大型集裝箱船系固校核系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

胡 敏

（中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200063）

1 系統(tǒng)開發(fā)背景

集裝箱船在風(fēng)浪中航行時會發(fā)生不規(guī)則的搖蕩運(yùn)動，為保證所載集裝箱不會因船舶運(yùn)動而出現(xiàn)移位、傾覆和歪斜等現(xiàn)象，通常采用以下系固方式：在集裝箱與船甲板底座之間和集裝箱與集裝箱之間采用扭鎖；在甲板上安裝綁扎橋；在集裝箱堆兩端采用綁扎桿。不同船級社對船上集裝箱的堆放有不同的標(biāo)準(zhǔn)，每個集裝箱在不同風(fēng)速、不同航速和不同船體位置下各方向的受力都必須嚴(yán)格計算，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求之后才可堆放、出航。另外，隨著集裝箱船朝大型化和超大型化方向發(fā)展，艙面設(shè)計的堆箱層數(shù)不斷增加，綜合考慮集裝箱扭鎖、綁扎橋和綁扎桿的應(yīng)用，集裝箱系固校核難度增大。按照傳統(tǒng)的計算方式，集裝箱綁扎后的受力情況主要通過查閱船級社規(guī)范，使用公式進(jìn)行人工計算，而船舶艙面和艙內(nèi)的系固模式較多，面對復(fù)雜的排布方式，在校核一個綁扎方案時往往需進(jìn)行反復(fù)計算，會耗費(fèi)大量的人力成本和時間成本，效率低下；在調(diào)整綁扎方案時必須完全重新計算，過程繁瑣。

本文介紹一套適用于艙面和艙內(nèi)各種系固模式的校核分析系統(tǒng)，由圖形化建模平臺和校核分析平臺2部分組成。該系統(tǒng)結(jié)合大型和超大型集裝箱船綁扎橋的特點(diǎn)，完全基于圖形化建模，快速設(shè)置各類參數(shù)，構(gòu)建艙面和艙內(nèi)常見的各種系固模式，建立通用的數(shù)學(xué)模型，用計算機(jī)自動求解分析，從而快速找到較優(yōu)的綁扎系固模式，直接輸出圖形化綁扎方案和受力分析報告，大大提高校核效率。目前該系統(tǒng)滿足挪威和德國勞氏船級社（Det Norske Veritas-Germanisher Lloyd, DNV-GL）、英國勞氏船級社和中國船級社[1]等多家船級社的計算規(guī)范要求。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 基本原理

大多數(shù)船級社制定的入級規(guī)范都提供在惡劣海況下船舶的運(yùn)動參數(shù)，如：最大橫傾角、最大縱向角和橫搖周期等，同時提供集裝箱橫向、縱向和垂向的受力計算公式。通過采用合適的集裝箱綁扎方案，防止集裝箱在船舶搖蕩運(yùn)動中發(fā)生移位、傾覆和破損。若集裝箱的橫向扭曲變形超過其允許的最大值，集裝箱的強(qiáng)度會受到損傷。為使集裝箱受力在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，需配置合適的綁扎橋和綁扎桿。計算時，首先計算綁扎桿本身的綁扎力，然后計算每個集裝箱在各方向上的受力。

2.2 圖形化建模平臺

2.2.1 元素模型庫

建立元素模型庫。

1) 集裝箱，模型屬性包括重量、型號、高度等；

2) 綁扎橋，模型屬性包括層高、型號、樣式等；

3) 綁扎桿，模型屬性包括長度、角度、彈性模量、直徑等；

4) 浪力，模型屬性主要是大小和方向；

5) 風(fēng)力，模型屬性主要是方向。

2.2.2 建模過程

1) 根據(jù)艙面空間確定集裝箱排布的行數(shù)和層數(shù)；平臺批量布置集裝箱，生成集裝箱布置圖，在集裝箱模型上反映集裝箱的各類屬性。

2) 根據(jù)艙面的實際情況調(diào)整集裝箱的布置，刪除部分集裝箱，精確集裝箱布局模型。

3) 基于模型批量設(shè)置集裝箱屬性，包括重量、長度、寬度和高度。

4) 設(shè)置綁扎橋的形式和層高，支持各類異形的綁扎橋，如第一層橋為規(guī)則橋，第二層橋只在船舷兩側(cè)設(shè)置。

5) 基于綁扎橋的形式和層高設(shè)置綁扎桿的形式和屬性，綁扎形式包括外綁、內(nèi)綁和垂直綁扎，綁扎桿參數(shù)包括長度、角度、彈性模量和直徑。平臺根據(jù)綁扎橋和綁扎桿的樣式，自動過濾有效的綁扎形式，并智能校核無效綁扎桿排布。

6) 依據(jù)船級社計算規(guī)范和集裝箱的布置，自動對風(fēng)力和浪力進(jìn)行建模，并確定其大小和方向。

7) 根據(jù)布局模型，動態(tài)計算集裝箱行號、重心高度和列總重。

在建模過程中，在模型上實時反映集裝箱、綁扎橋和綁扎桿之間的位置關(guān)系，同時反映集裝箱的各類屬性（包括重量、長度、寬度和高度）、綁扎桿的類型及風(fēng)力情況。

2.2.3 建模平臺的特色

1) 提供多種靈活的操作方式，可行選、列選和框選；在選擇集裝箱模型之后，可對模型進(jìn)行各類操作，包括設(shè)置集裝箱的屬性、調(diào)整集裝箱排布和設(shè)置集裝箱箱位占用等。

2) 支持批量操作和拷貝粘貼，只要設(shè)置1列集裝箱的參數(shù)，其他同層的集裝箱都可一鍵復(fù)制，從而有效提高建模效率，縮短建模時間。

3) 支持鼠標(biāo)滾輪縮放模型，可在任意縮放比例下操作模型；同時，具有一鍵恢復(fù)原始大小的功能。

4) 支持在艙面、艙內(nèi)和艙內(nèi)帶導(dǎo)軌等場景下各類綁扎方案快速圖形化建模。

5) 支持參數(shù)化建模，從而快速構(gòu)建新的綁扎方案。

6) 支持模型導(dǎo)入、導(dǎo)出，模型可存儲到磁盤文件內(nèi)或從磁盤文件內(nèi)重新加載，方便模型重復(fù)利用。

7) 支持20000TEU集裝箱船的系固校核，系統(tǒng)操作流暢，性能良好。

2.3 校核分析平臺

2.3.1 計算原理

根據(jù)船級社的計算規(guī)范，某層集裝箱節(jié)點(diǎn)受到的橫向扭變力Ri（i為集裝箱層號）為該節(jié)點(diǎn)上的橫向力Fi之和，而橫向力Fi為上層集裝箱底端和下層集裝箱頂端橫向力之和，在設(shè)置綁扎桿的情況下，使綁扎桿橫向水平分力Pi抵消一部分橫向扭變力Ri。因此，在任意系固模式下，可根據(jù)集裝箱頂部和底部的扭變力與位移的關(guān)系建立方程組。首先計算綁扎桿所受拉力，隨后計算綁扎桿上端的水平分力，最后計算集裝箱各箱角的受力[2-3]。

2.3.2 校核分析過程

1) 根據(jù)用戶輸入的船體和集裝箱位置信息及圖形模型，依次計算每個集裝箱的橫向加速度系數(shù)、縱向加速度系數(shù)和垂向加速度系數(shù)；

2) 根據(jù)用戶在圖形模型中輸入的集裝箱重量信息和計算得到的加速度，計算集裝箱橫向、縱向和垂向的受力；

3) 根據(jù)計算得到的集裝箱橫向、縱向和垂向的受力，自上而下累加計算集裝箱4個箱角的受力；

4) 在圖形模型中選取同列中有綁扎的集裝箱為一組，根據(jù)集裝箱頂部或底部扭變力與位移的關(guān)系，由集裝箱扭變系數(shù)、綁扎橋的變形、每根綁扎桿的綁扎力和剛性系數(shù)建立方程組，通過求解位移方程組，計算出綁扎桿所受綁扎力；

5) 將綁扎力分解成橫向、縱向和垂向3個方向上的分力，修正計算集裝箱4個箱角的受力；

6) 調(diào)整工況參數(shù)，重復(fù)上述步驟獲得集裝箱在其他工況下的受力情況。

2.3.3 支持的校核場景

1) 艙面，有綁扎或無綁扎情況、有風(fēng)力或無風(fēng)力情況、有浪力或無浪力情況，集裝箱裝載受力，包括每個集裝箱在橫向、縱向和垂向上受到的加速度、力、位移和形變，每個箱角所受拉壓力和剪切力，綁扎桿所受力及其他各大船級社規(guī)定需考查的力；

2) 艙內(nèi)僅有拉壓系統(tǒng)、僅有導(dǎo)軌或艙內(nèi)導(dǎo)軌與拉壓系統(tǒng)混合時的集裝箱裝載受力，包括每個集裝箱在橫向、縱向和垂向上受到的加速度、力、位移和形變，每個箱角所受拉壓力和剪切力，導(dǎo)軌和拉壓元件所受力及其他各大船級社規(guī)定需考查的力；

3) 集裝箱不規(guī)則排布情況，包括頂部集裝箱缺失、底部集裝箱箱位被占用和中間列缺失等情況下的集裝箱裝載受力。

2.3.4 校核分析結(jié)果

圖形建模結(jié)束之后，一鍵式完成所有校核分析計算，計算結(jié)果既可在原模型上顯示，又可在全部受力一覽表中顯示，平臺根據(jù)不同船級社的規(guī)范判斷受力結(jié)果與閾值的關(guān)系，將超出閾值的結(jié)果用不同的顏色顯示，直觀醒目。同時，生成計算分析報告，包括集裝箱堆放圖和各集裝箱受力分析結(jié)果。

經(jīng)驗證，所有分析結(jié)果均符合船級社規(guī)范要求。

2.3.5 校核分析平臺的特色

1) 計算精度和規(guī)模：該平臺的計算模型支持獨(dú)立計算每根綁扎桿的形變，從而提高計算精度；同時，支持20000TEU集裝箱船和所有類型綁扎橋（包括異型綁扎橋）及綁扎桿。

2) 計算場景：該平臺支持艙面、艙內(nèi)帶拉壓和艙內(nèi)帶導(dǎo)軌等多種場景的復(fù)雜建模與計算分析，國外軟件只支持個別場景。

3) 參數(shù)調(diào)整便捷：該平臺支持參數(shù)基于圖面動態(tài)設(shè)定，即可重新計算，便于優(yōu)化綁扎方案，而國外軟件需重新建模。

2.4 系統(tǒng)主要界面

2.4.1 參數(shù)設(shè)置圖

參數(shù)設(shè)置圖見圖1，主要設(shè)置船的參數(shù)、集裝箱的參數(shù)和不同船級社規(guī)范約定的有關(guān)計算參數(shù)。

圖1 參數(shù)設(shè)置圖

2.4.2 模型布置圖

圖2 模型布置圖

2.4.3 校核結(jié)果

校核結(jié)果見圖3，其中集裝箱內(nèi)的數(shù)字代表受力情況。

圖3 校核結(jié)果

2.4.4 分析結(jié)果

分析結(jié)果見圖4，其中數(shù)字代表集裝箱各箱角的受力情況。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

該系統(tǒng)支持DNV-GL等多家船級社的計算規(guī)范，已上線運(yùn)行1a，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，計算分析綁扎項目幾十個，有效提高了校核分析效率，給客戶帶來了顯著的直接經(jīng)濟(jì)效益，為優(yōu)化產(chǎn)品方案提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，得到了客戶的認(rèn)可和好評。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可幫助客戶實現(xiàn)綁扎方案優(yōu)選和產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化。后續(xù)將繼續(xù)對該系統(tǒng)進(jìn)行完善，使其支持更多的船級社計算規(guī)范；同時，積極探索相關(guān)技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2006.

[2] 徐傳淮. 集裝箱系固設(shè)備的受力計算[J]. 船檢科技，1997 (1): 38-45.

[3] 邱文昌. 對海船集裝箱柔性系固系統(tǒng)中橋鎖受力計算問題的研究[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報，2005, 26 (1): 13-15.