超大型集装箱船结构强度需要关注的几个问题

方箭

摘 要：本文总结了超大型集装箱船结构强度设计中需要关注的几个问题，包括水动力砰击、波激振动、固定航线集装箱系固载荷以及高强度钢的使用等，这些问题也是目前国际船级社协会（IACS）所关注的。

关键词：超大型集装箱船；结构强度；砰击；波激振动；固定航线；高强度钢

中图分类号：U663.2 文献标识码：A

1 前言

集装箱船是目前航运界三大主力船型之一，随着世界经济的全球化，国际贸易需求量不断扩大，各国集装箱载运量不断上升，集装箱运输不断朝着集约化、大型化的方向发展。自世界上第一艘改装集装箱船于1957年问世以来，经过五十多年的发展，已从1 000箱以下的第一代集装箱船发展为8 000箱以上的第六代超大型集装箱船，甚至18 000箱以上的集装箱船也已投入运营。根据最新的船舶定制和建造数据，目前国内外各主要航运公司均在建造万箱以上超大型集装箱船。

与其他货运船型相比，超大型集装箱船具有独特的线型、大开口结构以及较高的航速等特点，因此对这种船的船体结构强度设计需要特别关注几个问题。本文初步总结了超大型集装箱船的结构强度设计中需要重点关注的几个问题，并就目前国际船级社协会（IACS）的一些相关工作予以介绍。

2 船体结构强度需要重点关注的几个问题

2.1 水动力砰击对总强度与局部强度的影响

超大型集装箱船具有较大的首外飘以及较平坦的尾部线型等特点，并且航速较高，在恶劣海况下，由于自身的大幅摇荡运动，很容易发生首尾底部以及首部舷侧外飘区域的水动力砰击现象。瞬间而剧烈的船舶砰击会使船体发生强烈的颤振现象，使船体梁非线性波浪弯矩增加而导致总强度丧失。另外，砰击最直接的作用是对局部船体的猛烈冲击而导致局部结构的损伤破坏，严重的甚至危及船舶航行安全和船员生命安全。因此，对超大型集装箱船的船体水动力砰击问题无论从总强度还是局部强度上都应给予充分的关注。

目前，民船规范通常对集装箱船首底及首部舷侧大外飘区域的砰击载荷及结构加强提出了要求，但根据国际船舶力学会议ISSC2009及ISSC2012的对比研究，发现不同船级社规范对船底砰击及外飘冲击下的构件尺寸要求有很大的差别。因此，对万箱以上的超大型集装箱船的现有规范适用性问题，必须针对局部水动力砰击问题进行深入研究，以确定合理的结构强度计算校核方法，并完善现有规范体系。另外，对大型集装箱船尾部结构的砰击问题，目前规范还没有涉及，需在研究中予以解决。

2.2 波激振动与颤振导致的船体疲劳

与砰击现象中的船体梁颤振不同，波激振动是在具有与船体梁一阶振动频率相近的波浪成分持续激励作用下的船体梁谐振现象。由于船体结构是一个小阻尼系统，谐振现象持续时间较长，波激振动导致的船体应力的衰减非常缓慢，从而导致严重的疲劳强度问题。低海况下，大型船舶的船体容易激起线性的波激振动；在中高海况下，船体又可能会出现非线性波激振动现象，同时砰击引起的颤振也往往会随着海况的增大而频繁发生。如果砰击事件频繁发生，将对区分波激振动还是颤振带来很大的困难。对砰击引起的颤振来说，往往是由于恶劣的海况所致，因而人们更倾向于关注其引起的船体结构的极限强度问题。而大型船舶研究波激振动现象往往也需关注其引起的结构疲劳损伤。

随着集装箱的大型化，以及高强度钢的大量使用导致船体结构的柔性增加，考虑到集装箱船本身的航速较高，波激及砰击振动现象的发生概率显著增大，由此导致的疲劳效应显著增加，因此在评估集装箱船的疲劳强度时，需要对波激及砰击振动引起的疲劳损伤特别关注。

目前，民船规范对船体梁强度的处理基于IACS的统一强度要求UR S11，其中并没有包含颤振与波激振动导致的船体波浪载荷的增加以及船体疲劳强度问题。因此，对超大型化的集装箱船船体颤振与波激振动问题，需要船级社和研究机构共同努力解决。目前美国船级社（ABS）已就集装箱船的颤振与波激振动的预报及强度评估明确给出了相关的指导性文件，中国船级社（CCS）的相关研究工作也在进行中。

2.3 固定航线对系固惯性载荷的影响

目前，集装箱船的装箱量是根据全球无限航区的海况条件进行配载和系固，海况条件是可能遭遇的最恶劣情况，而实际操作情况下，集装箱船基本为班轮运输，航线相对固定，如亚洲经太平洋到美国西海岸，亚洲经地中海到欧洲的航线等，海况条件也相对可以预报，比原设计情况下遭遇的海况和波浪条件要好，因此作用在集装箱上的惯性载荷有减少的可能。所以在其他结构强度、航行视线要求能满足的前提条件下，如何根据特定航线海况条件，制定更灵活的集装箱装载和系固方案，使得现有集装箱船在不过多改变原有结构基础上，能多装载集装箱或增加集装箱的箱重，成为在目前航运市场下的一个提高集装箱船运输效能的较好方法。

由于航运市场的激烈竞争，航运公司会提出需求，希望在原有装箱量的基础上增加装箱量或提高装载量。因此，日本船级社（NK）和德国船级社（GL）等为了争取客户，纷纷提出固定航线下集装箱船增加装箱量的评估服务。中国船级社（CCS）为了适应市场需求，提高服务竞争能力，近期也开展了固定航线系固计算方法研究。

2.4 高强度钢的使用导致的强度问题

2013年6月17日，日本8110TEU超大型集装箱船“MOL COMFORT”号在印度洋折断并沉没，这是迄今较大的一起集装箱船海难事故，有关事故发生的原因至今仍没有明确的说法。事发当时，该海域具有6m波高的海况，按其船体梁设计强度足以应付，因此目前主要矛头指向了该船所大量使用的高强度钢。高强度钢以成型性好、强度高等优点颇受造船厂欢迎，理论上能使船的纵向强度提高20%。但高强度钢在应付疲劳强度方面会出现一定的问题，尤其是当船体发生波激振动时。同时，高强度钢对焊接加工的工艺要求也更高，或许正是由于这两种因素导致了该船的折断和沉没。

不可否认，高强度钢的使用可以使船体轻量化，增加船体梁的极限强度，但在船体设计和建造过程中，对于高强度钢的使用必须充分考虑其缺点，并通过试验、理论计算校核以及严格的工艺规程控制等措施确保安全。

3 目前国际船级社协会（IACS）密切关注的工作

国际船级社协会（IACS）密切关注近年来集装箱船的超大型化问题，并考虑到该船型在设计、建造以及营运中一系列问题，成立了集装箱船的专家组，其目标在于：（1）通过搜集整理相关研究信息，梳理出关于超巴拿马型集装箱船结构设计、建造和营运的先进技术现状；（2）梳理出集装箱船船体结构设计、建造和检验中的现有技术要求；（3）明确附加的研究需求；（4）明确对现有技术要求的改进需求；（4）就集装箱船型向IACS委员会提出未来工作建议。该专家组由IACS各成员船级社的专家组成，于8月份召开了第一次会议，并就目前国际上集装箱船的研究水平及规范现状进行了梳理，提出了一系列需要解决的问题，在结构强度问题上已包含了本文提出的几个关注问题。相信这也是IACS和各家船级社未来着重解决的方向。

4 结语

超大型集装箱船作为近年来发展起来的火热船型，在国际船舶市场上具有广泛的需求。由于该船型的建造难度比较大，目前该船型的订单主要集中在韩国。我国在超大型集装箱的设计建造方面已开始起步，面对激烈的市场竞争，需要从技术储备等方面做足功夫。本文总结了集装箱船超大型化后在结构强度方面需要重点关注的几个问题，这也是目前研究者、设计者以及船级社最为关心的问题。