超大型集裝箱船貨艙段橫向強框布局優化與研究

陳樂昆 陳 磊 周素素 王志超

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

超大型集裝箱船貨艙段橫向強框布局優化與研究

陳樂昆 陳 磊 周素素 王志超

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

隨著2015年首艘國內建造的18 000標準箱超大型集裝箱船的成功交付以及后續多艘新船訂單的生效，集裝箱船的大型化趨勢日漸明顯。文章對某超大型集裝箱船的橫向強框布局提出優化設計方案，針對優化方案進行規范計算和艙段有限元分析。分析結果表明：優化后的空船質量有所減輕，并且船廠的工藝施工量也因強框數量的減少而減少，從而有效降低成本。該優化方案為今后的設計工作提供了有價值的參考。

超大型集裝箱船；結構設計；屈服強度；屈曲強度

引 言

近幾年受世界經濟不景氣的影響，船運市場全線回落，新船訂單急劇減少，給船舶行業從業者帶來很大壓力。面對此情此景，船舶結構設計應該從降本增效著手，在開發新船型時一方面要盡可能減輕空船質量，降低結構成本；另一方面則需要減少船舶建造過程中的工藝施工量。這樣不僅能提高效率，而且能夠降低人力成本。目前國際船舶航運市場上的集裝箱船主要呈現大型化、經濟化、環保化的發展趨勢［1］，研究表明，隨著集裝箱船裝載量越來越大，船舶航行時或在港時的單位成本呈現明顯下降趨勢［2］。本文在某超大型集裝箱船的設計基礎上，對其橫向強框布局進行優化，在滿足規范要求的前提下，空船質量和工藝施工量都有所減少，為今后的設計工作提供了有益參考。

1 橫向強框布局

一般來說，通常每個貨艙口縱向布置有兩個20 ft或1個40 ft的集裝箱［3］。對于大型集裝箱來說，典型的強框布置艙口間距約12.6 m。二甲板下強框間距通常為4檔肋位約3.15 m。除橫艙壁外，貨艙內一般設有3道強框。二甲板以上結構由于要滿足總縱強度要求，構件尺寸較大，同時考慮到該區域不在液艙中，因而二甲板上的強框間距可為二甲板下強框間距的兩倍，通常約為6.3 m。圖1為一個艙口橫向強框的典型布置圖。

這樣的設計能保證在20 ft集裝箱艙內的每一個箱腳下都有一檔強框，對集裝箱起到很好的支撐作用，但是除去箱腳下的強框，其他普通強框對集裝箱的承載作用有限。考慮到上述特點，對強框布置進行調整（如圖2所示），一個艙口間距內二甲板以下的強框數調整為2個，強框間距為4.2 m；二甲板以上的結構維持不變。通過優化之后，一個艙口間距內能減少一個完整橫向強框的結構質量，同時還能減少船廠的工藝施工量，節約成本、提高效率。但優化后的方案在20 ft集裝箱位于艙口間距中間的箱腳下沒有強框，需要增設加強構件提升承載能力。

2 規范計算

由于新方案對結構布置作了調整，因而需要對船體構件重新進行規范計算。優化方案不會改變本船的主要參數，對總縱彎矩和波浪彎矩沒有影響，所以橫剖面的剖面模數許用值也不會有太大變化。但在規范計算縱骨的局部強度時，由于縱骨最小剖面模數與跨距的平方成正比，而本船的優化方案就是通過增大二甲板以下的強框間距以減少強框數量。因而，在新的方案設計中，二甲板以下的縱骨跨距增大則需選取更大尺寸的縱骨，從而在一定程度上增加了縱骨的質量；而橫剖面中和軸以下縱骨的尺寸增大也會使橫剖面底部的剖面模數有更大的余量。因此在滿足規范要求的前提下，可通過適當減小底部區域的板厚，來抵消一部分縱骨所增加的質量。

一個整貨艙長度為31.05 m。經過規范計算可知，縱骨尺寸的增大導致橫剖面的單位質量增加1.857%。

3 艙段有限元分析

3.1 模型與工況

對某超大型集裝箱船優化后的結構進行三維艙段有限元分析，見圖3。

模型范圍包括一個整艙和前后兩個半艙。由于結構和載荷的對稱性，故只取半寬結構，選取規范的各種工況進行校核，包括40 ft均勻裝載工況、20 ft重箱裝載工況、40 ft輕箱裝載工況、20 ft輕箱裝載工況、縱傾工況和破艙工況等。

圖4為某種工況下的變形圖。

3.2 屈服強度

在結果的后處理中，可以直接把材料系數考慮在內，校核單元的合成應力水平，如圖5及下頁圖6所示。經全部校核各種工況的合成應力水平都能滿足規范要求。

承載剪力的主要構件為橫向強框和艙壁，圖7為某種工況下橫向強框的剪力云圖。經校核，在20 ft重箱裝載工況下，水密艙壁在二甲板以下靠近內殼縱壁的區域出現剪應力較大的情況（見圖8），其中最大的剪應力為130.4 MPa，故需對這部分壁板進行加厚。圖9中的陰影部分為加厚區域。

3.3 屈曲強度

經過校核，內殼縱壁靠近二甲板的區域（圖下頁10中陰影區域），板格的屈曲強度遠不能滿足規范要求（見圖下頁11）。圖11中深色為屈曲強度不足的板格，需要對這塊板進行適當加厚。

下頁圖12、圖13分別為外板和內底板的屈曲強度校核結果，對部分屈曲強度超出許用值不多的板格，可在其適當位置增設屈曲筋。

4 結構質量對比

以一個整貨艙的結構構件為對象，對優化前后的結構質量進行比較。一個貨艙的長度為31.05 m。經過對橫向強框布局優化之后，進行結構構件的規范計算和艙段有限元分析。優化后的貨艙區結構增加的質量包括以下幾個方面：規范計算中，橫剖面單位質量的增大；艙段計算中，水密橫艙壁板厚的增加；屈曲校核中，內殼縱壁板厚的增加；箱腳下加強增加肘板的質量。詳見表1。

表1 增加質量占整個貨艙質量的百分比

一個整貨艙包含兩個艙口間距。較之于初始設計，減少的質量為管弄中的四個強框和管弄之外、二甲板以下的兩個強框結構，總質量為一個貨艙的1.772%。

通過比較，對橫向強框布局進行優化之后，一個整貨艙的質量可減少0.176%。可見，該方案在減輕空船質量方面獲得了較好的效果。

5 結 論

本文簡要介紹了超大型集裝箱船的典型強框布置。在某大型集裝箱船設計的基礎上，提出一種橫向強框布局的優化方案，對優化后的船型進行規范計算和艙段有限元分析，調整構件尺寸以滿足衡準要求。經過比較得出：優化之后的結構質量較初始設計有所減小，并且由于強框的減少，船廠的工藝施工量也會隨之減少，從而達到提高效率、降低成本的目的。該優化方案為今后的設計工作提供了較好的思路和方向。

［1］孫曉東， 胡曉芳. 超大型集裝箱船的發展趨勢與質量控制要點［J］. 中國水運， 2014（5）： 44-45.

［2］李源. 集裝箱船大型化猜想［J］. 中國船檢， 2014（9）：69-71.

［3］韓鈺， 楊旭. 4 250 TEU集裝箱船的結構設計［J］. 船舶， 2009（5）： 17-22.

［4］GL. Rules for Classification and Construction Ship Technology［S］. 2015.

信息動態

“蛟龍”號支持母船建造在即

2016年11月18日，“蛟龍”號載人潛水器支持母船的建造合同在北京簽訂。中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）遵循“信息化、綠色化、模塊化、便捷化、舒適化、國際化”原則，為該項目進行了5年多的前期研發，并參與了大洋協會辦公室牽頭的“大洋能力建設工作組”各項技術活動。

在下一步詳細設計和建造過程中，MARIC研發人員還將對該船的聲寂性、重量控制、材料與工藝以及內裝等方面重點關注，力爭使“蛟龍”號載人潛水器專用支持母船在設計理念、技術水平和科學調查能力方面達到國際同類船舶先進水平。

Layout optimization and research of transversal strong frame in cargo compartment of ultra-large container ship

CHEN Le-kun CHEN Lei ZHOU Su-su WANG Zhi-chao
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

With the successful delivery of the 18 000 TEU ultra-large container ship(ULCS) which is first built in China in 2015 and the recognition of several new ship orders, the enlargement trend of container ship becomes more and more obvious. This paper presents the optimized design schemes for the layout of the transversal strong frame in the cargo compartment of ULCS, and performs the rule calculation of the optimized schemes and the fi nite element analysis of the cargo hold. The results indicate that the lightship weight and the technique construction in the shipyard are decreased with the fewer strong frames, resulting in the e ff ective cost reduction. The optimization schemes can provide the valuable references for the further ship design.

ultra-large container ship(ULCS); structural design; yield strength; buckling strength

U661.4

A

1001-9855（2017）01-0039-06

2016-08-19；

2016-08-26

陳樂昆（1988-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結構設計。陳 磊（1984-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結構設計。周素素（1988-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結構設計。王志超（1989-），男，碩士，助理工程師。研究方向：船舶結構設計。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.039