2 339 TEU支線型集裝箱船設(shè)計(jì)特點(diǎn)

邵漢東， 劉在良， 周俊霖

(1.揚(yáng)帆船舶設(shè)計(jì)研究院， 浙江 舟山 316100； 2.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316021)

2 339 TEU支線型集裝箱船設(shè)計(jì)特點(diǎn)

邵漢東1， 劉在良2， 周俊霖1

(1.揚(yáng)帆船舶設(shè)計(jì)研究院， 浙江 舟山 316100； 2.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 舟山 316021)

針對(duì)一艘出口德國(guó)的2 339 TEU支線型集裝箱,介紹其基于CFD技術(shù)的低阻線型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，基于MSC.Patran的高可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大型左右不對(duì)稱上層建筑整體吊裝有限元強(qiáng)度分析及窄邊艙技術(shù)等在船舶設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用；新技術(shù)、新設(shè)計(jì)手段在船舶設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用使船舶各項(xiàng)性能顯著提高，其對(duì)類似船舶的設(shè)計(jì)與制造具有積極的參考價(jià)值和意義。

支線型集裝箱船； 低阻線型； 高可靠性結(jié)構(gòu)； 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(yùn)輸?shù)闹匾?。支線型集裝箱船在干線船的促進(jìn)下，具有較好的市場(chǎng)前景。為此，世界各船舶設(shè)計(jì)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(biāo)來(lái)獲得船舶所有人的青睞。2 339 TEU支線型集裝箱船由揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司量身定造，設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中采用線型CFD優(yōu)化、高可靠性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、窄邊艙技術(shù)應(yīng)用、大型左右不對(duì)稱上層建筑整體吊裝有限元分析、節(jié)能裝置技術(shù)應(yīng)用以及低軸中心線傾斜設(shè)計(jì)等新技術(shù)與新工藝。

1 船型特征

本船為無(wú)限航區(qū)，設(shè)有球鼻艏、方艉、單機(jī)、定距槳、高效舵(扭曲舵)、首側(cè)推，是一艘尾機(jī)型全格柵式集裝箱船。

本船主尺度：總長(zhǎng)為189.00 m；垂線間長(zhǎng)為180.2 m；型寬為30.4 m；型深為16.9 m；設(shè)計(jì)吃水為8.5 m；設(shè)計(jì)載重量為21 200 t；主機(jī)功率為12 840 kW ×97 r/min；航速為19 kn。

機(jī)艙、起居處所及駕駛室位于尾部，設(shè)有艏樓，上甲板以下從船首至船尾依次設(shè)置8道水密橫艙壁，將全船分隔成艏尖艙、5個(gè)貨艙、機(jī)艙和艉尖艙。

本船甲板上可裝載18列集裝箱，共計(jì)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(gè)自冷式40 英尺集裝箱，貨艙內(nèi)可裝載290個(gè)40 英尺集裝箱，甲板上可裝載210個(gè)40 英尺集裝箱。同時(shí)本船還能運(yùn)輸國(guó)際危險(xiǎn)貨物海運(yùn)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(xiǎn)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(guó)勞氏船級(jí)社(Lloyd's Register of Shipping, LR)的現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)與建造，滿足燃油艙完全雙殼保護(hù)，是一條環(huán)保節(jié)能型船舶。耗油量相對(duì)較低，燃油艙雙殼保護(hù)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(cè)，滿足船級(jí)社的有關(guān)要求;上層建筑滿足國(guó)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(guān)要求；防污底系統(tǒng)滿足國(guó)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(jī)錫化合物作為水生物滅殺劑。

2 低阻線型開(kāi)發(fā)CFD技術(shù)的應(yīng)用

在基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)的船舶阻力計(jì)算中，船舶線型優(yōu)化成為提升船舶科技含量的研究熱點(diǎn),在船舶設(shè)計(jì)中其所創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

本船前體橫剖面采用“V形” 線型, 后體采用“V-U 形”結(jié)合，設(shè)計(jì)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(guān)鍵。船體球艏設(shè)計(jì), 主要是通過(guò)球艏與船艏興波的有利干擾來(lái)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(zhǎng)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(shè)計(jì)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(dòng), 提高了總推進(jìn)效率。設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)線型的基礎(chǔ)上，本船采用CFD技術(shù)輔以線型設(shè)計(jì)和航速預(yù)報(bào)。

建立船殼的實(shí)體模型：采用芬蘭NAPA船舶性能計(jì)算軟件將線型的船體SURFACE以IGS的文件格式導(dǎo)出，在三維設(shè)計(jì)軟件RHINO中進(jìn)行三維半體的實(shí)體建模，并在UG三維軟件中進(jìn)行局部壞面的修補(bǔ)。建立流體計(jì)算域：網(wǎng)格采用全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在自由液面處進(jìn)行加密，網(wǎng)格總數(shù)約150萬(wàn)；采用穩(wěn)態(tài)物理模型，計(jì)算模式為湍流模型Komega(SST)-Menter，設(shè)置邊界條件和運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)行迭代計(jì)算。設(shè)計(jì)吃水工況下的計(jì)算結(jié)果自由液面波形如圖2所示。

建立數(shù)值拖曳模擬水池,對(duì)航行中的船模繞流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,優(yōu)選出總阻力最小的線型方案，并在德國(guó)漢堡HSVA水池進(jìn)行壓載吃水、設(shè)計(jì)吃水、結(jié)構(gòu)吃水工況的船模試驗(yàn)加以驗(yàn)證。圖3為試驗(yàn)圖片。

圖2 設(shè)計(jì)吃水工況下自由液面波形

圖3 2 339 TEU設(shè)計(jì)吃水狀態(tài)船模試驗(yàn)

本船實(shí)船試航，采用國(guó)際拖曳水池修正法(International Towing Tank Conference， ITTC)經(jīng)過(guò)ITTC法修正后，設(shè)計(jì)吃水工況下，主機(jī)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(yàn)的航速18.93 kn還快0.02 kn，完全達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)研發(fā)的目的。

本船低阻線型的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，在很大程度上得益于CFD技術(shù)的應(yīng)用。

3 小型集裝箱船全船有限元及結(jié)構(gòu)疲勞分析

全船有限元分析在支線型集裝箱船的應(yīng)用還不常見(jiàn)，通常運(yùn)用有限元對(duì)貨艙艙段進(jìn)行直接計(jì)算，計(jì)算貨艙區(qū)域的局部強(qiáng)度，但本船船舶所有人為了追求高結(jié)構(gòu)安全可靠性，要求本船進(jìn)行全船有限元疲勞分析，其全船疲勞強(qiáng)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(gè)是全船結(jié)構(gòu)有限元模型，另一個(gè)是用來(lái)做水動(dòng)力計(jì)算的面元模型。全船結(jié)構(gòu)有限元模型運(yùn)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(jī)艙以及上層建筑等全船范圍內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)，如圖4所示。為建模方便， LR船級(jí)社同意采用大網(wǎng)格建模，網(wǎng)格大小為強(qiáng)框間距，非主要構(gòu)件的梁?jiǎn)卧鄳?yīng)分擔(dān)到強(qiáng)框架處。

圖4 全船有限元計(jì)算模型

(2) 為了對(duì)高應(yīng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，經(jīng)與LR商量，全船篩選了近40處艙口、角隅等高應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行高精細(xì)網(wǎng)格劃分，細(xì)化網(wǎng)格大小為50 mm×50 mm。局部細(xì)化節(jié)點(diǎn)模型如圖5所示。

圖5 疲勞細(xì)化節(jié)點(diǎn)

水動(dòng)力計(jì)算模型為船體外殼有限元網(wǎng)格，即濕表面。運(yùn)用LR的水動(dòng)力軟件進(jìn)行水動(dòng)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(dǎo)入有限元模型；然后運(yùn)用有限元后處理運(yùn)算器MSC.Nastran計(jì)算；最后應(yīng)用LR的有限元軟件ShipRight評(píng)估計(jì)算結(jié)果。

(3) 通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，本船在總縱彎矩剪力以及扭轉(zhuǎn)彎矩影響下，高應(yīng)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(qiáng)度評(píng)估結(jié)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(yīng)力集中問(wèn)題，解決這種屈服屈曲和疲勞問(wèn)題最有效的方法就是在應(yīng)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(shí)過(guò)大的角隅半徑，易導(dǎo)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(fù)角隅的地方盡量采用負(fù)角隅，對(duì)減小應(yīng)力集中都是有益的。

4 大型左右不對(duì)稱上層建筑整體吊裝有限元計(jì)算法的應(yīng)用

上層建筑整段吊裝技術(shù)對(duì)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(guó)內(nèi)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(zhǎng)度方向從FR 5～FR 24，長(zhǎng)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(jīng)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(duì)稱，采用簡(jiǎn)單的板架理論計(jì)算存在局限性，對(duì)吊碼的設(shè)置和結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)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(kāi)裂，發(fā)生吊裝事故。本船設(shè)計(jì)中采用有限元法，對(duì)不對(duì)稱上層建筑的吊裝進(jìn)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(yīng)力值明顯比許用應(yīng)力大，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鋼板屈服強(qiáng)度235 N/mm2，超出鋼板最大抗拉強(qiáng)度520 N/mm2上限。表1中描述了高應(yīng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)范圍及臨時(shí)或永久加強(qiáng)措施情況。

圖6 上層建筑有限元模型

表1 上層建筑應(yīng)力集中區(qū)結(jié)構(gòu)列表

續(xù)表1 上層建筑應(yīng)力集中區(qū)結(jié)構(gòu)列表

有限元分析可知，應(yīng)力集中區(qū)域基本都集中在脫硫塔預(yù)留區(qū)域附近。造成局部構(gòu)件應(yīng)力集中的原因：上層建筑右側(cè)A甲板上面脫硫塔預(yù)留區(qū)域的布置，導(dǎo)致此區(qū)域左右前后結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，在A甲板形成結(jié)構(gòu)特變區(qū)，在吊裝受力時(shí)，相當(dāng)于脫硫預(yù)放A甲板與整個(gè)上層建筑在結(jié)構(gòu)特變區(qū)形成附加彎矩，再加上此區(qū)域壁板上開(kāi)孔，強(qiáng)度及剛度進(jìn)一步遞減，另外下端的結(jié)構(gòu)離這個(gè)附加彎矩的轉(zhuǎn)動(dòng)軸較遠(yuǎn)，受力就更大。

另外，吊碼處應(yīng)力集中的原因主要是上層建筑結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，吊點(diǎn)處受力不均勻和多元受力方向以及吊點(diǎn)處結(jié)構(gòu)相對(duì)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(shí)，須重視對(duì)上層建筑吊裝科學(xué)合理的布置和計(jì)算。尤其是上層建筑結(jié)構(gòu)比較特殊、吊碼布置不對(duì)稱的情況，須對(duì)其進(jìn)行工藝詳細(xì)和強(qiáng)度論證；對(duì)吊點(diǎn)的選擇布置，對(duì)結(jié)構(gòu)特變應(yīng)力集中點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)開(kāi)孔，對(duì)吊碼兩端部與結(jié)構(gòu)的有效過(guò)渡連接及吊碼的有效加強(qiáng)等問(wèn)題，應(yīng)前置到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段統(tǒng)籌考慮。

5 窄邊艙技術(shù)的應(yīng)用

為進(jìn)一步提高船舶的載箱量，本船在貨艙區(qū)域舷側(cè)采用窄邊艙設(shè)計(jì)，貨艙開(kāi)口寬度與船舶型寬之比達(dá)到0.91，超出常規(guī)大開(kāi)口船舶0.85的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)使得船體水平彎矩、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、橫向強(qiáng)度在其整體強(qiáng)度校核中的分量比例明顯上升，艙口角隅處產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中。鄰近機(jī)艙處的甲板角隅應(yīng)力達(dá)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(fù)角隅的連接設(shè)計(jì)。

6 節(jié)能裝置技術(shù)的應(yīng)用

為進(jìn)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(fù)舵球、舵表面壓力，減小尾流旋轉(zhuǎn)能量損失，綜合節(jié)能2%～3%。為了能在歐盟禁排區(qū)航行，設(shè)置低硫油艙，滿足禁排區(qū)硫氮化物排放標(biāo)準(zhǔn)。

在上層建筑外圍預(yù)留洗硫塔安裝位置，一旦有新產(chǎn)品，可以很方便地升級(jí)，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(shè)計(jì)

采用傾斜式低軸線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)角度達(dá)到0.5°，間接地降低了軸中心線和船舶主機(jī)的重心，便于主機(jī)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(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本船是1艘高科技含量、高自動(dòng)化、高附加值、新一代親環(huán)境、經(jīng)濟(jì)支線型集裝箱船，現(xiàn)代高技術(shù)設(shè)計(jì)手段的運(yùn)用使本船的各項(xiàng)性能指標(biāo)居于同類支線型集裝箱船首位。針對(duì)支線型集裝箱船全船有限元強(qiáng)度的疲勞強(qiáng)度評(píng)估，為本船在船舶生命周期結(jié)構(gòu)的有效性提供堅(jiān)實(shí)的理論保障；有限元法在上層建筑吊裝中的局部強(qiáng)度分析，為上層建筑的成功吊裝保駕護(hù)航。本船在設(shè)計(jì)中應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)計(jì)手段，對(duì)設(shè)計(jì)類似船型具有相當(dāng)好的參考價(jià)值和意義。

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

[2] 邵漢東，蔡輝華，柳向陽(yáng)，等. 2 400 TEU集裝箱船上建整段吊裝有限元強(qiáng)度分析與驗(yàn)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(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榇翱傮w與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1000-3878(2017)06-0033-06

U661

A