集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估中的破損工況

徐 敏，湯明文，王 剛

（中國(guó)船級(jí)社 規(guī)范與技術(shù)中心，上海 200135）

0 引 言

近年來(lái)，集裝箱船[1-2]碰撞事故頻發(fā)，船體破損[3-4]進(jìn)水之后的浮態(tài)和穩(wěn)性會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于進(jìn)水的艙室而言，由于水壓的存在，其局部載荷會(huì)發(fā)生改變，對(duì)平衡之后的水密周界和相連構(gòu)件產(chǎn)生影響。

按照UR S34[5]的要求，國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)建議船級(jí)社在進(jìn)行貨艙段有限元強(qiáng)度評(píng)估時(shí)各自考慮破損工況。因此，為確保集裝箱船貨艙段結(jié)構(gòu)（特別是水密艙壁及其相連結(jié)構(gòu)）的完整性，應(yīng)確立相應(yīng)的計(jì)算工況，并對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。本文在上述背景下采用艙段有限元方法進(jìn)行相關(guān)研究。

1 工況設(shè)計(jì)

在貨艙破損工況下，應(yīng)有效評(píng)估水密艙壁及其相連結(jié)構(gòu)在進(jìn)水狀態(tài)下的響應(yīng)。集裝箱船每個(gè)貨艙兩端都布置有1道水密橫艙壁，貨艙中間布置有1道或2道非水密支撐艙壁。因此，單艙破損之后，該貨艙必然在縱向上處于進(jìn)水狀態(tài)。若破損從船底或舷側(cè)開(kāi)始，最終結(jié)果可能是貨艙及一舷的雙層底和舷側(cè)邊壓載艙同時(shí)進(jìn)水，船舶橫傾變大；若左舷和右舷都破損，貨艙及左右舷的雙層底和邊壓載艙都進(jìn)水，則船舶沒(méi)有橫傾，處于正浮狀態(tài)。這2種情況都會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)。

根據(jù)UR S34的要求，艙段計(jì)算需包含“一個(gè)40ft（1ft≈0.3048m）箱位空艙”工況。因此，破損之后應(yīng)考慮在艙蓋上裝箱和艙蓋上不裝箱2種情況。

通過(guò)以上分析和簡(jiǎn)化計(jì)算，初步確立以下4種工況，由此確定最終工況。

1) 工況1：橫傾、破損貨艙艙內(nèi)空、艙蓋上裝箱；

2) 工況2：橫傾、破損貨艙艙內(nèi)空、艙蓋上空；

3) 工況3：正浮、破損貨艙艙內(nèi)空、艙蓋上裝箱；

4) 工況4：正浮、破損貨艙艙內(nèi)空、艙蓋上空。

假設(shè)船舶在這4種工況下都處于準(zhǔn)靜狀態(tài)，破損工況簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 破損工況簡(jiǎn)圖

2 載荷和邊界條件

在破損工況下，進(jìn)水艙原艙內(nèi)的集裝箱載荷變成進(jìn)水壓力，壓載艙或空艙水壓力增加。集裝箱船一般應(yīng)計(jì)算其破損穩(wěn)性，方法不一，但最終會(huì)確定一條最深平衡水線。進(jìn)水載荷破損點(diǎn)的最大高度ddam2和中縱剖面處的ddam就由此確定。艙段有限元模型縱向覆蓋船中貨艙區(qū)域的“1/2個(gè)貨艙+1個(gè)貨艙+1/2個(gè)貨艙”范圍，橫向?yàn)槿珜挿秶?，垂向?yàn)榇字僚摽趪Y(jié)構(gòu)范圍。計(jì)算時(shí)，在模型兩端施加相應(yīng)的邊界條件。

3 強(qiáng)度評(píng)估衡準(zhǔn)

通過(guò)分析，確定一套關(guān)于水密橫艙壁及其相連結(jié)構(gòu)的評(píng)估衡準(zhǔn)，具體見(jiàn)表1和表2。

表1 屈服評(píng)估衡準(zhǔn)

表2 屈曲評(píng)估衡準(zhǔn)

4 實(shí)船驗(yàn)證

4.1 基本參數(shù)

對(duì)某超大型集裝箱船進(jìn)行實(shí)船計(jì)算，該船的基本參數(shù)見(jiàn)表3，船體采用普通鋼、32鋼、36鋼和40鋼設(shè)計(jì)。

表3 實(shí)船基本參數(shù)

4.2 計(jì)算模型

根據(jù)加載示意建立有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 有限元計(jì)算模型

4.3 結(jié)果分析

首先對(duì)破損之后橫傾2種工況（工況1和工況2）下的評(píng)估構(gòu)件進(jìn)行屈服強(qiáng)度對(duì)比分析。2種工況下構(gòu)件的屈服利用率（與許用應(yīng)力的比值）見(jiàn)表4。

表4 工況1和工況2屈服利用率結(jié)果

從表4中可看出，對(duì)于破損工況，工況1和工況2下水密橫艙壁及其相連結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)非常接近，但貨艙艙蓋上裝箱比不裝箱更危險(xiǎn)，而通過(guò)另外的比較也能證明抗扭箱的主導(dǎo)載荷工況不是破損工況。因此，工況1基本上可覆蓋工況2，工況3基本上可覆蓋工況4。

接著對(duì)破損之后橫傾或正浮2種工況（即工況1和工況3）下的評(píng)估構(gòu)件進(jìn)行屈服強(qiáng)度對(duì)比分析，2種工況下各構(gòu)件的屈服利用率（與許用應(yīng)力的比值）見(jiàn)表5。

表5 工況1和工況3屈服利用率結(jié)果

從表5中可看出，水密橫艙壁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件采用橫傾加載方法得到的最大應(yīng)力都比正浮加載方法大一些。特別是在邊艙平臺(tái)與水密橫艙壁連接處和水密橫艙壁水平桁端部，二者的計(jì)算結(jié)果相差較大，其主要原因是橫傾之后，在局部形成更高的水壓，使得應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力更大。實(shí)際情況下，一舷破損和左右舷均破損皆有可能，而船體貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)一般均為左右舷對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為保證水密橫艙壁結(jié)構(gòu)的安全性，采用工況1的方案較為合理，該工況可基本覆蓋工況3。

工況1下部分評(píng)估構(gòu)件的屈服應(yīng)力云圖和屈曲結(jié)果云圖見(jiàn)圖3。

圖3 工況1下部分評(píng)估構(gòu)件的屈服應(yīng)力云圖和屈曲結(jié)果云圖

從表4和圖3中可看出：

1) 在破損之后達(dá)到最終的進(jìn)水平衡狀態(tài)時(shí)，實(shí)船貨艙區(qū)域大部分橫向構(gòu)件的屈服和屈曲能力都有一定的余量。

2) 邊艙縱向平臺(tái)和橫艙壁垂直桁材的屈服已接近或略超過(guò)許用衡準(zhǔn)。邊艙縱向平臺(tái)在破損工況下的高應(yīng)力區(qū)域在距離基線12568mm 的平臺(tái)與水密橫艙壁水平桁連接處；橫艙壁垂直桁在破損工況下的高應(yīng)力區(qū)域在垂直桁與雙層底縱桁連接處。這些高應(yīng)力區(qū)域都是橫向構(gòu)件與縱向構(gòu)件連接處，結(jié)構(gòu)突變，在局部載荷作用下形成大變形和應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3) 橫艙壁水平桁的屈服超過(guò)許用衡準(zhǔn)39%，其屈曲也有一定的問(wèn)題，位置為水平桁與平臺(tái)連接處。經(jīng)分析，該處因進(jìn)水之后橫向不對(duì)稱(chēng)水壓的作用，傾斜一側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。對(duì)于該位置的結(jié)構(gòu)，可對(duì)其進(jìn)行軟化，局部應(yīng)適當(dāng)作加厚處理。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文確立的用于評(píng)估破損之后貨艙區(qū)域水密及相連構(gòu)件強(qiáng)度的4種工況和評(píng)估衡準(zhǔn)較為全面。實(shí)船分析結(jié)果表明，該方法是有效的，可在設(shè)計(jì)集裝箱船時(shí)采用該方法確定貨艙區(qū)域水密及相連構(gòu)件的尺寸。

貨艙破損之后，對(duì)應(yīng)進(jìn)水貨艙上部裝集裝箱相比不裝集裝箱更危險(xiǎn)；橫傾狀態(tài)相比正浮狀態(tài)更危險(xiǎn)。橫傾和破損貨艙艙內(nèi)空、艙蓋上裝箱為主導(dǎo)工況，可覆蓋其他破損工況，評(píng)估時(shí)可僅評(píng)估該工況。