大型內(nèi)貿(mào)集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

仲琦，陳毓珍，于新鑫

(上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203)

目前國內(nèi)集裝箱運業(yè)發(fā)展勢頭好，國內(nèi)內(nèi)貿(mào)集裝箱船持續(xù)發(fā)展中，內(nèi)貿(mào)船舶大型化的需求日益強烈。內(nèi)貿(mào)集裝箱船服務(wù)航區(qū)僅為國內(nèi)近海、沿海，通常入級CCS。在設(shè)計僅需滿足國內(nèi)法規(guī)、規(guī)范，不受特定國際港口、規(guī)范法規(guī)的限制。4 500 TEU是目前國內(nèi)最大的系列內(nèi)貿(mào)集裝箱船之一。從船型特點出發(fā)，對大型內(nèi)貿(mào)集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點進行闡述。

1 船型特點

1)外貿(mào)集裝箱船由于受到原巴拿馬運河寬度的限制，通常4 000多箱級別的集裝箱船寬度只能32.2 m左右，導致這類巴拿馬型集裝箱船要通過增加船長獲得更多的箱位，通常其在7以上，有些甚至在9左右，而內(nèi)貿(mào)船舶由于沒有此航道限制，可以將船寬做大，縮短船長，本船約5.5。這樣的設(shè)計帶來如下好處。①船長縮短，減小船體承受的靜水和波浪彎矩和轉(zhuǎn)矩;②船寬增加，為船舶提供更大的剖面模數(shù)和剛度；③空船重量減輕，節(jié)省鋼料，降低建造成本。

2)型寬和艙寬對實肋板、舷側(cè)強框等橫向結(jié)構(gòu)的強度有決定性的影響，本船由于增大型寬和艙口寬度，給局部強度帶來了一定的挑戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)的規(guī)格尺寸會大于同箱數(shù)的外貿(mào)海船。

3)外貿(mào)船舶可能需要同時考慮危險品通風、冷藏箱壓縮機的通風與檢修、相關(guān)公約對通道的要求等諸多方面的設(shè)計需求，而內(nèi)貿(mào)船舶一般僅需滿足常規(guī)的操作空間。因此，艙壁尤其支撐艙壁(非水密艙壁)的寬度可以設(shè)計得很窄，例如，通常外貿(mào)集裝箱船艙壁至少為1.5 m以上，而內(nèi)貿(mào)集裝箱船可以做到1 m以下，甚至更窄，以此減輕空船重量。

4)寬大的貨艙和相對較弱的艙壁會增加大開口船舶的艙口變形，進而影響到艙蓋的設(shè)計，為了保證艙蓋的合理設(shè)計，同時兼顧結(jié)構(gòu)的輕量化，在設(shè)計艙蓋的布置時需要有特殊的考慮。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

2.1 UR S11A對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

2016年7月1日以后90 m以上集裝箱船或者主要用來裝載集裝箱的船舶需要滿足新規(guī)范UR S11A的要求，CCS在制定國內(nèi)航行海船的規(guī)范時也引入了這方面的內(nèi)容。相比之前的S11，新要求在計算集裝箱船的總縱強度時，考慮首部外飄的影響，對于首部外飄明顯的船舶,其中垂波浪彎矩的變化尤為明顯。波浪彎矩如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：中垂的非線性修正系數(shù)與船首外飄因子有直接的關(guān)系，主要體現(xiàn)了大外飄船舶在高海況下，船首拍擊對中垂彎矩的影響。通常外貿(mào)集裝箱船為了追求快速性等方面的性能，船首形狀尖瘦，但由于首樓甲板上的系泊、錨泊布置對面積的要求又較大，因此船首部大外飄線型也就是一種必然結(jié)果。

而內(nèi)貿(mào)集裝箱船對航速的要求較低，本船的服務(wù)航速僅為14.5 kn，兼顧施工便利性方面的考慮，首部線型比較豐滿，因此，S11A對本船的影響較小。為直觀體現(xiàn)此特點，本船與其他外貿(mào)集裝箱的對比見表1。

表1 不同集裝箱船外飄影響

表1數(shù)據(jù)體現(xiàn)出這一規(guī)律：兩型外貿(mào)船由于其外飄非常明顯，其外飄系數(shù)直接導致中垂彎矩遠遠大于中拱彎矩，而本文目標船由于外飄程度小，因此，UR S11A的影響相比要小很多。

2.2 UR S34對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

與UR S11A規(guī)范類似，為了保證船舶局部強度，尤其橫向強力構(gòu)件有足夠的強度，IACS在UR S34中規(guī)定了艙段有限元分析時需要的集裝箱船強制性裝載模式，CCS在制定國內(nèi)航行海船的要求時，也基本借鑒了UR S34的相關(guān)要求。本船由于船寬達40 m，相同寬度下，外貿(mào)箱船一般在6 000 TEU～7 000 TEU級別，因此，相比于4 000 TEU級別的外貿(mào)箱船，橫向強力支撐構(gòu)件的要求會更高。

進一步分析，規(guī)范中隔艙裝載工況及進水工況對本船橫向強度影響較大。一方面，對于本船典型裝載中不存在的隔艙裝載的情況，在以往設(shè)計中可以申請豁免，不做考慮，而新規(guī)范中隔艙裝載變?yōu)榱艘环N強制性計算工況，雖然從安全角度來講更為可靠，但對那些實際情況下無此裝載工況的船舶，該要求增加了空船重量和建造成本。

另一方面，本船作為內(nèi)貿(mào)船舶，通風及通道要求相對低，艙壁的寬度相對較小，而本船的艙寬達35.8 m，在計算進水工況時，對水密艙壁的桁材需要進行加強，在設(shè)計時，甚至在艙壁的頂端和底端需要同時增加橫向箱型結(jié)構(gòu)，才能滿足進水工況的強度要求，初步統(tǒng)計會導致每個水密橫艙壁區(qū)域增重約10%。

2.3 獨特的艙蓋限位器布置

集裝箱船艙蓋的設(shè)計往往非常關(guān)心貨艙的艙口變形，該數(shù)據(jù)不僅影響到艙蓋的密封問題，更對艙蓋沿船長方向限位器的布置影響很大。通常情況下，縱向限位器(向限位器)布置為順序布置，有些國內(nèi)航行的箱船為了輕量化布置，也有對稱放置的實例。本船由于艙寬寬度大，且艙壁寬度較小，為了更合理地控制艙口變形，同時不額外增加過多的加強結(jié)構(gòu)，采用了較為特殊的布置方式，布置方案及變形云圖見圖1、2。

圖1 限位器布置方案

圖2 變形位移云圖

為直觀體現(xiàn)該方案與常規(guī)方案的區(qū)別，列出設(shè)計過程中的4種方案，見表2。

表2 方案說明

考慮到艙蓋左右舷對稱，選取左舷和中間艙蓋限位位置(編號1～6，如圖1所示)作為分析對象，其變形量的結(jié)果見表3。

表3 各方案艙口圍的船長方向變形量 mm

限位器的設(shè)置主要考慮以下幾點因素。

1)存在集裝箱的左右兩側(cè)箱腳分別在2個艙蓋上的情況，為保證集裝箱不被拉扯變形，兩艙蓋間相對位移不超過箱腳相對滑移量。

2)存在一側(cè)在立柱，另一側(cè)在艙蓋上的集裝箱布置，立柱與艙蓋相對位移不超過箱腳滑移量。

3)風雨密艙蓋要保證密封性，艙口變形不宜過大。

4)艙蓋間應(yīng)考慮綁扎空間，前后兩艙艙蓋相對位移不宜過大。

基于上述考慮，艙口圍的相對變形由表3中對應(yīng)位置的位移差值可得，結(jié)果見表4。

表4 各方案的相對變形量 mm

最終本船采用方案4，該方案絕對變形最小，各類相對變形較為理想，能最大程度限制縱向變形。

2.4 支撐艙壁輕量化設(shè)計

支撐艙壁作為兩道水密艙壁之間的強力支撐結(jié)構(gòu)，除用來支撐集裝箱的導軌架以外，對于外貿(mào)箱船，有時還會布置用來冷藏集裝箱散熱、危險品通風的管路和提供船舶定期檢修、檢修維護設(shè)備的通道。本船由于裝載貨物類型較為單一，不需要額外考慮布置通風和通道的空間問題，僅需要保證定期船體檢驗的需求，因此，在設(shè)計該結(jié)構(gòu)時，在滿足支撐導軌架安裝布置的前提下，尺度應(yīng)盡可能縮小，使得重量最輕。

經(jīng)艙段有限元分析，水平桁材的應(yīng)力很小，主要是由于本船艙寬已達到艙深的2倍，水平桁的支撐作用弱，支撐艙壁上的水平桁材僅傳遞導軌架承受的集裝箱水平載荷，水平桁材的安全裕度較大，因而有輕量化的空間。同時，考慮到開孔形狀的應(yīng)力集中問題，基于艙段分析的結(jié)果，對水平桁材結(jié)構(gòu)中最為危險的區(qū)域進行細網(wǎng)格分析，應(yīng)力結(jié)果見圖3。

圖3 水平桁有限元分析結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)，即便做成鏤空結(jié)構(gòu)，支撐艙壁整體應(yīng)力水平基本沒有提高，約為313 MPa，滿足強度要求，分析開孔細化區(qū)域，孔邊緣的最大應(yīng)力僅約176 MPa，水平桁材結(jié)構(gòu)有足夠的安全裕度。經(jīng)上述優(yōu)化，每個支撐艙壁結(jié)構(gòu)可減輕重量約6%，輕量化效果非常可觀。

2.5 非中間艙的艙段分析

由于船體線型原因，通常會在首尾貨艙設(shè)置臺階以保證足夠的橫向強度，但是這會損失一些箱位。為使裝箱數(shù)最大，借鑒規(guī)范中的平行中體區(qū)域的有限元分析方法，選取機艙前的6、7艙作為分析對象，著重評估橫向強框結(jié)構(gòu)，將該結(jié)果作為參考應(yīng)用于后續(xù)的設(shè)計中。6、7艙模型和橫向結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見圖4、5。

圖4 第6、7艙段模型

圖5 第6、7艙橫向結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

在以往的設(shè)計中，由于未對該區(qū)域進行分析，出于安全考慮會在此區(qū)域增加臺階結(jié)構(gòu)以保證舷側(cè)與雙層底的剪切面積，有時也會采用局部增加厚度的方法。但根據(jù)實際情況分析，6、7艙雙層底實肋板的根部的應(yīng)力水平比預(yù)期低，設(shè)置臺階或局部增厚的方法雖是安全的，但比較保守。

以6艙和7艙應(yīng)力水平最高的橫向強框作為分析對象，即6、7艙艙中位置處的強框，其應(yīng)力和位移見圖6～9。

圖6 第6艙艙中橫向結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 第7艙艙中橫向結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖8 第6艙艙中橫向結(jié)構(gòu)垂向位移云圖

圖9 第7艙艙中橫向結(jié)構(gòu)垂向位移云圖

結(jié)合上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6艙橫向強框與平行中體形式類似，故舷側(cè)根部與實肋板的連接處也需要適當加厚；但7艙線型收縮，實際作用于雙層底的水壓力的垂向分量減小，7艙增加的臺階結(jié)構(gòu)與支撐艙壁相連，增強了對雙層底結(jié)構(gòu)的邊界約束，故相同的板厚下，應(yīng)力水平會比平行中體區(qū)域低。本船如果按照剪切面積等效的方法，雙層底實肋板根部板厚可能需要24 mm。經(jīng)有限元分析，即便板厚為20 mm，依然有將近30%的安全裕度。

而7艙結(jié)構(gòu)形式與平行中體不同，在根部增加了臺階結(jié)構(gòu)。通常情況下，可能會認為增加的臺階結(jié)構(gòu)相當于舷側(cè)的一部分，將臺階結(jié)構(gòu)作為約束實肋板的邊界。按照此假設(shè)，實肋板根部的板厚會增加很多。但分析發(fā)現(xiàn)，船體底部結(jié)構(gòu)變形的起點依然是底部結(jié)構(gòu)與舷側(cè)內(nèi)殼相交的位置；以圖8、9為例，在兩種橫向結(jié)構(gòu)的垂向位移云圖中，位移的分布趨勢非常相似，整個舷側(cè)結(jié)構(gòu)位移變化很小(0～3 mm之間)，而從舷側(cè)結(jié)構(gòu)根部向?qū)嵗甙宸较蛭灰谱兓荻容^大(在實肋板根部區(qū)域，4個網(wǎng)格長度3～12 mm)。這是由于臺階結(jié)構(gòu)尺度遠小于舷側(cè)結(jié)構(gòu)且隔板有很大的開孔，其約束能力非常有限，分析時應(yīng)作為實肋板的一部分來考慮，與臺階相連的實肋板的剪力不會與根部一樣大。而在真正的根部位置，由于設(shè)置了臺階結(jié)構(gòu)，應(yīng)力水平也比平行中體區(qū)域的實肋板根部低。本船該位置板厚按照根部剪切面積等效的方法需要22 mm，如果按照非根部位置估算，此處的板厚也需要16 mm；但實際分析時，一方面由于不是實肋板真正的根部，另一方面載荷與邊界條件也比平行中體更理想，故最終的結(jié)果是，板厚僅11 mm時，安全裕度就有20%。

3 結(jié)論

1)由于大型內(nèi)貿(mào)集裝箱船舶航速較低、船首外飄較小，UR S11A對其總縱彎矩的影響較小。

2)UR S34對艙壁結(jié)構(gòu)較弱的內(nèi)貿(mào)集裝箱船舶影響較大，該要求會增加相當?shù)目沾亓?。設(shè)計時需要特別關(guān)注強制要求的隔艙裝載工況和進水工況。

3)通過有限元分析并結(jié)合內(nèi)貿(mào)船舶特點，提出了艙口蓋限位器的特殊布置與支撐艙壁的輕量化設(shè)計的方案，可供類似船舶參考。

4)非中間艙橫向強框結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果表明，按照補償剪切面積的方式來估算板厚是足夠安全的，但過于保守；有臺階處的實肋板可將臺階和實肋板視為一個變截面梁分析，可有效減小板厚，使設(shè)計更經(jīng)濟。