多用途船集裝箱裝載工況直接計算分析

張潤華，潘忠兵，陸陳康

（中國船級社上海分社，上海 200135）

0 引 言

多用途船是一種能載運雜貨、散貨及集裝箱等多種“不確定性”貨物的船型，具有載運高效，使用簡便的特點[1]。隨著航運業的發展，我國海上多用途船的需求不斷上升。根據多用途船的裝載特點，進行結構有限元計算分析，保證船舶結構強度的安全、可靠正越來越受到設計方、建造方和船級社的高度重視。

考慮到中國船級社鋼質海船入級規范（2012）[2]和2013年修改通報（以下簡稱“鋼規”）中沒有明確給出多用途船直接計算的具體要求，又由于多用途船裝載貨物的多樣性，它的結構設計與一般專用運輸船舶不同，特別是多用途船在裝載集裝箱時其局部支撐結構的設計與專用集裝箱船有區別（見圖1）。多用途船裝載集裝箱時，一般在貨艙內縱艙壁上安裝用于橫向固定集裝箱的裝置，集裝箱之間靠橫向雙錐連接，并在內底板上設置埋入式底座，而集裝箱船在艙內用箱格導軌架固定集裝箱（見圖2）。由于多用途船與集裝箱船在貨艙內裝載集裝箱時的固定方式不同，因此在對多用途船裝載集裝箱工況進行艙段直接計算分析時，不能完全參照“鋼規”中關于集裝箱船直接計算的內容進行分析。

圖1 某多用途船艙內集裝箱系固布置

圖2 某集裝箱船橫艙壁上的箱格導軌架

以一艘能裝載1700TEU集裝箱為主的某多用途船為研究對象，參考“鋼規”中集裝箱船結構強度直接計算的相關要求，建立貨艙段有限元計算模型。并根據該多用途船貨艙區域的結構型式、集裝箱固定方式以及集裝箱的實際布置，在艙段有限元計算模型中著重對該船貨艙區域結構的實際受力情況進行分析，在節點上施加相應貨物載荷。通過對貨艙段結構強度進行數值計算分析，進一步討論該船集裝箱橫向運動加速度和垂向運動加速度產生的慣性力對船體結構強度的影響[3]，并為設計者提供更準確的多用途船貨艙在裝載集裝箱時的結構強度分析方法。

1 貨艙段有限元模型

該船主尺度以及主要參數見表1。

表1 某多用途船主尺度及參數

1.1 模型計算范圍

該多用途船共設5個貨艙，由于第三貨艙位于船中位置，根據“鋼規”要求選取第三貨艙作為直接計算的目標貨艙。艙段直接計算模型的縱向范圍為第二貨艙區的1/2個貨艙、整個第三貨艙區、第四貨艙區的1/2個貨艙（FR88～FR162），其中FR106、FR109、FR143、FR146分別為水密橫艙壁位置，模型橫向范圍為整個船寬。

艙段有限元計算模型取船體橫向、縱向范圍內的所有構件，并滿足“鋼規”第1章第14節1.14.6的建模原則（見圖3、4）。

圖3 艙段有限元模型示意（全寬）

圖4 艙段有限元模型示意（左舷）

1.2 邊界條件

為了避免過去直接計算法中邊界條件施加后彎矩及剪力修正的不確定性，“鋼規”要求邊界條件按照計算局部載荷和施加斷面彎矩分開處理，然后將兩次計算的應力結果線性疊加后再進行強度校核。該船參考了“鋼規”第2篇第7章附錄2集裝箱船結構強度直接計算邊界條件設定的內容，建立適合本船局部對稱載荷、總體載荷和橫傾工況的邊界條件，詳細邊界設定見表2、3、4和圖5。

局部對稱載荷工況和橫傾工況邊界條件要求該船舷側外板、內殼板與前后橫艙壁交線EG、FH（見圖5）上節點設置垂向彈簧單元（Grounded Sping_UZ），橫傾工況邊界條件還要求船底板、內底板與前后橫艙壁交線IK、JL（見圖5）上設置水平彈簧單元（Grounded Sping_UY）。彈簧單元彈性系數均勻分布，彈性系數K為：

式中：G——材料的剪切彈性模量，對于鋼材，G=0.792×105；

A——前后艙壁處舷側外板、內殼板的剪切面積或前后艙壁處船底板和內底板的剪切面積；

lH——舯部貨艙長度；

n——舷側外板、內殼板上垂向交線節點數量。

表2 局部對稱載荷邊界條件

表3 總體載荷邊界條件

表4 橫傾工況邊界條件

圖5 邊界條件

2 載荷及計算工況

2.1 計算工況

該船裝載集裝箱時，可參照裝載手冊和“鋼規”第2篇第7章附錄2集裝箱船結構強度直接計算中所列出的LC1、LC2、LC3、LC9、LC10正浮工況，LC4、LC5橫傾工況，LC6縱蕩工況。“鋼規”中除了縱蕩工況是考核縱向慣性力對船體結構的影響，其他計算工況均為僅考慮施加靜載荷的工況。為了討論船舶橫向運動、垂向運動加速度產生的慣性力對船體結構的影響，還增加了集裝箱橫向、垂向動載荷影響的裝載工況LC7、LC8，LC9av、LC10av（見表5）。

表5 計算工況

2.2 計算載荷

2.2.1 計算公式

運動加速度公式和波浪載荷可以參照“鋼規”第2篇第1章第14節的相關要求計算。20ft和40ft集裝箱載荷分別按照裝載手冊中甲板上和貨艙內集裝箱最大許用堆重取值。集裝箱由橫向、縱向、垂向運動加速度產生的慣性力按照每個集裝箱所處位置計算其所受慣性力，表6、7給出了該船艙內集裝箱載荷的計算值。

集裝箱動載荷公式為：

式中：G——集裝箱的總重量；Q——風載荷；φm——最大橫搖角； al——縱向合成加速度； at——橫向合成加速度； av——垂向合成加速度。

集裝箱靜載荷公式為：

式中：θ——橫傾角。

表6 20ft艙內集裝箱（24t）載荷

表7 40ft艙內集裝箱（30.48t）載荷

2.2.2加載方式

根據“鋼規”的要求：貨艙內集裝箱由于橫傾產生的橫向載荷分量，按其在橫艙壁對應的箱角分布位置為作用點，以一組集中力作用在橫艙壁上；貨艙內每一集裝箱由縱向運動加速度產生的力應按各集裝箱的物理位置由集裝箱對應箱角位置傳遞到橫艙壁的主要構件上。

考慮到多用途船的結構形式和常規集裝箱船存在差異。該船貨艙內未設置橫向支撐艙壁且橫艙壁上也沒有設置導軌架（橫艙壁和集裝箱間不存在力的傳遞關系），故無法將集裝箱由于縱向加速度產生的力以及船舶橫傾、橫搖產生的集裝箱橫向載荷分量傳遞到附近的橫艙壁上，且艙內集裝箱的實際系固布置只能將橫向載荷傳遞到內殼縱艙壁上（見圖1）。所以，對于橫傾工況LC4、LC5和橫向、垂向運動載荷工況LC7，艙內橫向載荷由內殼縱壁承受，加載點為內殼縱壁上橫向拉壓支撐器位置（見圖6）。對于縱蕩工況LC6，由于該多用途船集裝箱布置在船長方向與橫艙壁有一定距離，艙內集裝箱的縱向慣性力僅由底腳件傳遞到內底板上，所以將計算出的縱向慣性力加載到內底板的箱角處（見圖7）。其它甲板上集裝箱載荷可參照“鋼規”要求加載。

圖6 橫傾工況集裝箱載荷的加載方式

圖7 縱蕩工況集裝箱載荷的加載方式

3 有限元計算結果和分析

3.1 計算結果比較

通過對該多用途船貨艙區域結構有限元模型的數值計算，得到集裝箱裝載工況LC1～LC10的應力分布。這里僅給出部分工況下一些主要構件的計算結果（見表8）。

表8 主要構件的應力水平比較 單位：N/mm2

3.2 橫向、垂向運動加速度對船體結構響應的影響

根據表8中列出的在部分計算工況下主要構件的最大應力，分析船舶垂向、橫向運動載荷對船體結構強度的影響。

3.2.1 計算結果分析

橫向、縱向運動載荷對船體結構的影響從表6～8的計算結果可以看出：

1) 考慮到外載荷的變化，運動載荷工況下部分構件的應力水平要大于靜載荷工況；

2) 如圖8、9所示，根據該船貨艙內實際的受力分布加載后，LC4、LC5計算工況下縱艙壁，內底板的應力分布更加接近實際情況；

3) 工況LC1內底板應力水平要大于其他工況，其原因是LC1假定工況中間貨艙為空艙，雙層底主要承受了外部海水壓力的影響，但是雙層底局部強度還和設計許用堆重相關，所以其他裝載工況不能省略。

圖8 LC5工況縱艙壁應力水平

圖9 LC5工況內底板應力水平

3.2.2 綜合分析

1) 在計算運動載荷時，需考慮艙內每個集裝箱的物理位置，計算時可選取延船長范圍內各個方向的最不利的運動加速度；

2) 由于靜橫傾角和最大橫搖角各不相同，所以LC4、LC5、LC7、LC8各工況在船舶初步設計時都可以考慮；

3) “鋼規”中縱蕩工況LC6，主要校核的是橫艙壁的結構強度，所以將計算的縱向動載荷加載內底板的箱角處，但僅校核相鄰橫艙壁的應力水平。

4 結 語

對某多用途船集裝箱裝載工況下艙段結構強度計算結果的討論與分析，可以得到如下結論：

1) 對集裝箱在艙內的固定形式使船舶運動（橫搖、垂蕩等）產生的動載荷作用的船體結構的評估是不可忽視的，增加動載荷因素的計算工況更能真實地反映船舶在營運過程中的結構響應；

2) 為了更準確地反映力的傳遞，貨艙內集裝箱壓力或慣性力的加載應與該船的實際系固布置相結合；

3) 由于船舶運動狀態的多樣性，如船舶縱蕩向下、縱蕩向上和左右舷橫搖對各個加速度的影響，所以增加動載荷因素的計算工況還需不斷完善，包括與之對應的結構衡準。

[1] 陳 方，李忠楊. 24000dwt多用途船結構設計[J]. 船舶設計通訊，2011[Z1]: 38-43.

[2] 中國船級社. 鋼質海船入級規范[S]. 北京：人民交通出版社，2012.

[3] 初艷玲. 超大型集裝箱船結構強度規范校核及有限元分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

[4] Structural Rules for Container Ships. GL[S]. 2011.