1400 TEU 內(nèi)貿(mào)集裝箱船結(jié)構(gòu)優(yōu)化及振動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)

羅偉，仲琦，吳剛，羅鎮(zhèn)泉

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

1400TEU 內(nèi)貿(mào)集裝箱船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院為福建泉州安盛船務(wù)有限公司開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的新型內(nèi)貿(mào)集裝船， 由山東蓬萊中柏京魯船廠建造，入CCS 船級(jí)。 該系列船目前已經(jīng)全部交付，性能指標(biāo)優(yōu)異，全船振動(dòng)和噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都顯著低于船級(jí)社規(guī)范要求。

該集裝箱船為單甲板、單機(jī)、單槳、傾斜船首帶小球鼻和方尾的尾機(jī)型船舶， 設(shè)有連續(xù)干舷上甲板，7 道水密艙壁將主船體分隔成首尾尖艙、機(jī)艙和貨艙等不同的功能區(qū)，機(jī)艙位于船尾部，首部設(shè)側(cè)推裝置，首側(cè)推艙兼應(yīng)急消防泵艙。 上層建筑位于機(jī)艙上部包括駕駛室共7 層。 貨艙區(qū)域?yàn)殡p舷側(cè)雙層底，共有5 個(gè)貨艙，每個(gè)貨艙口配置吊離式艙口蓋，不設(shè)起貨設(shè)備。 裝載貨物不包含危險(xiǎn)品，貨艙內(nèi)不裝載冷藏集裝箱。 總布置圖和實(shí)船圖片如圖1 和圖2 所示，主要尺度如下：

圖1 總布置圖

圖2 實(shí)船圖片

總 長(zhǎng) 約159.50 m垂線間長(zhǎng) 154.00 m型 寬 25.00 m型 深 13.50 m設(shè)計(jì)吃水 8.70 m結(jié)構(gòu)吃水 9.00 m船級(jí)符號(hào)：

★CSAD，集裝箱船，近海航區(qū)，Ice Class B，裝載儀（S，I），F(xiàn)TP，Green Ship 1

★CSMD，MCC，BRC

與常規(guī)集裝箱船相比， 內(nèi)貿(mào)集裝箱普遍較重，單箱重量可達(dá)20～30 t，為了提高船舶載重量，貫徹輕量化設(shè)計(jì)理念，有效降低船舶自身重量顯得尤為重要。 在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，總體專業(yè)通過(guò)優(yōu)化調(diào)整壓載、燃油、淡水艙布置，最大限度降低船舶靜水彎矩剪力，在船體外板和縱骨尺寸不變的情況下，提高了總縱強(qiáng)度裕度。 在設(shè)備材料方面，盡量選擇輕量化舾裝件，如艙蓋、立柱、導(dǎo)軌、系泊屬具、內(nèi)裝材料、電纜托架等，以減小產(chǎn)品自重。 下文主要針對(duì)內(nèi)貿(mào)船型特點(diǎn)，闡述貨艙支撐艙壁結(jié)構(gòu)、貨艙區(qū)管弄結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的全船振動(dòng)分析。

1 支撐艙壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1400 TEU 內(nèi)貿(mào)集裝箱船裝載的貨物中不包含危險(xiǎn)品，貨艙內(nèi)也未設(shè)置冷藏集裝箱，沒(méi)有散熱方面的需求，貨艙通風(fēng)為自然通風(fēng)。 在通道設(shè)計(jì)方面，需要滿足“澳通”等特殊通道要求。 基于上述特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)貨艙支撐艙壁時(shí)，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化方面進(jìn)行論證分析，得到輕量化的艙壁設(shè)計(jì)方案。

1.1 甲板條寬度及艙蓋限位器布置

在1400 TEU 內(nèi)貿(mào)集裝箱船不需要額外考慮通道、通風(fēng)布置等特殊要求，只需從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度角度來(lái)考慮。 將甲板條寬度設(shè)為1、2、3 檔肋距的3 種支撐假艙壁結(jié)構(gòu)， 分別對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證分析，以找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過(guò)有限元分析計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)支撐假艙壁結(jié)構(gòu)影響最大的工況是縱蕩工況。 在縱蕩工況時(shí)，艙內(nèi)及艙蓋上集裝箱由于船舶縱向加速度產(chǎn)生縱向載荷，支撐假艙壁結(jié)構(gòu)的橫向甲板條和垂直桁尤其是橫向抗扭箱區(qū)域承受集裝箱的縱向載荷，發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，局部應(yīng)力可能超出標(biāo)準(zhǔn)。

按照常規(guī)艙口蓋限位器的布置方式，在相同受力情況下，不同甲板條寬度的支撐假艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖結(jié)果和應(yīng)力橫準(zhǔn)比值見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 不同甲板條寬度支撐假艙壁應(yīng)力云圖

圖4 不同甲板條寬度方案結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力與橫準(zhǔn)應(yīng)力比值

計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 甲板條寬度只有1 檔肋距時(shí)，在橫向甲板條上設(shè)置艙蓋縱向限位器后，假艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)衡準(zhǔn)要求，采用直接增加板厚的方法很難滿足；而甲板條寬度達(dá)到2 檔肋距時(shí)，情況有明顯改觀，即便使用普通鋼，應(yīng)力值還有一定的余量；而甲板條寬度達(dá)到3 檔肋距時(shí)，應(yīng)力就很低了，余量較大。

基于上述分析，若要最輕量化艙壁結(jié)構(gòu)，對(duì)于內(nèi)貿(mào)集裝箱船支撐假艙壁可設(shè)置1 檔肋距，同時(shí)不在假艙壁橫向甲板條上設(shè)置艙蓋縱向限位器，即假艙壁橫向甲板條不承受艙蓋上集裝箱的縱向載荷，而將艙蓋的縱向限位器設(shè)置在水密艙壁結(jié)構(gòu)上。 該船水密艙壁兼做油艙，為保證油艙艙容，水密艙壁設(shè)置在2 檔肋距以上，只需要稍做加強(qiáng)便能滿足衡準(zhǔn)要求。

支撐假艙壁設(shè)置為1 檔肋距，且假艙壁甲板條上不設(shè)置縱向艙蓋限位器的計(jì)算結(jié)果如表1 所示，其中：LC1 為考慮艙蓋及艙內(nèi)集裝箱載荷的工況；LC2 為僅考慮艙蓋上集裝箱載荷的工況。

表1 集裝箱縱向載荷對(duì)假艙壁甲板條的影響

根據(jù)表1 結(jié)果可知，艙蓋集裝箱縱向載荷是影響該結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的主要因素，橫向抗扭箱區(qū)域的主甲板條應(yīng)力比其他水平橫隔板大很多，需重點(diǎn)關(guān)注。 在不設(shè)置縱向艙蓋限位器的情況下，主甲板條為1 檔肋位的支撐假艙壁結(jié)構(gòu)能滿足應(yīng)力衡準(zhǔn)要求，實(shí)現(xiàn)了貨艙結(jié)構(gòu)重量輕量化的目的。

1.2 支撐假艙壁垂直桁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

支撐假艙壁結(jié)構(gòu)的垂直桁材是承擔(dān)艙蓋上集裝箱垂向力載荷的主要構(gòu)件，對(duì)于比較窄的支撐艙壁來(lái)說(shuō)，上述垂向載荷也是影響垂直桁材構(gòu)件尺寸的主要因素。 前期評(píng)估時(shí)為了快速得到結(jié)果，將支撐艙壁模型簡(jiǎn)化為梁系模型，如圖5 所示，可以看到，垂直桁是平臺(tái)多跨梁的彈簧約束，中間垂直桁的約束反力最大。 垂直桁的垂向正應(yīng)力也相對(duì)較大， 見(jiàn)圖6， 最中間的3 根垂直桁支撐作用尤為明顯，越靠近舷側(cè)則作用越小。 因此，可選擇隔檔設(shè)置垂直桁，即取消1 根垂直桁。

圖5 支撐艙壁梁系模型

圖6 垂向載荷作用下的垂直桁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)梁系初步評(píng)估結(jié)果， 去掉1 根垂直桁后，后續(xù)艙段有限元分析假艙壁結(jié)構(gòu)在縱蕩工況下的應(yīng)力云圖如圖7 所示， 垂直桁上的最大應(yīng)力為94.40 MPa，小于規(guī)范許用應(yīng)力，橫向抗扭箱的應(yīng)力值也滿足規(guī)范要求。

圖7 垂直桁有限元應(yīng)力結(jié)果

2 貨艙區(qū)管弄優(yōu)化

按照CCS 《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2015）第2.6.3.2 條的要求，箱形中桁材在每檔肋位上都應(yīng)設(shè)置船底骨材和內(nèi)底骨材，管弄結(jié)構(gòu)在每檔肋位上均需設(shè)置實(shí)肋板。 為了降低空船重量，將實(shí)肋板改為隔檔設(shè)置，優(yōu)化布置管弄結(jié)構(gòu)，在實(shí)肋板之間的中桁材兩側(cè)設(shè)置通達(dá)鄰近縱骨的肘板，如圖8 所示。

圖8 船底管弄布置

貨艙管弄區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，進(jìn)行艙段有限元分析計(jì)算， 雙層底構(gòu)件等效應(yīng)力最大值小于規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖如圖9 所示。 結(jié)果表明，管弄雙層底區(qū)域的實(shí)肋板、船底縱桁、箱型中桁材的環(huán)形強(qiáng)框等構(gòu)件的等效應(yīng)力、剪應(yīng)力及板格屈曲的安全因子均小于規(guī)范衡準(zhǔn)要求。 CCS 規(guī)范所的專家認(rèn)可了上述管弄優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并且在2018 版《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》中增加了“對(duì)于船長(zhǎng)為150 m 及以上的集裝箱船，雙層底結(jié)構(gòu)可按本章7.9.10 的要求”條款，即箱型中桁材的環(huán)形強(qiáng)框的內(nèi)底及船底橫向桁材滿足規(guī)范的模數(shù)要求后可隔檔設(shè)置。 通過(guò)管弄優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)重量相較于原設(shè)計(jì)減少約22 t。

圖9 船底管弄區(qū)域應(yīng)力云圖

3 振動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)

3.1 振動(dòng)優(yōu)化方案

為實(shí)現(xiàn)較高的裝載量和裝箱數(shù)， 貨艙開(kāi)口寬且長(zhǎng)，加上甲板條和橫艙壁輕量化設(shè)計(jì)，使得集裝箱船與其他船型相比，船舶整體剛度下降，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度降低，振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)更為突出。 另外，該船上層建筑共有7 層甲板室，高且窄的特點(diǎn)容易造成上層建筑整體振動(dòng)響應(yīng)過(guò)大，尤其是縱向振動(dòng)。為了達(dá)到良好減振效果，在前期設(shè)計(jì)中采取以下措施：

1）上建甲板采用縱骨架式，增加縱向剛度；

2） 將B 甲板、駕駛甲板平臺(tái)與煙囪連接成一體，增加煙囪總體剛度；

3）在駕駛甲板橋翼增加縱向支撐結(jié)構(gòu)；

4）適當(dāng)調(diào)整發(fā)電機(jī)布置位置，減少發(fā)電機(jī)振動(dòng)。

在完成基本設(shè)計(jì)后，進(jìn)行全船振動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)分析，對(duì)可能發(fā)生的有害振動(dòng)進(jìn)行干預(yù)，進(jìn)一步采取減振措施。

3.2 模態(tài)分析

振動(dòng)評(píng)估包括滿載出港及壓載到港兩個(gè)工況，船體垂向、水平以及扭轉(zhuǎn)總振動(dòng)固有頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，振型圖見(jiàn)圖10～圖15。

表2 全船總振頻率計(jì)算值

圖10 一階垂向振動(dòng)模態(tài)

圖11 二階垂向振動(dòng)模態(tài)

圖12 一階水平振動(dòng)模態(tài)

圖13 二階水平振動(dòng)模態(tài)

圖14 一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)

圖15 二階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)

滿載出港工況和壓載到港工況的垂向振動(dòng)、水平及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)前兩階固有頻率與主機(jī)二階頻率及螺旋槳葉頻、倍葉頻均錯(cuò)開(kāi)10%以上，避開(kāi)共振區(qū)間，滿足頻率儲(chǔ)備要求。

3.3 響應(yīng)分析

局部響應(yīng)選取重點(diǎn)關(guān)注的生活和工作處所共計(jì)21 個(gè)計(jì)算點(diǎn)， 分析滿載出港和壓載到港工況各個(gè)計(jì)算點(diǎn)在全轉(zhuǎn)速周期內(nèi)的響應(yīng)值以及響應(yīng)峰值出現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，重點(diǎn)是CSR 轉(zhuǎn)速（123 r/min）時(shí)的響應(yīng)值，計(jì)算點(diǎn)的選取見(jiàn)圖16。 表3 為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域壓載工況響應(yīng)計(jì)算值。

表3 壓載工況局部響應(yīng)計(jì)算值 單位：mm/s

圖16 響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)位置

因前期設(shè)計(jì)時(shí)采取了較多的減振措施，壓載工況振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算值遠(yuǎn)低于ISO 標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)船試航測(cè)量結(jié)果與計(jì)算值相近，驗(yàn)證了振動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)分析結(jié)果的可信度。

4 結(jié)語(yǔ)

1400 TEU 內(nèi)貿(mào)集裝箱船， 通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。 主要體現(xiàn)在滿足規(guī)范強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，調(diào)整艙蓋限位器布置，減小貨艙甲板條寬度，減少支撐艙壁垂直桁數(shù)量。 同時(shí)依據(jù)艙段有限元分析結(jié)果，將貨艙雙層底管弄強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)由每檔肋位設(shè)置改為隔檔設(shè)置，并得到CCS認(rèn)可。 全船振動(dòng)響應(yīng)分析和實(shí)船試航測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了振動(dòng)預(yù)報(bào)分析的準(zhǔn)確性和有效性，同時(shí)也證明了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的可行性。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷優(yōu)化的過(guò)程，希望文中闡述的優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和方法可以為后續(xù)同類船型設(shè)計(jì)提供借鑒和幫助。