集裝箱船結構強度評估中的破損工況

徐 敏，湯明文，王 剛

（中國船級社 規(guī)范與技術中心，上海 200135）

0 引 言

近年來，集裝箱船[1-2]碰撞事故頻發(fā)，船體破損[3-4]進水之后的浮態(tài)和穩(wěn)性會發(fā)生變化。對于進水的艙室而言，由于水壓的存在，其局部載荷會發(fā)生改變，對平衡之后的水密周界和相連構件產生影響。

按照UR S34[5]的要求，國際船級社協會建議船級社在進行貨艙段有限元強度評估時各自考慮破損工況。因此，為確保集裝箱船貨艙段結構（特別是水密艙壁及其相連結構）的完整性，應確立相應的計算工況，并對相關結構進行強度評估。本文在上述背景下采用艙段有限元方法進行相關研究。

1 工況設計

在貨艙破損工況下，應有效評估水密艙壁及其相連結構在進水狀態(tài)下的響應。集裝箱船每個貨艙兩端都布置有1道水密橫艙壁，貨艙中間布置有1道或2道非水密支撐艙壁。因此，單艙破損之后，該貨艙必然在縱向上處于進水狀態(tài)。若破損從船底或舷側開始，最終結果可能是貨艙及一舷的雙層底和舷側邊壓載艙同時進水，船舶橫傾變大；若左舷和右舷都破損，貨艙及左右舷的雙層底和邊壓載艙都進水，則船舶沒有橫傾，處于正浮狀態(tài)。這2種情況都會達到平衡狀態(tài)。

根據UR S34的要求，艙段計算需包含“一個40ft（1ft≈0.3048m）箱位空艙”工況。因此，破損之后應考慮在艙蓋上裝箱和艙蓋上不裝箱2種情況。

通過以上分析和簡化計算，初步確立以下4種工況，由此確定最終工況。

1) 工況1：橫傾、破損貨艙艙內空、艙蓋上裝箱；

2) 工況2：橫傾、破損貨艙艙內空、艙蓋上空；

3) 工況3：正浮、破損貨艙艙內空、艙蓋上裝箱；

4) 工況4：正浮、破損貨艙艙內空、艙蓋上空。

假設船舶在這4種工況下都處于準靜狀態(tài)，破損工況簡圖見圖1。

圖1 破損工況簡圖

2 載荷和邊界條件

在破損工況下，進水艙原艙內的集裝箱載荷變成進水壓力，壓載艙或空艙水壓力增加。集裝箱船一般應計算其破損穩(wěn)性，方法不一，但最終會確定一條最深平衡水線。進水載荷破損點的最大高度ddam2和中縱剖面處的ddam就由此確定。艙段有限元模型縱向覆蓋船中貨艙區(qū)域的“1/2個貨艙+1個貨艙+1/2個貨艙”范圍，橫向為全寬范圍，垂向為船底至艙口圍結構范圍。計算時，在模型兩端施加相應的邊界條件。

3 強度評估衡準

通過分析，確定一套關于水密橫艙壁及其相連結構的評估衡準，具體見表1和表2。

表1 屈服評估衡準

表2 屈曲評估衡準

4 實船驗證

4.1 基本參數

對某超大型集裝箱船進行實船計算，該船的基本參數見表3，船體采用普通鋼、32鋼、36鋼和40鋼設計。

表3 實船基本參數

4.2 計算模型

根據加載示意建立有限元計算模型見圖2。

圖2 有限元計算模型

4.3 結果分析

首先對破損之后橫傾2種工況（工況1和工況2）下的評估構件進行屈服強度對比分析。2種工況下構件的屈服利用率（與許用應力的比值）見表4。

表4 工況1和工況2屈服利用率結果

從表4中可看出，對于破損工況，工況1和工況2下水密橫艙壁及其相連結構的應力響應非常接近，但貨艙艙蓋上裝箱比不裝箱更危險，而通過另外的比較也能證明抗扭箱的主導載荷工況不是破損工況。因此，工況1基本上可覆蓋工況2，工況3基本上可覆蓋工況4。

接著對破損之后橫傾或正浮2種工況（即工況1和工況3）下的評估構件進行屈服強度對比分析，2種工況下各構件的屈服利用率（與許用應力的比值）見表5。

表5 工況1和工況3屈服利用率結果

從表5中可看出，水密橫艙壁結構各構件采用橫傾加載方法得到的最大應力都比正浮加載方法大一些。特別是在邊艙平臺與水密橫艙壁連接處和水密橫艙壁水平桁端部，二者的計算結果相差較大，其主要原因是橫傾之后，在局部形成更高的水壓，使得應力集中區(qū)域的應力更大。實際情況下，一舷破損和左右舷均破損皆有可能，而船體貨艙區(qū)域結構一般均為左右舷對稱結構，為保證水密橫艙壁結構的安全性，采用工況1的方案較為合理，該工況可基本覆蓋工況3。

工況1下部分評估構件的屈服應力云圖和屈曲結果云圖見圖3。

圖3 工況1下部分評估構件的屈服應力云圖和屈曲結果云圖

從表4和圖3中可看出：

1) 在破損之后達到最終的進水平衡狀態(tài)時，實船貨艙區(qū)域大部分橫向構件的屈服和屈曲能力都有一定的余量。

2) 邊艙縱向平臺和橫艙壁垂直桁材的屈服已接近或略超過許用衡準。邊艙縱向平臺在破損工況下的高應力區(qū)域在距離基線12568mm 的平臺與水密橫艙壁水平桁連接處；橫艙壁垂直桁在破損工況下的高應力區(qū)域在垂直桁與雙層底縱桁連接處。這些高應力區(qū)域都是橫向構件與縱向構件連接處，結構突變，在局部載荷作用下形成大變形和應力集中現象。

3) 橫艙壁水平桁的屈服超過許用衡準39%，其屈曲也有一定的問題，位置為水平桁與平臺連接處。經分析，該處因進水之后橫向不對稱水壓的作用，傾斜一側應力集中現象明顯。對于該位置的結構，可對其進行軟化，局部應適當作加厚處理。

5 結 語

本文確立的用于評估破損之后貨艙區(qū)域水密及相連構件強度的4種工況和評估衡準較為全面。實船分析結果表明，該方法是有效的，可在設計集裝箱船時采用該方法確定貨艙區(qū)域水密及相連構件的尺寸。

貨艙破損之后，對應進水貨艙上部裝集裝箱相比不裝集裝箱更危險；橫傾狀態(tài)相比正浮狀態(tài)更危險。橫傾和破損貨艙艙內空、艙蓋上裝箱為主導工況，可覆蓋其他破損工況，評估時可僅評估該工況。