大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及對(duì)策思考

陳洪珍

摘? 要：本文先粗略介紹中國(guó)大型集裝箱貨輪發(fā)展歷史及其當(dāng)下的市場(chǎng)情況，然后再將中國(guó)大中型集裝箱貨輪與世界常見船舶類型加以對(duì)比，以確定其特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題和構(gòu)造難點(diǎn)展開了分條的研討，分別為構(gòu)造布置、總縱強(qiáng)度、箱形梁的設(shè)計(jì)。最后結(jié)合集裝箱船箱腳區(qū)結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題，并對(duì)其加固的設(shè)計(jì)要求加以探討。

關(guān)鍵詞：集裝箱;船結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)要點(diǎn)

前言：

在當(dāng)下，由于大中型集裝箱貨輪船體架構(gòu)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中不完全的技術(shù)問(wèn)題仍然未能得以徹底解決，以致船舶在長(zhǎng)期工作中發(fā)生了構(gòu)造變化等質(zhì)量問(wèn)題，在影響船舶工作效率的同時(shí)，也危及了乘員生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，給予大中型集裝箱貨輪船體架構(gòu)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一定關(guān)注，并加大對(duì)新科技、新材料和新工藝的運(yùn)用力度，是非常必要的。本文在對(duì)世界大中型集裝箱船的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造要點(diǎn)進(jìn)行研究基礎(chǔ)上，根據(jù)船箱腳區(qū)裂紋情況，對(duì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)策展開了探討。

1、大型集裝箱船的市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

集裝箱船可別被列為進(jìn)布置型船的一部分，由于具有箱位數(shù)量大的特點(diǎn)，而在運(yùn)營(yíng)期內(nèi)取得良好效益。集裝箱貨輪又可被進(jìn)一步細(xì)分為完全的集裝箱貨輪和零點(diǎn)五集裝箱船二個(gè)類別，其構(gòu)造與形狀都和常規(guī)貨輪有著明顯區(qū)別。集裝箱船裝載速度快、廷剛時(shí)間也比較短，在大多數(shù)情況下使用高速飛行速度，每小時(shí)行駛里程為20～23海里。在上個(gè)世紀(jì)九十年代之前，所有集裝箱船箱位最高數(shù)量都少于4730TEU。但在九十年代中期，超大型集裝箱貨輪技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

2、大型集裝箱船設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

2.1、貨艙開口相對(duì)較大

為了進(jìn)一步增加貨艙中集裝箱安裝數(shù)量，甲板開口/船寬電壓一般>百分之八十，部分地區(qū)甚至超過(guò)了百分之九十三點(diǎn)二。但由于船舷的縱向甲板條狹窄化的實(shí)際問(wèn)題仍然不能得到合理解決，而造成了船舶整體強(qiáng)度問(wèn)題偏低的實(shí)際問(wèn)題也一直未能得以解決。

2.2、航速相對(duì)較高

有關(guān)資料中介紹，超大型集裝箱船的最大航速一般>24海里，并通過(guò)相對(duì)較大的航速達(dá)到了提高水力量對(duì)船舶影響效率的總體目標(biāo)。特別是首部構(gòu)造，對(duì)于局部強(qiáng)度認(rèn)真校對(duì)和核查。與此同時(shí)，由于高功率主機(jī)設(shè)計(jì)也可誘導(dǎo)激振來(lái)源的產(chǎn)生，因此此時(shí)大型集裝箱貨輪在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)等環(huán)節(jié)中，對(duì)抗震設(shè)計(jì)作出了較為苛刻的規(guī)定。

2.3、對(duì)穩(wěn)定系數(shù)提出更高的要求

超大型集裝箱船與一般貨輪具有明顯區(qū)別，其在滿載行駛過(guò)程中，為了滿足船舶行駛穩(wěn)定性的規(guī)范，往往必須裝載大量壓艙水。

3、大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

3.1、結(jié)構(gòu)布置

為了保證超大型集裝箱貨輪的整體縱強(qiáng)，在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)建造過(guò)程中往往使用了位于舷側(cè)的抗扭箱、貫通性較好的艙口橫縱圍板和雙殼舷側(cè)構(gòu)造。并通過(guò)縱骨架使雙殼的上、下部有效地連接。而艙內(nèi)和上層的構(gòu)造物則往往被布置在艦舯偏后的位置上。在對(duì)船艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，往往會(huì)使用數(shù)量相應(yīng)較多的骨架，因此可見艙蓋圍板與縱艙壁等的縱向光順過(guò)程中，在提高整個(gè)工程設(shè)計(jì)建造品質(zhì)等方面都表現(xiàn)出了重要價(jià)值。而超大型集裝箱貨輪的橫艙壁則多被細(xì)分為水密艙壁和構(gòu)造艙壁二個(gè)類別，前者由于具有提高船舶剛度的功效，所以通常也被用作導(dǎo)軌的支撐物。當(dāng)下，中國(guó)國(guó)內(nèi)在海運(yùn)領(lǐng)域使用的大型集裝箱貨輪，在建造階段多安設(shè)了擋浪板，它具有保障甲板上貨物集裝箱行駛安穩(wěn)性的功能。但由于方形系數(shù)相對(duì)而言較小，且兩側(cè)船體類呈尖瘦形象。因此為了使船艙中可以布置更多數(shù)目的貨物集裝箱，就需要提供相應(yīng)數(shù)量的平臺(tái)，同時(shí)又要保證各平臺(tái)和周邊構(gòu)件間連接的牢固性。

3.2、總縱強(qiáng)度

由于貨柜開口直徑很大，因此大型集裝箱貨輪結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和建造階段迫切需要解決的問(wèn)題之一便是總縱剛度。大型集裝箱船抗扭箱上端面板厚度也相對(duì)增大，通常為50～60mm，但鋼級(jí)的應(yīng)用屈服限超過(guò)了355N/mm2，并局部提高至390N/mm2，從而形成了高強(qiáng)度鋼板。在對(duì)甲板、縱艙壁上列板、艙蓋圍板和舷頂抗扭箱內(nèi)的縱骨（扁鋼）設(shè)計(jì)中，聽高暢使用了統(tǒng)一厚度的對(duì)甲板。估算橫剖面時(shí)，通常使用的中截面數(shù)字信號(hào)要稍高于標(biāo)準(zhǔn)要求數(shù)值，進(jìn)而確定了船體在垂向最大彎矩、水平彎矩和扭矩等整體施加下的最大剛度。根據(jù)有關(guān)資料，一般要得出約5%的余量，不過(guò)這些數(shù)值在實(shí)踐中也不是一成不變的，還需要根據(jù)應(yīng)力計(jì)算對(duì)其應(yīng)用情況加以考慮。在中部0.55L（L是甲板開口長(zhǎng)度）的開口范圍中，根據(jù)剖面模數(shù)值和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所做出的要求可有百分之五的擴(kuò)大幅度，在開口前后端擴(kuò)大了8～10%。當(dāng)船頭外飄跡象明顯、船只的波浪彎矩有相應(yīng)上升幅度情形下，就必須要求適當(dāng)提高船舶剖面模數(shù)。對(duì)巴拿馬型集裝箱船而言，船舶在設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，寬度雖受一定管束，但為了滿足運(yùn)行安全的最低標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定對(duì)其在正常裝載狀況下加注一定量的壓艙水。集裝箱船方形系數(shù)相對(duì)而言較小，拱靜水彎矩的值高得也讓人驚嘆不已。在船舶雙層底板中儲(chǔ)有大量附加壓艙水的情形下，設(shè)計(jì)的靜水深流最大彎矩?cái)?shù)量顯著降低。但對(duì)超巴拿馬型集裝箱船來(lái)說(shuō)，由于在對(duì)寬度設(shè)計(jì)中，由于缺乏硬性規(guī)范的制約，因此其在正常裝載狀況下附加的壓艙水也無(wú)需過(guò)多，但靜水深流的最大彎矩?cái)?shù)量卻隨之提高，總縱強(qiáng)度問(wèn)題也較為突出。

3.3、箱形梁設(shè)計(jì)

上部側(cè)向箱型梁的主要影響對(duì)象以船艙口和甲板上集裝箱結(jié)構(gòu)居多，它可以導(dǎo)致上述二大結(jié)果在船舶行駛過(guò)程中，對(duì)甲板上形成的應(yīng)力變化達(dá)到了一定范圍中，從而達(dá)到減少口變形量的效果。與此同樣，側(cè)向箱型梁的剛度變化還可以通過(guò)對(duì)艙壁垂向扶強(qiáng)材上端進(jìn)行支持，從而對(duì)橫艙壁形態(tài)的變化進(jìn)行了有效控制。由于上述形態(tài)的變化往往伴隨著船舶容積的增大，矛盾性也不斷表現(xiàn)起來(lái)，特別是對(duì)900TEU以上的船舶，在導(dǎo)軌和捆扎過(guò)程中所遇到的困難往往是巨大的。下端的縱向箱形梁還具有增強(qiáng)雙層底與雙殼結(jié)構(gòu)之間銜接剛度的功能，從而起到了增強(qiáng)船舶抗扭剛度的功能，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力大小和船艙口變化總量的合理控制。對(duì)超大型集裝箱船而言，縱向箱形梁一般采用集裝箱高度設(shè)計(jì)，其端部與橫向水平艙壁的下凳緊湊連接。

4、對(duì)特大型集裝箱船箱腳裂痕的構(gòu)造進(jìn)行研究設(shè)計(jì)

4.1、箱腳裂痕

在船只行駛過(guò)程中，所有的重力都匯聚到了集裝箱的四個(gè)角落，在產(chǎn)生垂向受力的同時(shí)，由于船只行駛所產(chǎn)生的加速度慣性力，導(dǎo)致雙層底構(gòu)件承受了很大的集中負(fù)荷，如果在船體箱腳下端還沒(méi)安設(shè)承載構(gòu)件時(shí)，則將會(huì)引起船體的內(nèi)底板結(jié)構(gòu)和集裝箱平臺(tái)板下沉、形態(tài)變化，并在復(fù)底層與內(nèi)底層之間的角接焊縫內(nèi)產(chǎn)生裂縫，由于焊接裂縫的拓展特性，隨著時(shí)效的延長(zhǎng)，內(nèi)底板結(jié)構(gòu)與雙層底構(gòu)件之內(nèi)都會(huì)形成結(jié)構(gòu)裂縫，此時(shí)就需要進(jìn)行刨除裂紋，而如果結(jié)構(gòu)裂縫位于關(guān)鍵構(gòu)件或支撐性構(gòu)件中，則此時(shí)需要對(duì)內(nèi)部板材采取更換等新保護(hù)措施。在雙層底板結(jié)構(gòu)和特大型貨物集裝箱平臺(tái)的箱腳復(fù)板下端，均須設(shè)置強(qiáng)化構(gòu)件區(qū)，并確定了每一箱腳區(qū)所承載的最大垂向力及相應(yīng)的加強(qiáng)型式，同時(shí)根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)強(qiáng)化構(gòu)件區(qū)進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)估。在對(duì)特大型集裝箱船集裝箱箱腳的強(qiáng)化方案設(shè)計(jì)中，可采用復(fù)板來(lái)進(jìn)行的強(qiáng)化板。對(duì)圖1經(jīng)整體解析，認(rèn)為通過(guò)復(fù)板的合理運(yùn)用，使得集裝箱箱腳作用于平臺(tái)底層結(jié)構(gòu)上的最大垂向應(yīng)力分布狀況便得以有效改善。

4.2、大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制造單船廠在其設(shè)備固定的狀況下，為了實(shí)現(xiàn)單船利潤(rùn)的提高，則必須縮短船舶生產(chǎn)期限，從而把設(shè)備充分利用起來(lái)。由于超大型集裝箱船，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且線型尖瘦，所以對(duì)建造技術(shù)要求也更高：1）建造流程中的一項(xiàng)關(guān)鍵是使塢期更短。所以必須要全面設(shè)計(jì)整個(gè)船舶結(jié)構(gòu)建造，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來(lái)分析分段劃分設(shè)計(jì)和建造，同時(shí)還要對(duì)整個(gè)船體的大量分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接設(shè)計(jì)。2）需進(jìn)行分段階段的預(yù)舾裝和預(yù)涂裝。由于超大型集裝箱貨輪其壓艙艙的空間較小，且部分首尾過(guò)渡的區(qū)域長(zhǎng)度只有約1m，在分段翻身后極難進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)存在著很大風(fēng)險(xiǎn)，從而必須加大力度來(lái)設(shè)計(jì)船殼舾涂一體化。3）對(duì)船塢的高速搭載具有較高需求。由于橫隔艙壁處于單一區(qū)域，所以線型結(jié)構(gòu)是無(wú)法對(duì)其形成影響，所以應(yīng)該先把艙壁和雙層底當(dāng)作兩個(gè)單一的前總段來(lái)加以構(gòu)造，然后再?gòu)南蟼?cè)分段靠上后總組。4）嚴(yán)密監(jiān)視關(guān)鍵問(wèn)題準(zhǔn)確連接節(jié)點(diǎn)。由于比較于散裝貨輪和油船而言，超大型集裝箱貨輪因其內(nèi)部存在較多的高應(yīng)力區(qū)域，且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中一定要嚴(yán)密監(jiān)視關(guān)鍵問(wèn)題準(zhǔn)確連接節(jié)點(diǎn)。5）施工質(zhì)量問(wèn)題，以及關(guān)鍵疲勞節(jié)點(diǎn)是大型集裝箱貨輪的一些突出問(wèn)題，比較經(jīng)典的是艙口圍板的前端終止節(jié)點(diǎn)、縱向艙門圍板開孔問(wèn)題等。

在對(duì)大型集裝箱貨輪設(shè)計(jì)與建造過(guò)程中，每個(gè)堆垛箱體載重的最大值約為300t，而每個(gè)箱體又包括了四只箱體腳，每一箱腳承擔(dān)了二個(gè)堆箱柜足的重力。因此，每個(gè)柜足能承載的最高垂向力大約為150t。此外在局部板砼周遭還采用簡(jiǎn)支，對(duì)四個(gè)箱腳的承載力大約為300t。可以使用MSC.PATRAN方法建立箱腳局部結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，以達(dá)到對(duì)箱腳局部結(jié)構(gòu)剛度的有效分析，而在建立有限元模型時(shí)，均使用板單元仿真內(nèi)底板、縱析、肋板、肘板和型料腹層等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并使用柱單元擬化型材面板和骨材球頭。單位尺尺寸大概是為40mm，結(jié)構(gòu)材質(zhì)楊氏模量為2.1×105MPa，泊松比約為0.3。在對(duì)腳加強(qiáng)的部分構(gòu)件中Vonmises應(yīng)力分布狀況開展了整體分析，結(jié)果表明最大值Vonmises應(yīng)力強(qiáng)度為96MPa，主要產(chǎn)生于肋板部，已滿足了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3、艙口角隅的設(shè)計(jì)

為裝載更多的集裝箱，集裝箱船通常工程設(shè)計(jì)為寬大的貨艙開口和窄窄的上甲板條的船體，這導(dǎo)致了船體的水平彎曲、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、側(cè)向剛度等在其整體縱強(qiáng)中所占的比重顯著增大，因此艙蓋角隅部就會(huì)有顯著的局部應(yīng)力聚集。而且，隨著貨柜開口的長(zhǎng)度逐漸增大，局部應(yīng)力聚集也就越來(lái)越顯著，當(dāng)船艙前端壁與縱橫型結(jié)構(gòu)的交界處，局部應(yīng)力聚集到達(dá)了最高。因此通常造船貨艙上的甲板角隅部采取了拋物線型，扁圓型，或弧線型。靠近艙門處的甲板角隅的內(nèi)應(yīng)力集中較大，因此如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)為拋物線式的常規(guī)型式，將要求較大的內(nèi)圓零點(diǎn)五徑范圍，這也要求了集裝箱與縱艙壁、橫向艙壁之間的間距更大，也會(huì)影響到船體布局的合理化，故一般將該角隅產(chǎn)品設(shè)計(jì)為負(fù)內(nèi)切圓零點(diǎn)五徑的結(jié)構(gòu)形式。而艙蓋角隅的尺寸大小又會(huì)影響到集裝箱的整體布局，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理布置，因此應(yīng)該及早考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)船級(jí)社新版《集裝箱船結(jié)構(gòu)規(guī)范》通過(guò)評(píng)審[J]. 船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2021，54（04）：2.

[2]李建波，康清慧. 集裝箱船船柱結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估[J]. 船舶物資與市場(chǎng)，2021，29（04）：57-58.

[3]丁寧，高占峰，黃金林. 支線集裝箱船發(fā)電機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析模型化探索[J]. 船舶，2021，32（02）：36-42.

[4]徐敏，湯明文，王剛. 集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估中的破損工況[J]. 船舶與海洋工程，2020，36（06）：67-71.

[5]張鼎，孔小兵，劉奕謙，陳忱，湯宵揚(yáng). 超大型集裝箱船綁扎橋結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[J]. 船海工程，2020，49（05）：41-44.