2 339 TEU集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

高 嵩 任淑霞 邵漢東

（1.上海船舶研究設(shè)計院，上海201203；2.揚帆集團股份有限公司，浙江舟山316100）

0 前言

2 339 TEU集裝箱船是上海船舶研究設(shè)計院自主研發(fā)的小型支線型集裝箱船舶。該船具有適用范圍廣泛、貨源靈活性強、吃水淺、能自由出入沿海區(qū)域等特點，可以滿足主要港口轉(zhuǎn)運量不斷增長的需求。

該船是一艘單機單槳、低速柴油機推進的支線型集裝箱船，能夠航行于全球各大港口，航線靈活便捷。

該船主尺度如下：

結(jié)構(gòu)船長 177.90 m

垂線間長 180.20 m

型 寬 30.40 m

型 深 16.90 m

結(jié)構(gòu)吃水 10.50 m

服務(wù)航速 約19.10 kn

該船入級英國勞氏船級社（簡稱LR），船級符號：

LR 100 A1 Container Ship，ShipRight（SDA，F(xiàn)DA plus（25，N/A）），CM，ACS（B）），*IWS，LI，ECO，LMC，UMS，NAV1；DescriptionNotes：ShipRight（BWMP（T）），ShipRight（SCM），ShipRight（SERS），Green Passport）

由船級符號可以看到，疲勞強度必須滿足北大西洋25 a要求。該船的貨艙為縱骨架式結(jié)構(gòu)，考慮該船以裝載高箱為主，貨艙結(jié)構(gòu)骨架按照裝載高箱進行布置的。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

2 339 TEU集裝箱船貨艙為雙底雙殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)底板延伸至外板，內(nèi)殼有一層臺階，船中設(shè)有管弄結(jié)構(gòu)，貨艙區(qū)為縱骨架式，4擋肋位設(shè)置一個強框，典型橫剖面圖見圖1。舷側(cè)至管弄為底部壓載艙，內(nèi)底至二甲板為舷側(cè)壓載艙。二甲板與上甲板之間為通道，通道上方設(shè)有電纜與管系開孔，由于內(nèi)殼較窄，不作為主通道。主通道設(shè)于甲板上方，甲板上方設(shè)有縱向連續(xù)的艙口圍，甲板靠近舷側(cè)上方設(shè)有集裝箱立柱。

圖1 典型橫剖面圖

該船貨艙區(qū)具有窄邊艙、狹小橫向甲板條的特點。共有5個貨艙（如圖2），除第5貨艙僅有1個貨艙分隔 （BAY），其他貨艙都有2個貨艙分隔（BAY），艙中設(shè)有1道非水密艙壁結(jié)構(gòu)。每個貨艙分隔 （BAY）縱向可以布置2個20英尺 （1英尺=0.304 8 m）或者1個40英尺的集裝箱。該船貨艙以裝冷藏箱為主，橫向甲板條上的通風(fēng)開孔布置較密。

圖2 中縱剖面圖

該船屬于小型窄體集裝箱船，相較于常規(guī)小型集裝箱船，其舭部增設(shè)一個箱形臺階結(jié)構(gòu)，以增強橫向抗彎能力。其優(yōu)點在于：船寬較小，能更靈活的航行于各港口、貨艙雙殼結(jié)構(gòu)的鋼料用量少。其缺點在于：由于雙殼窄小，主甲板上面的通道比較狹窄，雙殼內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在自身骨架設(shè)計基礎(chǔ)上，既要考慮管系電纜開口布置，又要考慮上甲板下的箱柱加強，其結(jié)構(gòu)設(shè)計難度非常大。另外，甲板開口寬度較大，艙口角隅強度受扭轉(zhuǎn)的影響較大。

2 結(jié)構(gòu)強度分析

2.1 全船扭轉(zhuǎn)強度與疲勞強度分析

集裝箱船通常貨艙開口較大并且有狹長的甲板條，使得總縱強度、特別是扭轉(zhuǎn)強度對貨艙結(jié)構(gòu)強度影響較大。貨艙首尾艙口角隅處有明顯的應(yīng)力集中，尤其是貨艙后端即機艙前端壁處，應(yīng)力集中達到最大。對于8 000 TEU及以上的大型集裝箱船，主尺度已經(jīng)超出規(guī)范所涵蓋的范圍，因而全船有限元計算方法已經(jīng)應(yīng)用于貨艙結(jié)構(gòu)強度分析中。全船有限元計算在小型集裝箱船的應(yīng)用還不常見，通常只用有限元計算進行貨艙艙段強度分析。為了評估總縱強度特別是扭轉(zhuǎn)強度對于小型集裝箱船結(jié)構(gòu)強度的影響程度，并對該類型船局部疲勞強度進行分析，特對該船進行了全船有限元計算，詳細分析了扭轉(zhuǎn)強度對于艙口角隅處的屈服強度和疲勞強度影響。

該計算模型分為3個：水動力模型，全船有限元模型，還有局部細化模型。水動力計算模型為船體外殼有限元網(wǎng)格，即濕表面（見圖3）。全船有限元模型包含了貨艙區(qū)、首部、尾部、機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；局部細化模型如圖5～圖6所示，為了對局部結(jié)構(gòu)進行疲勞強度分析，對艙口角隅附近的結(jié)構(gòu)進行了模型細化，細化網(wǎng)格大小為 t×t；

圖3 水動力計算濕表面模型

圖4 全船有限元計算模型

圖5 局部細化模型之一

圖6 局部細化模型之二

首先運用英國船級社（LR）水動力軟件對水動力計算模型進水動力分析，得到船體外殼水線以下部分的外部波浪載荷；然后將波浪載荷導(dǎo)入有限元模型，用有限元解算器MSC/NASTRAN計算應(yīng)力；最后應(yīng)用LR的SHIPRIGHT軟件評估計算結(jié)果。

分析計算結(jié)果顯示，該船在垂向彎矩和扭轉(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和角隅處以及縱向艙口圍前后端和艙口圍頂板角隅處。進一步對全船有限元模型的屈服強度計算結(jié)果進行分析。突出的問題主要有以下3個方面：

1）靠近機艙前端壁處的最后一個貨艙分隔（BAY）的主甲板，在滿足規(guī)范計算的船體梁總縱強度要求后，受扭轉(zhuǎn)強度的影響，板厚需要增加；

2）不僅常規(guī)的主甲板角隅處需要增加厚板，貨艙區(qū)二甲板平臺的內(nèi)殼拐角處也存在應(yīng)力集中，局部需要增加厚板；

3）貨艙艙口圍最后端和最前端受扭轉(zhuǎn)強度影響較大，板厚需要局部加厚。

綜上所述，高應(yīng)力主要集中在主甲板角隅、艙口圍角隅以及二甲板角隅處，靠近機艙前端壁和船首防撞艙壁處的角隅往往最惡劣。

普通集裝箱船的疲勞衡準(zhǔn)是全球譜20 a，而該船的疲勞衡準(zhǔn)是北大西洋25 a，要求更為嚴(yán)苛，所以對該船的疲勞強度進行了詳細的計算與分析。通過對該船貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)疲勞強度計算，結(jié)果顯示疲勞問題主要集中在艙口圍頂板上的艙口角隅處。原因在于：主甲板艙口角隅處由于都設(shè)計了負(fù)角隅形式（見圖7），其疲勞問題得到解決。但艙口圍頂板角隅處為圓弧過渡，并且由于集裝箱裝載要求，圓弧半徑不能太大，另外艙口圍縱向連續(xù)，總縱強度、特別是扭轉(zhuǎn)強度對艙口圍的影響更大。因而，縱向艙口圍在首尾結(jié)束處應(yīng)向前后延伸較長的范圍，讓總強度應(yīng)力平滑地過渡。

圖7 主甲板負(fù)角隅形式

2.2 艙段屈服屈曲強度分析

艙段有限元模型縱向取船中貨艙區(qū)域 （1/2+1+1/2）貨艙范圍，垂向為型深，橫向為船寬，模型如圖8所示。

圖8 艙段有限元模型

在惡劣載荷工況下，對艙段縱向和橫向構(gòu)件進行屈服和屈曲強度分析。屈服強度方面，水密橫艙壁處的內(nèi)底板、靠近艙壁處的二甲板以及橫艙壁各層平臺靠近內(nèi)殼處較難滿足；而屈曲強度問題主要存在于雙層底以下，特別是靠近船中的管弄區(qū)域的外板。該船貨艙段的屈服強度和屈曲強度分析及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下：

1）船底板在一個貨艙分隔（BAY）空工況下容易產(chǎn)生縱向屈曲，通過增加板厚和（或）屈曲筋提高其屈曲強度；

2）舷側(cè)外板在橫搖工況下容易產(chǎn)生橫向屈曲，通過增加板厚和（或）屈曲筋提高其屈曲強度；

3）靠近水密/深艙艙壁的雙層底縱桁在一個貨艙分隔（BAY）空工況下剪應(yīng)力和合成應(yīng)力均較大，縱向屈曲也較惡劣，通過增加板厚可同時提高其屈服和屈曲強度；

4）雙層底肋板端部和舷側(cè)肋板下端，在橫搖工況下剪應(yīng)力和合成應(yīng)力均較大，通過增加板厚以及提高鋼級滿足其屈服強度；

5）水密/深艙艙壁垂直桁下端和水平桁兩端在破艙工況下容易產(chǎn)生屈曲，通過增加板厚以及提高鋼級滿足其屈曲強度。

3 結(jié)語

本文詳述了2 339 TEU集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及要點，并著重對結(jié)構(gòu)強度進行了分析。通過全船有限元計算，對總縱強度引起的結(jié)構(gòu)強度問題進行了評估，從屈服強度、屈曲強度以及疲勞強度評估結(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)力集中問題。經(jīng)過多種加強方案比較，在控制鋼料重量的前提下，提煉出最優(yōu)的局部結(jié)構(gòu)加強方案——板厚薄厚合理分布和局部嵌入厚板。通過艙段有限元計算，對艙段縱向和橫向構(gòu)件進行了屈服和屈曲強度校核，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行局部優(yōu)化與板厚調(diào)整。

通過對該船進行全船有限元分析和艙段有限元分析，既滿足了嚴(yán)苛的疲勞衡準(zhǔn)，又在保證結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上控制了結(jié)構(gòu)重量、優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并為以后該類型船結(jié)構(gòu)設(shè)計積累了寶貴的經(jīng)驗。窄體集裝箱船有其獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及設(shè)計要點，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計并運用有效的計算進行驗證，可以讓這一船型的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加優(yōu)化。希望本文能對將來的窄體集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計起到一定的啟發(fā)作用。