UR S34對超大型集裝箱船直接強度校核的影響

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

UR S34是在應用有限元方法進行集裝箱船強度評估時對載荷工況的最低要求，包括艙段有限元分析和全船有限元分析。UR S34規(guī)定在有限元強度評估過程中，垂向波浪彎矩應與UR S11A[1]保持一致，其他船體梁載荷和局部載荷與相應船級社規(guī)范保持一致即可[2-5]。

在UR S34生效前，各主要船級社的集裝箱船規(guī)范中對全船和貨艙段結構有限元計算分析的要求在計算工況和載荷上都存在一些差異。

關于艙段有限元分析，UR S34規(guī)定了必須評估的裝載工況，其適用于船長在150 m及以上的集裝箱船，如表1所示。在艙段有限元分析過程中，還需考慮兩種波浪載荷工況，分別為：迎浪工況下產生最大的中拱垂向波浪彎矩和中垂垂向波浪彎矩；在橫浪工況下產生最大的橫搖運動，但在某些裝載工況下可不考慮橫浪工況。

表1 UR S34的裝載工況(壓載艙和燃油艙均為空艙)

UR S34生效以后，首先對有限元計算載荷規(guī)定了高水平的功能性要求，統(tǒng)一了集裝箱船結構強度的底線。其次，通過規(guī)定貨艙段計算最低限度的裝載計算工況，形成了船中貨艙區(qū)域結構強度的基線。這為新造大型集裝箱船結構強度安全增加了技術上的保證。

1 UR S34與勞氏規(guī)范的差異

在UR S34生效之前，LR船級社《Structural Design Assessment Primary Structure of Container Ships》規(guī)范[6](SDA)中關于集裝箱船艙段有限元強度評估的裝載工況具體要求見表2。

表2中詳述的工況C2a，C2b和C3為基本裝載工況，工況C4和C5為考慮橫傾狀態(tài)的裝載工況，工況C7a和C7b為考慮破艙狀態(tài)的裝載工況。

在以上幾種工況的基礎上，LR規(guī)范中還考慮到船舶運動所引起的縱向加速度的影響。但由于在全船結構強度有限元分析中同樣會考慮該工況，因此在艙段有限元分析中就不再贅述。

與UR S34相比，LR規(guī)范所要求的裝載工況缺少了針對滿載情況下折減吃水時的強度評估，同時LR規(guī)范所有裝載工況中均采用重箱裝載，忽略了輕箱裝載的情況。因此，在UR S34生效后，LR規(guī)范中針對集裝箱船艙段有限元強度評估的裝載工況需進行相應調整才能滿足UR S34的要求。

2 滿足UR S34的艙段有限元分析

在UR S34中規(guī)定規(guī)范船長在150 m以上的集裝箱船必須進行艙段有限元分析，公司自主研發(fā)的14 000 TEU的規(guī)范船長為343.777 m，因此在滿足UR S34要求的基礎，并按照船級社規(guī)范考慮局部載荷進行艙段有限元分析。

表2 LR規(guī)范中艙段有限元分析工況

2.1 結構有限元模型

艙段有限元模型范圍為船中區(qū)域的4個40 ft 箱位，其中包括1個整艙和2個半艙。模型主要包括縱向構件、橫向構件和艙壁結構等，采用縱骨間距的網格尺寸，板以二維膜單元，加強筋以一維梁單元表示，應用MSC/PATRAN建立有限元三維模型，艙段有限元模型見圖1。

圖1 艙段有限元模型

2.2 計算載荷

14 000 TEU裝載工況見表3。分析中不僅要考慮由船體梁載荷所引起的應力，還需考慮由局部載荷所引起的應力。一般情況下，集裝箱船的艙段有限元分析中的局部載荷主要包括空船重量，集裝箱載荷，由吃水引起的靜水壓力和由波浪載荷引起的壓力。

其中，貨艙內的集裝箱載荷以節(jié)點力的形式施加在4個箱腳位置，艙蓋上的集裝箱載荷以節(jié)點力的形式主要施加在艙口圍板上；另外艙口蓋的重量需要計入在艙蓋上的集裝箱載荷中。

表3 垂向加速度對比

需要特別注意的是，在LR規(guī)范中針對工況C1、C2a、C2b、C3a和C3b的垂向加速度進行修正，因此，在計算集裝箱載荷時所用到的加速度，需要采用根據LR規(guī)范所給出的計算方法重新得到修正后的垂向加速度。

由表3可見，工況C1、C2a、C2b和C3b修正后垂向加速度減??；導致其集裝箱載荷也相應減小，而C3a工況修正后的垂向加速度增大，因此，該工況下的集裝箱載荷會相應增大。

2.3 加載工況

在UR S34生效之后，LR規(guī)范中針對艙段有限元分析所設定的加載工況不滿足UR S34的要求，因此在原本工況基礎上，增加了工況C1和C3b，同時將工況C3中的結構吃水修改為折減吃水，從而形成工況 C3a，見表4。

對比表2和表4中所述的加載工況，兩者間主要差異集中在工況C1、C2a、C2b、C3a和C3b中，因此，在后續(xù)艙段有限元分析評估中針對工況C4、C5、C7a和C7b的結果不再詳細分析。

2.4 邊界條件

按照LR規(guī)范的要求，對艙段有限元模型施加邊界條件，見表5。

表4 LR規(guī)范中調整后艙段有限元分析工況

表5 艙段有限元分析的邊界條件

在中縱剖面與船底板相交處施加對稱邊界條件，對其橫向位移進行約束：δy=0。

在模型前后2個端面內中縱剖面與中和軸相交處建立獨立點，在獨立點上施加彎矩，從而模擬總縱彎矩。端面各縱向連續(xù)構件節(jié)點自由度δx、θy、θz與獨立點相關聯(lián)。

模型前端面內獨立點的繞橫向軸和繞垂向軸的角位移予以約束，θy=θz=0；模型后端面內獨立點的縱向線位移、繞橫向軸和繞垂向軸的角位移予以約束，δx=θy=θy=θz=0。

在舷側外板、內殼板、內底板、船底板和上甲板的節(jié)點上設置彈性約束，其彈性剛度KS為

Ks=GA/lN

式中：G為剛度模量；A為需要加彈性約束的縱向結構的平均截面積，l為模型最尾端艙壁與相鄰艙壁的長度；N為施加彈性約束的節(jié)點數。

2.5 校核衡準

根據LR規(guī)范要求進行艙段有限元分析時，針對工況C1、C2a、C2b、C3a、C3b下主要船體結構的校核衡準見表6。

表中，σ0為材料屈服強度；σL=235/kL，其中kL為高強度鋼系數，具體取值參照表7。

2.6 應力結果分析

在艙段有限元分析中主要評估表6和表7所述的船體結構，基本均需考慮工況C1與C2a；而僅在評估外底板、內底、雙層底縱桁、外板和縱向艙壁時需考慮工況C3a和C3b。

工況C1的船體梁彎矩和波浪載荷均與工況C2a相同，兩者差別僅在集裝箱載荷，通過對比工況C2a的集裝箱載荷略小于工況C1，因此,工況C2a的計算結果基本已涵蓋工況C1。

工況C3a與C3相比(見表8)，船體梁彎矩不變，但由于垂向加速度修正，結構吃水改為折減吃水，因此集裝箱載荷增大，波浪載荷減小。以船底板、內底、雙層底縱桁、縱向艙壁和外板的縱向應力為例，從表可以看出工況C3a下縱向應力與工況C3相比，增幅在27%～44%之間，影響較大。

在船體結構的屈曲計算校核中，工況C3a和C3b的影響較大。針對內底板來說，雖然其屈曲結果主要由工況C2a決定，但在工況C3b中板格不滿足安全系數1.0的范圍增大，見圖2。

表6 校核衡準

表7 kL取值

工況C2a中內底板屈曲結果嚴重的位置主要集中在水密艙壁前后一個強框左右區(qū)域以及橫向15.745～19.105 m間區(qū)域，而在工況C3b中艙內支撐艙壁及其附近區(qū)域增加多個板格屈曲不滿足，需增加板厚并加筋。

圖2 屈曲結果

縱向艙壁的屈曲結果卻主要由工況C3a決定，見圖3。工況C3a作為20 ft重箱的滿載工況由結構吃水Tsc變?yōu)?.9Tsc，同時波浪載荷為波谷，從而導致在二甲板附近受壓嚴重，此處屈曲嚴重不滿足衡準要求，需增加該位置的板厚并加筋。

圖3 工況C3a下縱艙壁的屈曲結果

3 結論

UR S34提出生效后，船級社在原有規(guī)范的基礎上，依照UR S34進行相應修改，增加工況C1和C3b，并將工況C3轉換成C3a，從而導致對集裝箱船直接強度校核的計算載荷和工況有了更高的要求。

LR規(guī)范中增加垂向加速度修正的概念，導致集裝箱船載荷與以往不同。在工況C3a中，保持裝載情況和船體梁彎矩值不變，垂向加速度增大，吃水降低，集裝箱載荷增大，波浪載荷減小，因此造成船底板、內底、雙層底縱桁、縱向艙壁和外板區(qū)域縱向應力增大，其中雙層底縱桁的縱向應力結果最為嚴重。

同時，船體主要結構的屈曲計算結果也更為嚴重，以內底板和縱向艙壁為主要影響對象，需適當增加內底板和縱向艙壁的板厚并加筋的方式來滿足規(guī)范衡準要求。

綜上所述，在UR S34生效后，船級社規(guī)范對集裝箱船直接強度校核更加嚴苛，主要船體結構的尺寸均有所增加，因此在今后超大型集裝箱船的結構設計需著重注意。

表8 工況C3a與C3縱向應力結果對比 Mpa

結構工況C3a工況C3船底板屈服評估最大值許用值最大值許用值287.89300.27214.90300.27內底板屈服評估最大值許用值最大值許用值254.18300.27176.38300.27雙層底縱桁屈服評估最大值許用值最大值許用值359.15300.27282.71300.27縱向艙壁屈服評估最大值許用值最大值許用值278.43277.17205.13277.17外板屈服評估最大值許用值最大值許用值230.02277.17181.27277.17