多用途船集装箱装载工况直接计算分析

张润华，潘忠兵，陆陈康

（中国船级社上海分社，上海 200135）

0 引 言

多用途船是一种能载运杂货、散货及集装箱等多种“不确定性”货物的船型，具有载运高效，使用简便的特点[1]。随着航运业的发展，我国海上多用途船的需求不断上升。根据多用途船的装载特点，进行结构有限元计算分析，保证船舶结构强度的安全、可靠正越来越受到设计方、建造方和船级社的高度重视。

考虑到中国船级社钢质海船入级规范（2012）[2]和2013年修改通报（以下简称“钢规”）中没有明确给出多用途船直接计算的具体要求，又由于多用途船装载货物的多样性，它的结构设计与一般专用运输船舶不同，特别是多用途船在装载集装箱时其局部支撑结构的设计与专用集装箱船有区别（见图1）。多用途船装载集装箱时，一般在货舱内纵舱壁上安装用于横向固定集装箱的装置，集装箱之间靠横向双锥连接，并在内底板上设置埋入式底座，而集装箱船在舱内用箱格导轨架固定集装箱（见图2）。由于多用途船与集装箱船在货舱内装载集装箱时的固定方式不同，因此在对多用途船装载集装箱工况进行舱段直接计算分析时，不能完全参照“钢规”中关于集装箱船直接计算的内容进行分析。

图1 某多用途船舱内集装箱系固布置

图2 某集装箱船横舱壁上的箱格导轨架

以一艘能装载1700TEU集装箱为主的某多用途船为研究对象，参考“钢规”中集装箱船结构强度直接计算的相关要求，建立货舱段有限元计算模型。并根据该多用途船货舱区域的结构型式、集装箱固定方式以及集装箱的实际布置，在舱段有限元计算模型中着重对该船货舱区域结构的实际受力情况进行分析，在节点上施加相应货物载荷。通过对货舱段结构强度进行数值计算分析，进一步讨论该船集装箱横向运动加速度和垂向运动加速度产生的惯性力对船体结构强度的影响[3]，并为设计者提供更准确的多用途船货舱在装载集装箱时的结构强度分析方法。

1 货舱段有限元模型

该船主尺度以及主要参数见表1。

表1 某多用途船主尺度及参数

1.1 模型计算范围

该多用途船共设5个货舱，由于第三货舱位于船中位置，根据“钢规”要求选取第三货舱作为直接计算的目标货舱。舱段直接计算模型的纵向范围为第二货舱区的1/2个货舱、整个第三货舱区、第四货舱区的1/2个货舱（FR88～FR162），其中FR106、FR109、FR143、FR146分别为水密横舱壁位置，模型横向范围为整个船宽。

舱段有限元计算模型取船体横向、纵向范围内的所有构件，并满足“钢规”第1章第14节1.14.6的建模原则（见图3、4）。

图3 舱段有限元模型示意（全宽）

图4 舱段有限元模型示意（左舷）

1.2 边界条件

为了避免过去直接计算法中边界条件施加后弯矩及剪力修正的不确定性，“钢规”要求边界条件按照计算局部载荷和施加断面弯矩分开处理，然后将两次计算的应力结果线性叠加后再进行强度校核。该船参考了“钢规”第2篇第7章附录2集装箱船结构强度直接计算边界条件设定的内容，建立适合本船局部对称载荷、总体载荷和横倾工况的边界条件，详细边界设定见表2、3、4和图5。

局部对称载荷工况和橫倾工况边界条件要求该船舷侧外板、内壳板与前后横舱壁交线EG、FH（见图5）上节点设置垂向弹簧单元（Grounded Sping_UZ），橫倾工况边界条件还要求船底板、内底板与前后横舱壁交线IK、JL（见图5）上设置水平弹簧单元（Grounded Sping_UY）。弹簧单元弹性系数均匀分布，弹性系数K为：

式中：G——材料的剪切弹性模量，对于钢材，G=0.792×105；

A——前后舱壁处舷侧外板、内壳板的剪切面积或前后舱壁处船底板和内底板的剪切面积；

lH——舯部货舱长度；

n——舷侧外板、内壳板上垂向交线节点数量。

表2 局部对称载荷边界条件

表3 总体载荷边界条件

表4 橫倾工况边界条件

图5 边界条件

2 载荷及计算工况

2.1 计算工况

该船装载集装箱时，可参照装载手册和“钢规”第2篇第7章附录2集装箱船结构强度直接计算中所列出的LC1、LC2、LC3、LC9、LC10正浮工况，LC4、LC5橫倾工况，LC6纵荡工况。“钢规”中除了纵荡工况是考核纵向惯性力对船体结构的影响，其他计算工况均为仅考虑施加静载荷的工况。为了讨论船舶横向运动、垂向运动加速度产生的惯性力对船体结构的影响，还增加了集装箱横向、垂向动载荷影响的装载工况LC7、LC8，LC9av、LC10av（见表5）。

表5 计算工况

2.2 计算载荷

2.2.1 计算公式

运动加速度公式和波浪载荷可以参照“钢规”第2篇第1章第14节的相关要求计算。20ft和40ft集装箱载荷分别按照装载手册中甲板上和货舱内集装箱最大许用堆重取值。集装箱由横向、纵向、垂向运动加速度产生的惯性力按照每个集装箱所处位置计算其所受惯性力，表6、7给出了该船舱内集装箱载荷的计算值。

集装箱动载荷公式为：

式中：G——集装箱的总重量；Q——风载荷；φm——最大横摇角； al——纵向合成加速度； at——横向合成加速度； av——垂向合成加速度。

集装箱静载荷公式为：

式中：θ——橫倾角。

表6 20ft舱内集装箱（24t）载荷

表7 40ft舱内集装箱（30.48t）载荷

2.2.2加载方式

根据“钢规”的要求：货舱内集装箱由于橫倾产生的横向载荷分量，按其在横舱壁对应的箱角分布位置为作用点，以一组集中力作用在横舱壁上；货舱内每一集装箱由纵向运动加速度产生的力应按各集装箱的物理位置由集装箱对应箱角位置传递到横舱壁的主要构件上。

考虑到多用途船的结构形式和常规集装箱船存在差异。该船货舱内未设置横向支撑舱壁且横舱壁上也没有设置导轨架（横舱壁和集装箱间不存在力的传递关系），故无法将集装箱由于纵向加速度产生的力以及船舶橫倾、横摇产生的集装箱横向载荷分量传递到附近的横舱壁上，且舱内集装箱的实际系固布置只能将横向载荷传递到内壳纵舱壁上（见图1）。所以，对于橫倾工况LC4、LC5和横向、垂向运动载荷工况LC7，舱内横向载荷由内壳纵壁承受，加载点为内壳纵壁上横向拉压支撑器位置（见图6）。对于纵荡工况LC6，由于该多用途船集装箱布置在船长方向与横舱壁有一定距离，舱内集装箱的纵向惯性力仅由底脚件传递到内底板上，所以将计算出的纵向惯性力加载到内底板的箱角处（见图7）。其它甲板上集装箱载荷可参照“钢规”要求加载。

图6 橫倾工况集装箱载荷的加载方式

图7 纵荡工况集装箱载荷的加载方式

3 有限元计算结果和分析

3.1 计算结果比较

通过对该多用途船货舱区域结构有限元模型的数值计算，得到集装箱装载工况LC1～LC10的应力分布。这里仅给出部分工况下一些主要构件的计算结果（见表8）。

表8 主要构件的应力水平比较 单位：N/mm2

3.2 横向、垂向运动加速度对船体结构响应的影响

根据表8中列出的在部分计算工况下主要构件的最大应力，分析船舶垂向、横向运动载荷对船体结构强度的影响。

3.2.1 计算结果分析

横向、纵向运动载荷对船体结构的影响从表6～8的计算结果可以看出：

1) 考虑到外载荷的变化，运动载荷工况下部分构件的应力水平要大于静载荷工况；

2) 如图8、9所示，根据该船货舱内实际的受力分布加载后，LC4、LC5计算工况下纵舱壁，内底板的应力分布更加接近实际情况；

3) 工况LC1内底板应力水平要大于其他工况，其原因是LC1假定工况中间货舱为空舱，双层底主要承受了外部海水压力的影响，但是双层底局部强度还和设计许用堆重相关，所以其他装载工况不能省略。

图8 LC5工况纵舱壁应力水平

图9 LC5工况内底板应力水平

3.2.2 综合分析

1) 在计算运动载荷时，需考虑舱内每个集装箱的物理位置，计算时可选取延船长范围内各个方向的最不利的运动加速度；

2) 由于静橫倾角和最大横摇角各不相同，所以LC4、LC5、LC7、LC8各工况在船舶初步设计时都可以考虑；

3) “钢规”中纵荡工况LC6，主要校核的是横舱壁的结构强度，所以将计算的纵向动载荷加载内底板的箱角处，但仅校核相邻横舱壁的应力水平。

4 结 语

对某多用途船集装箱装载工况下舱段结构强度计算结果的讨论与分析，可以得到如下结论：

1) 对集装箱在舱内的固定形式使船舶运动（横摇、垂荡等）产生的动载荷作用的船体结构的评估是不可忽视的，增加动载荷因素的计算工况更能真实地反映船舶在营运过程中的结构响应；

2) 为了更准确地反映力的传递，货舱内集装箱压力或惯性力的加载应与该船的实际系固布置相结合；

3) 由于船舶运动状态的多样性，如船舶纵荡向下、纵荡向上和左右舷横摇对各个加速度的影响，所以增加动载荷因素的计算工况还需不断完善，包括与之对应的结构衡准。

[1] 陈 方，李忠杨. 24000dwt多用途船结构设计[J]. 船舶设计通讯，2011[Z1]: 38-43.

[2] 中国船级社. 钢质海船入级规范[S]. 北京：人民交通出版社，2012.

[3] 初艳玲. 超大型集装箱船结构强度规范校核及有限元分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

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