中小型集装箱船舱口围板应力与变形控制方法

董明海,陈倩清,赵汉星，刘孝军,韩晨健

(1.浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021；2.浙江海运集团舟山五洲船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000；3.中国船级社舟山办事处，浙江 舟山 316000)

中小型集装箱船舱口围板应力与变形控制方法

董明海1,陈倩清1,赵汉星2，刘孝军2,韩晨健3

(1.浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021；2.浙江海运集团舟山五洲船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000；3.中国船级社舟山办事处，浙江 舟山 316000)

在分析建造规范的相关规定的基础上，对1 100 TEU集装箱船大开口甲板舱口围板进行了变形分析和评估，讨论在船体发生总纵弯曲时，舱口角隅应力集中发生的原因，通过对舱口围板的装焊技术的分析，对原有舱口围板装焊方法提出改进措施，仿真计算结果表明，新型装焊技术对舱口围板处应力分布和变形有极大的改善作用。

集装箱船；舱口围板；变形分析；装焊技术

集装箱船舶近十几年来发展速度很快，尤其是中小型集装箱船如1 100 TEU、2 500 TEU等类型船舶，由于制造技术成熟，整体成本较低，受到沿海中小量货物运输船主的青睐。为了提高集装箱船总体容积，其舱口设计的尺寸要比散货船的舱口尺寸大，集装箱将被排放在舱口盖上。由于舱口结构的特殊性，在船体发生弯曲时，舱口结构将先于船体结构发生屈曲。因此在集装箱船舶建造和设计过程中，使其结构强度及装焊技术满足工程需求显得尤为重要。

由于中小型集装箱船上的纵向连续舱口围板在船体总纵强度中承担了较大的总纵弯曲应力，同时布置在舱口盖上的集装箱通过舱口盖传递了较大的载荷。根据国际载重线要求，舱口围板应按其位置具有坚固结构，其在甲板上的最小高度应按位置不同为600 mm或450 mm。为考虑集装箱船营运过程中安全，中小集装箱船舱口盖在设计时常采取真空密性封盖，舱口围结构采用强力结构设计，相对应围壁、机板、甲板的板厚较大，并且使用高强度钢。但是在船舶运营过程中发现，这种加强设计的舱口结构形式仍然是结构变形和节点腐蚀的重点区域，见图1。因此在每个船舶修理大周期内船东都需要一笔不小的资金投入于舱口围板和舱口盖的维修和保养。

图1 18 500载重t远洋集装箱船舱口变形与腐蚀

研究发现，采取优化舱口围板的板材结构，合理的过渡形式及建造方法以及装焊技术都对舱口围的局部强度和使用寿命有着不同程度的影响，这些都是集装箱船在设计、建造过程中需重视的工作。建造中如果舱口围的装焊质量及精度未达到要求，就会影响舱口盖密封性能设计要求，将会造成大量资源浪费，并且可能在船舶营运过程中造成PSC检查不合格而造成滞留情况的发生。因此以某1 100 TEU集装箱船为例，对大开口形式的甲板舱口围板进行变形分析和评估，讨论在船体发生总纵弯曲时，舱口角隅应力集中发生的原因，并对舱口围板的装焊技术进行研究，对原有舱口围板装焊方法提出了改进措施，保证这类中小型集装箱船舱口围装焊质量及建造安全。

1 设计与仿真分析

在船舶日常使用中，常发生由于舱口围板失稳而引起的结构变形，产生这种变形的主要原因在于舱口围板上缘纵向强度达不到要求，其上如加强筋、折边板厚度和宽度等构件的设计数值不足量等，而在船舶航行过程中由于甲板上浪或意外碰撞等引起舱口围板失稳。

1.1 舱口围板结构设计的规范计算

我国相关规范对舱口围板的设计提出了具体的最小取值要求。在船舶结构设计过程中，为了提高船整体的剖面惯性矩，一般情况下会考虑加厚甲板和舱口围板的厚度，但此种方法又同时使船体重心提高，因此需要在两者矛盾关系间取舍以获得最优解。通过舱口围板结构改变对船体中剖面模数影响的计算，分析其对纵强度影响[1]。在对该条集装箱船进行规范设计时，根据舱口围板的设计高度不同，进行结构设计计算。

对于船长L=148.00 m，航速V=18 kN，Cv=0.19的1 100 TEU集装箱船，舱口围肘板根部的剖面模数不应小于下式计算值。

(1)

式中:H——舱口围板高度，m；

∑Fy——置于舱口盖上的全部集装箱所引起的横向惯性力，kN;

m——位于舱口一侧某一个货舱的舱口围板边肘板数。

根据规范计算每个集装箱产生的横向惯性力为

式中：a——横向加速度；

Q——舱口盖上所承受的重量，根据结构设计取650 t。

舱口围板的厚度应不小于按式(2)计算所得之值。

(3)

式中：H——舱口围板的高度，m；

ReH——材料屈服应力，MPa。

舱口围板的高度增加，剖面模数在增加，从而导致甲板纵向抗弯强度增大。根据建造规范中规定，当舱口围的高度与型深比达到临界值时，增舱口围高度，反而降低剖面模数。

因此最后取值H为1 700 mm，t取值24 mm，并且在肘板趾端处主甲板下方设置强构件，以保证其结构强度。

1.2 舱段模型直接计算

由于1 100 TEU的中型级集装箱船的超长结构和开口较大特性，仅考虑垂向作用力部分对船体梁强度影响是远不够的，同时也要注意各种载荷作用，如静水弯矩、垂向弯矩、水平弯矩等。联合载荷作用下的船体强度和结构变形显得尤为突出。并且在舱口角隅的上甲板、纵向舱口围板的前后两端、舷侧纵骨以及舷侧横向强框处等重点受力区域，应力集中现象比较明显，结构疲劳强度也成为关注的焦点。对局部连续较长的舱口围板来说，船体总纵弯曲过程中它要与主船体一起参与计算，舱口盖上的集装箱载荷通过悬臂梁传递到垂直桁，使垂直桁承受很大的弯曲载荷。其受力特征见图2。

图2 舱口围板受力分析

图2b)是该船某一含舱口围板舱段的变形云图，舱段中心的变形程度最大，舱口围板受到次等级的变形量。图2a)是该船在计算中得到的应力分布云图。可见对于舱口围板来说，应力主要都汇集在角隅处，这个位置也是船舶上舱口发生破坏性裂纹的主要位置，因此需要进行进一步研究。

2 舱口围板装焊技术改进研究

舱口围板是位于主甲板和舱口盖的中间结构，如果装配和焊接工艺不正确，将会产生裂纹、变形。为确保舱口围面板水平度，应考虑面板上的构件以及整个舱口装配精度等问题[2]，由于舱口围板处采用了大量的高强度钢超厚板架结构，一旦发生焊接变形矫正是很困难的。因此必须对舱口围板的装配和焊接的精度提出工艺要求和控制方法。

2.1 舱口围板的装配精度控制方法

在舱口围装配之前，应对其面板的平面度、垂直腹板和面板之间的垂直度及扭曲度进行检查[3]。主要检查内容有：舱口围分段的船中心线是否与主甲板中心线吻合以及应用全站仪及分析软件校对舱口围面板水平度。规范技术中规定舱口围板的垂直度不得超过±1.5 mm。

在材料选用方面，1 100 TEU集装箱船舱口围板采用的高强度钢为16DH36和22DH36，舱口围面板则采用40EH36钢，水平加强材采用30DH36高强钢。在装焊之间，应根据实际图纸要求和技术要求进行补偿，确定余量划线值。

舱口围分段的肋骨定位线应与主甲板上的肋骨理论线或加强结构对合，误差不应超过1/2板厚，否则应进行修整。纵向舱口围的半宽值要保证:横向舱口围的板厚朝向艉，纵壁板厚朝向船中，舱口围分段的前后水平精度要求为±2/1 000 mm。舱口围分段纵壁的垂直度精度要求为±1.5 mm。舱口围的高度， 根据定位水线及主甲板的高度值，进行补偿后再确定余量划线值。

舱口围板在装配时每一道焊缝应预留1 mm的收缩余量，下料时内底板在分段靠艏端加放8 mm补偿量。片体装焊时，纵向每档肋距安装构件的平行角焊之间加放0.5 mm的焊接收缩量，分段无余量上船台，按对合线、肋骨检验线检验、分段对合线和中心线必须用样冲打出并用胶带保护。

2.2 舱口围板的焊接精度控制

随着极厚板的大量应用，脆性裂纹产生的风险也越来越大[4]。为了控制焊接变形和焊接裂纹，根据集装箱的结构和焊接要求，底板拼接焊缝和外板平直板拼接缝应用CO2陶瓷衬垫焊，正确选择焊接参数，焊接时应由双数焊工从中间向左右两侧对称施焊。在分段大焊缝处，所有构架的对称焊缝全部采用CO2陶瓷衬垫焊，打底自动焊盖面。无特殊说明的焊脚高度为7 mm。舱口围厚度小于 22 mm 的纵横围板拼板可选择采用埋弧自动焊，其他结构板架均采用CO2气体保护陶瓷衬垫焊。舱口围的焊接材料选用焊丝牌号AT-YJ502(Q)， 质量等级3YH10S， 焊丝直径1.2 mm。

装焊质量标准按CSQS标准执行，分段长度要求±4 mm，分段宽度要求±5 mm，分段高度要求±2 mm，分段正方度为4 mm，(指最终划线的对角线)，分段扭曲度≤8 mm，内部构件对位偏差≤1/4板厚。局部平整度，内外板9 mm ，最小测量距离为3 m，外板检测距离为5 m。

焊接前应认真核查坡口加工是否符合图纸要求，接头装配方向及部位是否符合要求等，焊接前对其装配间隙进行测量，如间隙偏大，进行合理处理，使焊接间隙达到要求范围之内。同时仔细清理可能影响焊接质量的缝区油污、水锈。

2.3 舱口围板细化模型的校核计算

集装箱船甲板舱口角隅处的应力、疲劳强度是一个较为突出的问题[5]，在提出了这种中小型集装箱船舶的舱口围板装焊过程控制与精度控制的技术方法改良后，需要对这种新型的装焊技术进行实验验证。由于对现实中船舶上装焊的舱口围板无法采用直观的测量手段，因此选择采用有限元分析方法，对该1 100 TEU集装箱舱口围板局部结构进行仿真计算，分析在该结构内部的应力分布及变形情况。

舱口围板处的局部模型见图3，并取在结构中容易产生应力集中的部位进行网格细化，以求得精确的计算结果。进行细化的部位主要是图3a)中舱口角隅位置、图3b)扶强材与甲板连接处、图3c)舱口围板与甲板的连接处。将这3个位置的网格进行细化，原结构网格大小为100 mm×100 mm，细化后的网格尺寸为5 mm×5 mm，并在大小网格间设计均匀的过渡形式，以保证应力能够按照应力波传播方向进行传递而不会由于网格大小的强间断而发生错误。

图3 局部结构模型网格细化示意

根据结构特性对模型边缘处进行位移约束，模拟舱口围板结构在整船中的装焊特性。值得注意的是，由于只取了小部分的模型进行计算，因此需要考虑装焊位置的刚度[6]，才能准确计算得到结构的应力特性。方法为采用理论公式计算得到连接位置处每一个节点的x、y、z三向刚度，然后采用赋有刚度的弹簧单元来约束模拟结构的边界条件，在结构上根据规范施加载荷，进行直接计算。计算结果见图4。

图4 舱口角隅处应力分布与变形图

经过这种改进装焊过程控制与精度控制后的舱口围板模型，其应力分布情况得到了很好的改善。图4b)所示对于局部舱口围板结构来说，其应力最大处在肋板与强构件的连接处形成典型的应力集中情况，并且有可能沿肋板方向横向传递。从图4a)中可以看到，对于整个结构来说，其应力最大值存在的位置是在横向构件与扶强材装焊的位置，这个位置也是在焊接过程中的尾端位置，最容易引起伸缩变形及应力集中，因此需要格外关注。在本次计算中，结构的最大应力值为83.2 MPa，远小于Q235钢的屈服强度235 MPa，因此认为是满足强度要求的。

3 结束语

由于舱口结构的特殊性，在船体发生弯曲时，舱口结构将先于船体结构发生屈曲，并且舱口连接位置也是腐蚀的重点关注区域，因此在船舶建造和营运过程中，舱口结构的保养主要以更换部件的维修为主。合理的装焊方法和工艺程序能够有效减小舱口围板集中应力和变形。因此企业在设计与建造舱口结构的过程中，可借鉴或参考分析结果，根据企业实际情况，结合多种方法，制订合理的舱口围板的装焊方案。

[1] 李小平,黄芳昌.超大舱口集装箱船舱口围板的强度分析及连续性的处理[J].船舶,1998(6)：16-21.

[2] 林洪玲.船舶空载系泊状态下舱口围装配工艺的探讨[J].造船技术,2009(2)：26-28.

[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] 瞿荣泽,潘志远,翟亚军.超大型集装箱船舶工艺设计分析[J].船海工程,2013(5)：68-72.

[5] 王东海,杜忠仁,胡安康,等.1 700 TEU集装箱船甲板舱口角隅疲劳强度评估[J].中国造船，2001(2)：65-70.[6] 程玉芹,罗广恩.超大型集装箱船上甲板舱口角隅疲劳强度评估[J].船海工程，2013(1):25-27.

On Stress and Deformation Control Methods of the Hatch Coaming forMedium and Small Sized Container Ship

DONG Ming-hai1, CHEN Qian-qing1, ZHAO Han-xing2, LIU Xiao-jun2, HAN Chen-jian3

(1 Zhejiang International Maritime College, Zhoushan Zhejiang 316021, China;2 Zhoushan Wuzhou Ship Repairing & Building Co., Ltd., Zhoushan, Zhejiang, 316000, China;3 Zhoushan Office of China Classification Society, Zhoushan Zhejiang 316000, China)

After analyzing the relevant construction standards, the deformation of the hatch coaming for the 1 100 TEU container ship is assessed and the reasons of stress concentration of hatch corner is discussed. By studying the welding technical requirement for hatch coaming, an improvement measures of the original fabrication method is proposed. The simulation results show that the proposed welding technology is helpful to improve the stress distribution and displacement of the hatch coaming.

container ship; hatch coaming; deformation analysis; welding procedure

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.007

2014-08-15

浙江省教育厅科技项目(Y201328600)

董明海(1979-)，男，硕士，讲师

U671.83

A

1671-7953(2015)01-0029-05

修回日期：2014-10-13

研究方向:船舶工程

E-mail:dmhai0352@126.com