大型集装箱船结构分析与建造工艺研究

贺迎宾　崔海锋　陆国强

【摘要】随着世界经济贸易的发展，集装箱船因其安全、方便、经济等特点而成为了世界航运的主力，并且不断向大型化和高速化发展，因此对大型集装箱船的结构和建造技术进行研究，对于提升我国造船技术具有十分重要的意义。本文对大型集装箱船的主要结构进行了详细分析，并对大型集装箱船的多种建造工艺进行了研究。

【关键词】集装箱船；结构分析；建造工艺

1.引言

随着经济全球化的发展，世界各国贸易量不断增长，集装箱船因其高效、便捷、安全等特点而成为了世界航运的主力军，并且为了进一步降低运输成本，集装箱船不断向大型化和高速化发展，目前大型集装箱船已成为世界集装箱航运市场的最主要船型。与此同时，因为大型集装箱船所具有的高技术、高附加值等特点，而越来越受到造船企业的重视，因此开展对大型集装箱船的结构分析和建造工艺研究，对于提高我国造船企业的造船技术，并进一步提升其在国际造船市场的竞争力具有重要的现实意义。

2.大型集装箱船的结构分析

（1）结构布置。大型集装箱船为了保证总纵强度，通常在舷侧使用抗扭箱以及连续有效的舱口纵向围板，或者采用双壳舷侧结构，并在双壳的上、下两部分都采用纵骨架。而机舱与上层建筑则通常布置在整个船体的中间偏后位置，其中机舱多采用横骨架结构[1]。另外，一般将大型集装箱船的横舱壁分为结构舱壁和水密舱壁，其中的结构舱壁的主要作用是增加强度以及作为导轨的支撑。为了保护甲板上的集装箱，很多大型集装箱船还经常设置挡浪板，并将两端设为尖瘦形状。

（2）船体骨架。大型集装箱船的骨架一般采用纵骨架式，其目的是让纵骨参与船体梁总纵弯曲，从而有效提高船体梁的总纵强度以及抗扭转能力，因此大部分的纵骨都应采用角钢、型钢或球扁钢。在装箱数一定的情况下，要根据集装箱的布置、导轨的设置和板材局部强度的要求来设置纵桁以及确定纵骨间距。另外，依据弯曲扭转应力与外载荷分布特征，应在管弄处将强框间距设为两档肋距，而在抗扭箱与舱口围板处则设为八档肋距，其余部分都设为四档肋距。

（3）箱形梁设计。在船舶运动时，上部横向箱形梁的主要作用是控制舱内和甲板上的集装箱对甲板产生的应力，使其在一定范围内，从而减少舱口的变形；同时通过其刚性来支持舱壁垂向扶强材的上部，阻止横舱壁的变形，因此对其导轨和绑扎要求极高。而下部纵向箱形梁的主要作用是增加双层底与双壳结构的连接刚性以及抗扭刚度，从而减少扭转应力及舱口的变形，因此纵向箱形梁通常取集装箱的高度，并且将其端部与横舱壁的下壁凳进行牢固连接。

（4）总纵强度。由于大型集装箱船的开口极大，因此其总纵强度成为结构设计的关键问题。通常，抗扭箱上部采用屈服极限达355N/mm2的高强度钢，其板厚为50～60mm，采用相同板厚的還有甲板、纵舱壁上列板、舷顶列板、舱口围板以及舷顶抗扭箱内纵骨等部分。在计算横剖面时，采用的中剖面模数通常比规范要求值适当大些，从而满足垂向弯矩、水平弯矩以及扭矩综合作用对强度的要求。另外，当船首有明显外飘造成波浪弯矩增大时，应将船体剖面模数也作适当增加。

（5）扭转强度。影响船体扭转刚性的因素主要有船体的纵向抗扭箱、横向抗扭箱、甲板结构、翘曲刚性及其两端部的约束等。其中船体的翘曲刚性的影响因素是机舱区域与箱形结构的翘曲约束有效度，当机舱足够长，并且机舱上的甲板开口不大时，就可以提供有效的翘曲约束，但首部船体的翘曲刚性一般比中部小，从而导致了翘曲约束有效度的降低[2]。另外，通过将有效纵向箱形结构设置在首部区域的方法，也可实现对其翘曲刚性的补偿。

（6）疲劳强度。在不同方向滚的作用下，大型集装箱船的应力变化通常较大，尤其是位于机舱前端的舱口角隅位置，因此处纵舱壁的不连续，导致其在波浪弯矩影响下扭转明显，同时结构变化也十分明显。另外，波浪诱导的船体垂向弯矩、斜浪诱导的波浪扭矩、波浪对局部结构的动压力以及货舱内货物的运动惯性力等因素也会对船体构件产生交变应力，导致纵骨疲劳。

3.大型集装箱船的建造工艺

为了提高大型集装箱船的建造速度与建造质量，通常采用壳、舾、涂一体化的建造模式，通过中间产品生产对造船作业主流程进行优化，并推行作业前移，来提高分段完整性和总装化水平，其相关工艺有：

（1）总段建造工艺。由于大型集装箱船的建造精度比一般船舶的要求更高，而且外板线型也更大，故采用分段建造工艺进行建造的难度也比其它船型大。在这种情况下，如果依然将机舱区前面作为搭载起点，并采用传统的塔式搭载法，就会导致其在船坞内的建造周期大幅延长。为了解决这个问题，最好的方法就是采用总段建造工艺，即先将总组扩大，然后在坞内进行大合拢[3]。总段建造法可实现坞内建造周期的大幅缩短。

（2）角焊缝密性试验工艺。角焊缝密性试验工艺是指在分段阶段将空气从注气孔注入脚焊缝之间夹层的一种密性试验工艺。通过这种工艺可以使密性试验前移，这样不但可以减少后道大合拢阶段的工作量，而且还可以提高分段的预晒装率，进而提高分段的完整性。

（3）片状化制造工艺。为了加快大型集装箱船的分段建造速度，可采用片状化制造工艺，即通过大、中、小组立工位的设置，首先将大型分段转化为部装件以及小型分段来进行拼装，然后再将其组合为大分段，从而实现大工场大用、中工场中用、小工场小用，这样不但节省了大分段建造的时间，而且还降低了其建造难度，使整个分段建造过程更易于控制，同时也有利于精度质量的控制。

（4）横舱壁导轨架双面预装工艺。为了推进船坞的快速有序搭载，并减少船坞横隔舱的总组时间与吊装次数，从而缩短船坞的建造周期，在进行分段建造时，可在整个横舱壁中预装导轨架、预舾装、验收和涂装，从而提高其中间产品化程度，进而向壳、舾、涂一体化方向迈进。

（5）精度造船工艺。所谓精度造船工艺，是指通过精度控制方法，来实现货舱区的无余量下料和首尾机舱区域的无余量合拢。为了保证精度控制的实效性，必须拥有详细且具体的精度控制系统，并且必须建立组织来落实责任人，只有这样才能通过精度造船来实现大型集装箱的快速、高质量建造。

（6）船坞一艘半建造工艺。所谓船坞一艘半建造工艺，是指在船坞内同时进行两艘船的正常施工，即当其中的一艘整船已经进入完整性作业时，另外半艘船则处于最繁忙的主体搭载阶段。通过这种建造工艺可以使船坞的设备、作业面、劳动力以及动力能源都处于平衡状态，从而使船坞建造过程实现了良性循环，极大的提高了生产效率。

4.结束语

对大型集装箱船的研究是一项及其复杂的课题，在研究过程中可能会遇到很多意想不到的问题，尤其是在结构设计和建造工艺方面更是如此。因为大型集装箱船的船体结构有很多自身的特点，只有充分了解每个结构的细节，并不断分析研究，才有可能在结构设计方面取得一定的进步。而在大型集装箱船的建造方面，必须根据船厂自身的技术能力，在生产设计和实际施工中不断进行探索和总结经验，才能制定出有效的建造工艺，从而实现大型集装箱船的高效建造。

参考文献

[1]韩钰，杨旭.4250TEU集装箱船的结构设计[J].船舶，2009（5）.

[2]白建伟，李国培，顾永宁等.集装箱船整船有限元结构分析[J].船舶工程，2010（5）.

[3]唐昌.1600TEU集装箱船的结构设计[J].上船科技，2000（2）.