超大型集裝箱船特殊布置結(jié)構(gòu)直接建模計(jì)算評估法

徐 敏，王旌生

（中國船級社審圖中心，上海 200135）

0 引 言

集裝箱船是國際航運(yùn)市場上的主要船型之一，因其裝卸效率高、航速快以及貨物安全性好而備受市場的青睞，在航運(yùn)市場占有重要的地位。隨著世界集裝箱運(yùn)輸市場競爭的日益激烈，為了提高集裝箱的運(yùn)輸效率[1]和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，集裝箱船正日趨大型化[2,3]。超大型集裝箱船相比常規(guī)船型，具有以下特點(diǎn)：1) 方形系數(shù)一般在0.7左右；2) 航速可達(dá)到25kn；3) 甲板開口的寬度>0.89船寬；4) 較大的舷側(cè)外飄；5) 船長可達(dá)400m左右。

集裝箱船的大開口特點(diǎn)，使船體梁的抗扭轉(zhuǎn)剛度大大下降，在波浪、貨物扭矩的共同作用下，會產(chǎn)生較大的翹曲應(yīng)力，受到國內(nèi)外學(xué)者和專家們的廣泛關(guān)注，因此關(guān)于集裝箱船結(jié)構(gòu)方面的研究，大多數(shù)都集中在如何進(jìn)行性能優(yōu)化、整船波浪載荷預(yù)報(bào)和整船結(jié)構(gòu)分析[4～8]，而對超大型集裝箱船的某些特殊結(jié)構(gòu)布置則研究甚少，重油艙布置于船中區(qū)域這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是其中之一。為了解決存在的技術(shù)難點(diǎn)，符合越來越嚴(yán)格的規(guī)范要求，設(shè)計(jì)人員對油艙布置作出較大的改變，將以往普通船型布置于船尾的重油艙，置于船中區(qū)域。顯然這對船型優(yōu)化有很好的作用，但也對重油艙結(jié)構(gòu)校核帶來了新的問題。目前，如何對該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行直接計(jì)算，多數(shù)船級社沒有相關(guān)明確的規(guī)范。經(jīng)過充分分析船中重油艙所受到的外部載荷條件，通過獨(dú)立建模，確定載荷和邊界條件，采用有限元直接計(jì)算法，分 10個(gè)計(jì)算工況，對某超大型集裝箱船的船中重油艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析。

1 重油艙區(qū)域載荷分析

各大船級社對集裝箱船貨艙段的直接計(jì)算都有相關(guān)規(guī)定。其載荷包括：靜水波浪彎矩、垂向波浪彎矩、貨物載荷、舷外海水壓力、慣性力、壓載水壓力等。經(jīng)分析，布置于船中的重油艙，一般艙頂也用于運(yùn)載集裝箱。因此，上述載荷對重油艙的直接計(jì)算也適用。除此之外，由于重油艙內(nèi)裝有重油，艙內(nèi)還受到液體壓力的作用。通過對各船級社規(guī)范的分析比較，并參考中國船級社 2012版鋼質(zhì)海船入級規(guī)范（以下簡稱《鋼規(guī)》）的相關(guān)規(guī)定，確定各載荷的計(jì)算過程如下：

1.1 垂向波浪彎矩MW

式中：M——彎矩分布系數(shù)；L——船長；B——船寬；Cb——方形系數(shù)；C——波浪系數(shù)。

1.2 舷外海水壓力p

舷外海水壓力p分為動壓力phd和靜壓力phs兩種。水線面以下任意點(diǎn)的海水動壓力為：

式中：z——計(jì)算點(diǎn)到基準(zhǔn)線的垂向距離；d1——計(jì)算工況下的吃水，pWL——舷側(cè)水線處的海水動壓力；pBS——舭部的海水動壓力；pBC——船底舯縱剖面處的海水動壓力；y——載荷作用點(diǎn)到舯縱剖面的距離。

水線面以上舷側(cè)外板任意點(diǎn)的海水動壓力為：

海水靜壓力Phs為：

式中：ρw——海水密度。

1.3 慣性力

船舶在海上航行時(shí)，會產(chǎn)生慣性力。在做直接強(qiáng)度分析時(shí)，其加速度a為：

式中：V0——設(shè)計(jì)航速；m在0.2L～0.7L范圍內(nèi)取為1。

1.4 重油艙內(nèi)液體壓力pHO

重油艙內(nèi)液體壓力與舷外海水壓力一樣，分為動壓力pHO1和靜壓力pHO2兩種。動壓力pHO1為：

式中：h2——載荷中心到溢流管頂?shù)木嚯x。

1.5 靜水波浪彎矩、貨物載荷和壓載水質(zhì)量分布

這部分設(shè)計(jì)載荷由裝載手冊查得。

2 重油艙實(shí)船建模與分析

以某萬箱船為例，重油艙布置型式和船體主要參數(shù)見圖1、2和表1。

圖1 萬箱船總布置（側(cè)視）

圖2 重油艙橫向分布

表1 萬箱船基本參數(shù)

2.1 有限元建模和工況的確定

為了顯示集裝箱船的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模型的右舷部分隱去。具體建模的細(xì)則、腐蝕余量、模型的范圍、邊界條件參考CCS 2005年出版的《集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》中的具體要求，建立的有限元模型見圖3。

為了較全面地評估重油艙結(jié)構(gòu)，通過分析確立了10個(gè)計(jì)算工況，分為滿載、隔艙裝載和空載等工況，見表2。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

各工況下不同區(qū)域中最大的板單元合成應(yīng)力見表 3，部分工況下相應(yīng)區(qū)域合成應(yīng)力見圖3、4。

圖3 重油艙半寬有限元模型

表2 重油艙計(jì)算工況

表3 各工況下主要構(gòu)件合成應(yīng)力 單位：N/mm2

圖3 LC8 重油艙內(nèi)某層平臺合成應(yīng)力

圖4 LC3艙壁間垂直桁腹板合成應(yīng)力

由于重油艙置于船中區(qū)域這種特殊布置結(jié)構(gòu)，尚無相關(guān)評估標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)參照集裝箱船艙段計(jì)算屈服強(qiáng)度評估的衡準(zhǔn)，縱向連續(xù)構(gòu)件中，船底縱桁的許用應(yīng)力為235/k，其他為220/k；橫向構(gòu)件的許用應(yīng)力為175/k；肘板趾端部局部應(yīng)力集中處的許用應(yīng)力為220/k；其中k為材料系數(shù)。

根據(jù)表3、圖3、4可知：

1) 由于超大型集裝箱船為了滿足最小吃水和穩(wěn)性的要求，船中區(qū)域雙層底和舷側(cè)的壓載水艙一般都保持有壓載水的狀態(tài)，可以抵消一部分外界水壓力的影響。經(jīng)計(jì)算，外底板的最大合成應(yīng)力為199N/mm2、內(nèi)底板為 191N/mm2、船底縱桁為 255N/mm2，而這些構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)，都采用高強(qiáng)度鋼，許用應(yīng)力達(dá)到282N/mm2和301N/mm2，所以都滿足許用應(yīng)力的衡準(zhǔn)要求；

2) 主甲板和艙口圍板的應(yīng)力較大，艙口圍板最大應(yīng)力達(dá)到269N/mm2，此外，對于超大型集裝箱船，由于大尺度、大開口的存在，船體會受到很大的彎矩、扭矩聯(lián)合作用，艙口角隅處很容易撕裂，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，艙口圍板和主甲板多采用40kg/m2的高強(qiáng)度鋼，艙口圍板角隅處的鋼板更應(yīng)特別加厚；

3) 橫向艙壁和重油艙壁板的最大應(yīng)力分別為 191N/mm2、217N/mm2。其中，橫向艙壁最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐橫艙壁處的桁材上，若采用普通鋼，則不滿足許用應(yīng)力的衡準(zhǔn)要求，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)相比其他貨艙相似區(qū)域作適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)或者采用高強(qiáng)度鋼材。重油艙壁板最大應(yīng)力所在板格采用了高強(qiáng)度鋼材，滿足許用應(yīng)力的衡準(zhǔn)要求；

4) 重油艙最危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)為重油艙內(nèi)的平臺板和艙壁間垂直桁腹板。由圖3、4可知，由于在內(nèi)部重油壓力作用下平臺角隅處應(yīng)力集中、變形較大，而底部外載荷和內(nèi)部重油壓力在底縱桁與橫艙壁交點(diǎn)處也形成同向的彎矩疊加，所以在艙內(nèi)平臺角隅處、艙壁間垂直桁腹板與船底縱桁相連處出現(xiàn)的合成應(yīng)力大大超出了許用應(yīng)力。如果平臺角隅采用小肘板過渡，無法將此處的集中應(yīng)力盡可能減小，因此設(shè)計(jì)時(shí)增大肘板圓弧半徑，將小肘板改成大肘板是一種很好的選擇。此外，還可以增加重油艙縱艙壁間的平臺板寬度和厚度。艙壁間垂直桁腹板與船底縱桁相連處設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)予以重視，應(yīng)增加板厚并采用高強(qiáng)度鋼。

3 結(jié) 語

1) 直接建模計(jì)算評估法能較有效地評估超大型集裝箱船的重油艙結(jié)構(gòu)；

2) 重油艙內(nèi)壓力作用對縱向連續(xù)構(gòu)件的影響較小，因此在評估普通貨艙段時(shí)，不需額外考慮；

3) 獲得了重油艙的一些危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)，如艙內(nèi)各層平臺的角隅處、艙壁間垂直桁腹板與船底縱桁相連處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)高度關(guān)注，并深入校核重油艙板材的屈曲、水平桁應(yīng)力集中處的細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力水平、橫艙壁垂直桁與底縱桁相交處的應(yīng)力集中水平；

4) 集裝箱船的重油艙設(shè)計(jì)中除強(qiáng)度外，艙壁的變形也將影響集裝箱導(dǎo)軌的定位和正常使用。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮大型集裝箱船的重油艙艙壁的變形撓度。

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