超大型集装箱船结构设计关键技术分析

陈　皓,　李文贺,　彭贵胜

(1. 中国海运集团总公司 科技信息部， 上海 200080;

2. 大连船舶重工集团有限公司 设计研究所， 大连 116000)

超大型集装箱船结构设计关键技术分析

陈皓1,李文贺2,彭贵胜2

(1. 中国海运集团总公司 科技信息部， 上海 200080;

2. 大连船舶重工集团有限公司 设计研究所， 大连 116000)

摘要:针对超大型集装箱船结构布置进行多方案设计对比分析。以某万箱船为例，对比了8种不同结构布置方案，确定了货舱区结构设计、横舱壁支撑系统、设计静水弯矩、纵骨型材选择以及货舱内装载高箱对结构性能的影响。该研究对超大型集装箱船结构优化设计有一定的参考意义。

关键词:集装箱船； 有限元； 优化设计； 规范计算

0引言

目前国内超大型集装箱船市场中，万箱以上的超大型集装箱船是设计开发的重点船型，其结构设计与以往常规集装箱船不同。影响集装箱船空船重量和结构性能的主要因素有：设计静水弯矩、横舱壁支撑桁材布置、不同船级社规范、纵骨型材选择、纵骨间距布置等。对以上影响因素分别进行多方案研究论证，找到适合超大型集装箱船的结构型式，并确定主要设计参数对大型集装箱船结构重量的影响。

1结构布置及主要设计参数研究方案

货舱区结构布置形式是影响集装箱船结构重量的主要因素，对每一影响因素进行多方案的对比论证，找到最佳的结构布置方案并判断主要设计参数的影响,研究方案包括：

(1) 水密舱壁间3个Bay布置方案；

(2) 货舱全装高箱方案；

(3) 型材选用对结构重量的影响；

(4) 支撑舱壁垂向、水平系统对比研究；

(5) 设计弯矩对结构重量的影响；

(6) 强框布置形式对结构性能的影响。

2各研究方案研究内容及成果

2.1水密舱壁间3个Bay布置方案研究

常规集装箱船1个货舱包括2道水密舱壁和1道支撑舱壁(2个Bay),见图1。为考察水密舱壁间布置3个Bay布置的影响，以某万箱船作为母型，将1个舱由2个Bay设计修改成3个Bay设计，见图2。

图1　水密舱壁间2个货舱

图2　水密舱壁间三个货舱

保持设计参数条件不变，用英国劳氏船级社软件和规范进行中剖面的规范计算和舱段有限元分析，校核新方案对结构性能和结构重量的影响，计算结果见表1。

表1　3 Bay和2 Bay方案结构重量对比

由表1可知，3 Bay设计的水密横舱壁结构仅比2 Bay设计重0.9 t，重量相差不大;支撑舱壁结构增加了7.6 t，重量增加较多。3 Bay方案的单位长度纵向构件较重，采用该方案将节省1道水密舱壁。万箱船如采用3 Bay设计方案，虽然船体结构重量减轻不多，但减少了大量的角接焊缝(约1 600 m)和对接焊缝(约750 m)，降低了船舶建造成本并缩短了建造周期。目前已有万箱级营运船采用货舱3 Bay设计,可见该设计是可行的。船长越长则节省水密舱壁越多，因此超大型集装箱船采用3 Bay设计方案经济效益较好。

2.2货舱全装高箱方案

为满足冷藏箱的维护要求，货舱区结构必须按高箱设计，横舱壁应采用水平支撑系统,舷侧纵骨及水平桁均按高箱布置。分别采用纵骨间距为724 mm和965 mm 2种布置方案，据以上功能要求进行剖面设计及中剖面规范计算和舱段有限元分析，具体布置图见图3。

图3　高箱结构布置方案图

主要考察舷侧纵骨间距变化对结构布置、结构重量、规范计算和有限元计算屈服、屈曲结果的影响，计算结果见表2。

表2　中剖面参数对比

由表2得出，纵骨间距为965 mm方案结构比纵骨间距为724 mm方案重1.07%；纵骨间距为724 mm缩减纵骨跨距，减小了带板厚度，经规范校核发现，因为纵骨间距减小，有效地减小了板和筋的尺寸。

2.3型材选用对结构重量的影响

型材选择是船舶结构设计初期必须考虑的问题，此处仅对比球钢和角钢2种型材，从规范计算和直接计算2方面考察2种结构性能的优劣性及其对空船重量的影响。为考核型材对结构重量的影响，对比方案除型材不同外，其余均相同，分别对比主要结构的结构性能及重量。不同型材的设计对结构重量的影响见表3。

经规范校核和有限元分析对比发现，角钢与球钢的剖面性能相当。对于局部载荷确定的型材剖面模数，型材规格的连续性决定了型材重量，因此从剖面性能无法区分型材的优劣。角钢的屈曲性能优于球钢，在直接计算过程中略有优势。由于设计载荷相同，局部载荷确定的筋剖面模数相当，规范确定的板材尺寸相同，球钢不仅在扭曲施工上不如角钢，而且相同剖面模数的横截面积大于角钢，且规格不如角钢丰富。当前设计的大型集装箱船纵骨多采用角钢。

2.4支撑舱壁垂向、水平系统对比研究

6 000 TEU以下集装箱船横舱壁支撑桁材通常为水平系统，万箱以上集装箱船则采用垂向支撑系统。为确定2种支撑系统对结构性能和结构重量的影响，分别对2种支撑系统建立有限元模型，进行直接计算校核。

表3　角钢和球钢方案比较

表4　横舱壁支撑系统重量对比

采用以水平系统作为水密舱壁和支撑舱壁的支撑结构，垂向6档，分别布置于G5，G10，G14。经过有限元计算发现，在货舱和甲板上装满集装箱的情况下，所有载荷由中间甲板承担，垂向桁材没有支撑效果，导致水平支撑系统较垂向支撑系统重，而垂向支撑系统可以将舱口盖上的垂向载荷均匀地传递到外底，起到良好的支撑作用。

2.5设计弯矩对结构重量的影响

集装箱船不同于油船和散货船的固定装载模式，其静水弯矩与装载直接相关。集装箱船的装载手册中仅包含设计说明书和规范要求的典型装载工况，而实际运营的箱船装载非常灵活，设计静水弯矩直接影响箱船的使用性能。针对该情况，分别设立静水弯矩为63万tm、68万tm和73万tm方案，考核静水弯矩变化对箱船结构重量(尤其是纵向结构重量)的影响。在保证波浪弯矩相同的同时，尽量保证设计余量一致。各方案下的结构重量对比见图4，各结构随弯矩的重量变化见图5。

图4　结构重量对比

图5　各结构随弯矩的重量变化

从图4可以看出，静水弯矩增加5%,结构重量增加1%左右，设计静水弯矩对结构重量的影响主要体现在连续纵向构件上。

2.6强框布置形式对结构性能的影响

集装箱船舷侧强框加筋布置一般分为水平布置和垂向布置2种，各有优缺点。水平加筋方式可以折减跨距，增加纵骨和强框的连接面积，采用软趾可改善疲劳寿命。垂向加筋方式施工方便，对于高效的拉入法施工更加有利，同时其结构重量轻于水平加筋结构形式。

舷侧的外板纵骨在结构水线以下，由于外部动载荷较大，这些外板纵骨的疲劳应力也较大。疲劳计算结果表明，若强框架上的平铁连接到这些外板纵骨上，则纵骨的疲劳强度不满足要求(见图6)。此处采用布置2条垂向筋的形式解决强框架腹板板的屈曲问题，而舷侧外板纵骨在穿越强框架时没有结构焊接到纵骨的面板上。另外，若计算纵骨的连接面积不足，应增加补板(见图6和图7)。

为考核2种加筋布置形式的优劣性能，分别对舱中强框建立2种布置形式的有限元模型，加载计算。计算结果见表5和图8～图11。

图6　强框结构形式

图7　强框加筋布置形式

表5　屈服屈曲结果对比

图8　垂向加筋强框屈曲计算结果

图9　垂向加筋强框剪切应力

图10　水平加筋强框垂向应力

图11　水平加筋强框合成应力

从图8～图11可以看出，垂向加筋方式下所有板格的屈曲结果都优于水平加筋方式。屈曲计算时，采用计算板格内单元的平均应力作为板格计算应力，板格越大，平均应力越小。舷侧强框由于载荷、开孔及靠近外板等原因，应力梯度大，采用大的板格更有利于屈曲计算。除屈曲性能外，强框的加筋布置应考虑到折减跨距、连接面积、疲劳、施工(对位及拉入法)的影响。综合以上优缺点，万箱级集装箱船水线以上水平加筋，水线以下垂向加筋。

3结语

将影响集装箱船空船重量和结构性能的主要因素设计静水弯矩、横舱壁支撑桁材布置、纵骨型材选择、纵骨间距布置等分别进行了多方案研究论证，找到适合超大型箱船的结构型式，并且确定了主要设计参数对大型箱船结构重量的影响，主要结论如下。

1) 水密舱壁间3个Bay布置方案：随着集装箱船逐渐大型化，水密舱壁间布置3个Bay可以减少水密舱壁数量，减小空船重量。

2) 货舱全装高箱方案：论证了货舱内全部装高箱的布置方案，确定了纵骨间距724 mm及横舱壁支撑系统布置方案。

3) 型材选用对结构重量的影响：论证了纵骨采用球钢和角钢对结构重量及结构性能的影响，最终确定选用角钢作为纵骨，结构性能最优。

4) 支撑舱壁垂向、水平系统对比研究：研究了横舱壁水平和垂向支撑系统的结构性能，确定了水平支撑系统的布置形式和垂向支撑系统的优势。

5) 设计弯矩对结构重量的影响：确定了设计静水弯矩对结构重量的影响，静水弯矩增加5%，结构重量增加约1%。

6) 强框布置形式对结构性能的影响： 论证了舷侧强框架水平和垂向2种加筋方式，最终确定，对于万箱级集装箱船，水线附近采用水平加紧，其他位置采用垂向加筋布置形式。

参考文献：

[1]王勖成.有限单元法[M]. 北京：清华大学出版社，2000.

[2]CB/T 4000—2005，中国造船质量标准[S]. 北京：中国标准出版社，2005.

[3]中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册[M].国防工业出版社,1998.

[4]中国船级社.《国际海上人命安全公约》综合文本[M]. 北京：人民交通出版社，2004.

收稿日期：2014-12-19

作者简介：陈皓(1980—)，男，工程师，主要从事大型集装箱船设计工作。

文章编号：1674-5949(2015)01-032-05

中图分类号：U674.13+1文献标志码：A

Research on Structure Design of Ultra Large Container Ships

ChenHao1，LiWenhe2，PengGuisheng2

(China Shipping (group) Company Science and Technology Information Department,

Shanghai 200021, China; Dalian Shipbuilding Industry Co., Ltd, Dalian 116000, China)

Abstract:Different structure arrangement cases of the ultra large containership are researched. For an example container ship, the cargo hold arrangement, support system of bulkhead are studied, the still water bending moment and the type of longitudinal structure are designed. The influence of higher container on structure is investigated. The study gives useful information for structure design of ultra large container ship.

Key words:container ship; finite element method; optimized design; rule check