細網(wǎng)格應力水平、橫艙壁垂直桁與底縱桁相交處的應力集中水平；

4) 集裝箱船的重油艙設計中除強度外，艙壁的變形也將影響集裝箱導軌的定位和正常使用。因此，在設計時必須考慮大型集裝箱船的重油艙艙壁的變形撓度。

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