基于疲勞強(qiáng)度的超大型集裝船角隅優(yōu)化設(shè)計

陳磊，劉奕謙，李丹丹，王有成

(1. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2. 江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

近些年來隨著集裝船大型化的發(fā)展，MARIC已經(jīng)相繼承接了20000 TEU，21000 TEU和22000 TEU集裝箱船詳細(xì)設(shè)計工作。由于超大型集裝箱船的船長大于350 m，1階自然頻率低于0.5 Hz，橫向開口尺度達(dá)到了船寬的90%，船體梁的剛度較差，角隅的應(yīng)力集中現(xiàn)象越發(fā)明顯，如何解決角隅的疲勞問題成為設(shè)計過程中一項重要工作。對于貨艙內(nèi)箱角角隅的形式國內(nèi)鮮有研究，而對于艙口角隅，目前的研究更多集中于計算方法的研究[1-4]以及圓弧和橢圓弧形式的角隅研究[5-6]，通過幾條超大型集裝箱船的實船設(shè)計工作，發(fā)現(xiàn)簡單的圓弧和橢圓弧已經(jīng)難以滿足疲勞強(qiáng)度的要求，需要對角隅形式作出進(jìn)一步的優(yōu)化。

1 貨艙內(nèi)20 ft角隅優(yōu)化設(shè)計

集裝箱船常規(guī)設(shè)計是在貨艙內(nèi)平均分布3個強(qiáng)框，國內(nèi)建造的集裝箱船的1個艙長一般是12.6 m，平均后，強(qiáng)框間距為3.15 m，肋距為787.5 mm，首尾貨艙20 ft箱位的形式如圖1所示。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是貨艙內(nèi)的縱骨跨距相同，對骨材的利用率較高。同時在1個貨艙內(nèi)肋距為統(tǒng)一的787.5 mm，對船廠建造時的定位也比較有利。但這種布置存在2個比較明顯的缺點(diǎn)：1) 艙中的強(qiáng)框位于2個20 ft集裝箱中間，因此在其兩側(cè)都需要設(shè)置集裝箱箱角加強(qiáng)肘板，其與強(qiáng)框間距較小，船廠施工時較為困難；2）在首尾貨艙區(qū)域，當(dāng)線型變化出現(xiàn)20 ft箱位時，集裝箱與強(qiáng)框的間隙只有38 mm。對于圖1中云線處的角隅，如果發(fā)生疲勞問題，很難通過增加圓弧半徑來改善疲勞壽命，只能增加板厚來解決，容易造成嵌厚板板厚過大，需要較多過渡板進(jìn)行板厚過渡，對船廠生產(chǎn)的精度控制較為不利。

隨著集裝箱尺度的逐步增大，角隅的疲勞問題日益凸顯。為了解決上述的缺點(diǎn)，目前大型集裝箱船上往往采用變間距的強(qiáng)框布置，如圖2所示。貨艙中間的強(qiáng)框與箱角對齊，省去一排箱角加強(qiáng)肘板。強(qiáng)框的間距為2×3 256+2×3 044 mm（=12.6 m），肋距分別為814 mm和761 mm。為了解決貨艙內(nèi)角隅疲勞問題，在首尾區(qū)域?qū)⒋髲?qiáng)框間距布置在20 ft箱位內(nèi)，集裝箱與強(qiáng)框間距與之前相比增大到250 mm，這樣就可以通過增大角隅半徑來改善疲勞強(qiáng)度。

圖 1 等間距強(qiáng)框布置20 ft箱位Fig. 120 feet container slot in equal transverse web arrangement

圖 2 變間距強(qiáng)框布置20 ft箱位Fig. 220 feet container slot in various transverse web arrangement

2 貨艙內(nèi)箱角角隅優(yōu)化設(shè)計

圖3為針對同一位置設(shè)計的兩類不同的角隅形式。左邊是雙圓弧形式（圓弧半徑都為200 mm），箱角的加強(qiáng)肘板都位于平臺下，對于船廠而言，裝配較為簡單，在分段裝配階段就可以組裝完成，但由于角隅半徑較小，疲勞強(qiáng)度不高；右邊的單圓弧形式（圓弧半徑為470 mm），圓弧半徑大，疲勞壽命好，相較前一種需要設(shè)備商布置2塊墊板，而加強(qiáng)肘板需要直接與墊板焊接，使得該肘板無法在分段建造過程中進(jìn)行裝配，其形狀也比較“怪異”，裝配過程中需要船廠有較好的精度控制能力，同時焊接、打磨和涂裝的工作空間較前一種也小很多，不利于船廠的裝配施工，因此建議只在高應(yīng)力區(qū)域采用該種形式的角隅。

圖 3 典型艙內(nèi)箱角角隅對比Fig. 3Comparison between typical container support hatch corner

對于上述2種角隅形式，參照LR船級社規(guī)范和指導(dǎo)文件[7-8]進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力及疲勞壽命的評估（疲勞壽命考慮了顫振的影響）。從表1可以發(fā)現(xiàn)，雖然單圓弧的角隅從應(yīng)力和疲勞壽命上較雙圓弧形式都有所提高，但并不需要在艙內(nèi)全部采用單圓弧角隅形式，為了簡化船廠的建造，在艙內(nèi)應(yīng)力水平較低的區(qū)域仍建議采用雙圓弧角隅形式。

表 1 不同角隅形式應(yīng)力疲勞計算結(jié)果Tab. 1Stress and fatigue life result for several corner hatches

3 艙口角隅優(yōu)化設(shè)計

對于主甲板和艙口圍頂板的艙口角隅，在設(shè)計時主要受到導(dǎo)軌或?qū)ь^的影響，圖4為典型的主甲板角隅形式，采用了典型的圓弧形式。對于超大型集裝船艙口角隅圓弧距導(dǎo)軌或?qū)ь^一般在20～40 mm左右，這個距離既取決于導(dǎo)軌或?qū)ь^的大小，同時還取決于船廠的建造精度，由于船廠的建造順序一般是由下往上，因此越靠近艙口圍頂板，該間隙留的越大。

圖 4 主甲板典型艙口角隅Fig. 4Upper deck typical hatch corner

對于應(yīng)力水平或疲勞壽命不滿足要求的角隅，優(yōu)先選擇增加板厚，由于角隅板一般為嵌入式厚板，增加板厚并不會明顯增加重量，對疲勞壽命的改進(jìn)也比較有效，對于有限元計算而言，不改變形狀而只是改變板厚是最為快捷的方法。但由于主甲板及艙口圍的板厚一般已經(jīng)使用了全船最厚的板，板厚已無法增加，同時導(dǎo)軌距集裝箱的距離是固定的，因此受限于導(dǎo)軌的位置，艙口角隅的形狀可以變化的余地也有限。無論是進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力或是基于彈振的疲勞分析，模型的準(zhǔn)備和計算都非常耗時，在實船設(shè)計過程中無法進(jìn)行大量的方案驗證。將以圖4的主甲板角隅為例介紹角隅形式優(yōu)化的思路。

對原始的R700圓弧角隅參照LR規(guī)范進(jìn)行了細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力計算和疲勞壽命計算，詳見表2。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，圓弧角隅上的應(yīng)力不滿足規(guī)范要求。通過大量角隅實例的計算，發(fā)現(xiàn)由于總縱彎曲引起的最大應(yīng)力在大約離開縱壁15°～20°的圓弧位置，而扭轉(zhuǎn)引起的最大應(yīng)力在離開縱壁大約45°處，對于彎扭組合的情況，最大應(yīng)力出現(xiàn)在離開縱壁大約25°～30°，由于每個角隅的應(yīng)力成分組成不同，因此最大應(yīng)力的出現(xiàn)位置也不同。為了最大程度地降低應(yīng)力水平和應(yīng)力集中程度，可采用了兩段圓弧相接的形式。

表 2 三種角隅方案應(yīng)力水平及疲勞壽命計算結(jié)果Tab. 2Stress and fatigue life result for 3 hatch corner proposals

圖 5 雙圓弧角隅細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力計算結(jié)果Fig. 5Stress result of 2-round hatch corner

對于兩段圓弧相接的形式可以有無窮多種組合情況，對于上述的主甲板角隅，首先設(shè)計了圖6（a）的角隅形式，通過計算發(fā)現(xiàn)應(yīng)力不滿足要求的單元主要分布在2個圓弧的結(jié)合處，其中大部分位于R560的圓弧上，因此修改的思路是將大圓弧半徑改小，讓其在整個角隅中的占比增大，基本涵蓋不滿足應(yīng)力要求的單元，改進(jìn)后的方案如圖6（b）。無論從應(yīng)力水平還是疲勞壽命都較原始方案有了大幅度的改善，因此雙圓弧角隅中的圓弧半徑并不是決定因素，關(guān)鍵在于根據(jù)應(yīng)力分布尋找到最優(yōu)的圓弧組合。

4 結(jié) 語

1）對于超大型集裝箱船，采用變間距強(qiáng)框的方式，增大了集裝箱與橫向強(qiáng)框的距離，從而通過增大角隅半徑的方法可以改善疲勞壽命。

圖 6 兩個圓弧相接的角隅形式Fig. 62-round shape hatch corner

2）對艙內(nèi)箱角角隅的形式進(jìn)行優(yōu)化，通過在高應(yīng)力區(qū)域采用改進(jìn)的單圓弧角隅形式來提高疲勞壽命

3）對于主甲板或艙口圍頂板角隅，可以采用兩段圓弧相接的角隅形式代替常規(guī)的橢圓或圓弧角隅，兩圓弧相接的形式并非半徑越大越好，關(guān)鍵在于根據(jù)角隅的實際的應(yīng)力分布選擇合適的圓弧比例，通過計算發(fā)現(xiàn)，該形式可以有效的提高角隅疲勞壽命。