超大型集装箱船货舱段横向强框布局优化与研究

陈乐昆 陈 磊 周素素 王志超

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

超大型集装箱船货舱段横向强框布局优化与研究

陈乐昆 陈 磊 周素素 王志超

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

随着2015年首艘国内建造的18 000标准箱超大型集装箱船的成功交付以及后续多艘新船订单的生效，集装箱船的大型化趋势日渐明显。文章对某超大型集装箱船的横向强框布局提出优化设计方案，针对优化方案进行规范计算和舱段有限元分析。分析结果表明：优化后的空船质量有所减轻，并且船厂的工艺施工量也因强框数量的减少而减少，从而有效降低成本。该优化方案为今后的设计工作提供了有价值的参考。

超大型集装箱船；结构设计；屈服强度；屈曲强度

引 言

近几年受世界经济不景气的影响，船运市场全线回落，新船订单急剧减少，给船舶行业从业者带来很大压力。面对此情此景，船舶结构设计应该从降本增效着手，在开发新船型时一方面要尽可能减轻空船质量，降低结构成本；另一方面则需要减少船舶建造过程中的工艺施工量。这样不仅能提高效率，而且能够降低人力成本。目前国际船舶航运市场上的集装箱船主要呈现大型化、经济化、环保化的发展趋势［1］，研究表明，随着集装箱船装载量越来越大，船舶航行时或在港时的单位成本呈现明显下降趋势［2］。本文在某超大型集装箱船的设计基础上，对其横向强框布局进行优化，在满足规范要求的前提下，空船质量和工艺施工量都有所减少，为今后的设计工作提供了有益参考。

1 横向强框布局

一般来说，通常每个货舱口纵向布置有两个20 ft或1个40 ft的集装箱［3］。对于大型集装箱来说，典型的强框布置舱口间距约12.6 m。二甲板下强框间距通常为4档肋位约3.15 m。除横舱壁外，货舱内一般设有3道强框。二甲板以上结构由于要满足总纵强度要求，构件尺寸较大，同时考虑到该区域不在液舱中，因而二甲板上的强框间距可为二甲板下强框间距的两倍，通常约为6.3 m。图1为一个舱口横向强框的典型布置图。

这样的设计能保证在20 ft集装箱舱内的每一个箱脚下都有一档强框，对集装箱起到很好的支撑作用，但是除去箱脚下的强框，其他普通强框对集装箱的承载作用有限。考虑到上述特点，对强框布置进行调整（如图2所示），一个舱口间距内二甲板以下的强框数调整为2个，强框间距为4.2 m；二甲板以上的结构维持不变。通过优化之后，一个舱口间距内能减少一个完整横向强框的结构质量，同时还能减少船厂的工艺施工量，节约成本、提高效率。但优化后的方案在20 ft集装箱位于舱口间距中间的箱脚下没有强框，需要增设加强构件提升承载能力。

2 规范计算

由于新方案对结构布置作了调整，因而需要对船体构件重新进行规范计算。优化方案不会改变本船的主要参数，对总纵弯矩和波浪弯矩没有影响，所以横剖面的剖面模数许用值也不会有太大变化。但在规范计算纵骨的局部强度时，由于纵骨最小剖面模数与跨距的平方成正比，而本船的优化方案就是通过增大二甲板以下的强框间距以减少强框数量。因而，在新的方案设计中，二甲板以下的纵骨跨距增大则需选取更大尺寸的纵骨，从而在一定程度上增加了纵骨的质量；而横剖面中和轴以下纵骨的尺寸增大也会使横剖面底部的剖面模数有更大的余量。因此在满足规范要求的前提下，可通过适当减小底部区域的板厚，来抵消一部分纵骨所增加的质量。

一个整货舱长度为31.05 m。经过规范计算可知，纵骨尺寸的增大导致横剖面的单位质量增加1.857%。

3 舱段有限元分析

3.1 模型与工况

对某超大型集装箱船优化后的结构进行三维舱段有限元分析，见图3。

模型范围包括一个整舱和前后两个半舱。由于结构和载荷的对称性，故只取半宽结构，选取规范的各种工况进行校核，包括40 ft均匀装载工况、20 ft重箱装载工况、40 ft轻箱装载工况、20 ft轻箱装载工况、纵倾工况和破舱工况等。

图4为某种工况下的变形图。

3.2 屈服强度

在结果的后处理中，可以直接把材料系数考虑在内，校核单元的合成应力水平，如图5及下页图6所示。经全部校核各种工况的合成应力水平都能满足规范要求。

承载剪力的主要构件为横向强框和舱壁，图7为某种工况下横向强框的剪力云图。经校核，在20 ft重箱装载工况下，水密舱壁在二甲板以下靠近内壳纵壁的区域出现剪应力较大的情况（见图8），其中最大的剪应力为130.4 MPa，故需对这部分壁板进行加厚。图9中的阴影部分为加厚区域。

3.3 屈曲强度

经过校核，内壳纵壁靠近二甲板的区域（图下页10中阴影区域），板格的屈曲强度远不能满足规范要求（见图下页11）。图11中深色为屈曲强度不足的板格，需要对这块板进行适当加厚。

下页图12、图13分别为外板和内底板的屈曲强度校核结果，对部分屈曲强度超出许用值不多的板格，可在其适当位置增设屈曲筋。

4 结构质量对比

以一个整货舱的结构构件为对象，对优化前后的结构质量进行比较。一个货舱的长度为31.05 m。经过对横向强框布局优化之后，进行结构构件的规范计算和舱段有限元分析。优化后的货舱区结构增加的质量包括以下几个方面：规范计算中，横剖面单位质量的增大；舱段计算中，水密横舱壁板厚的增加；屈曲校核中，内壳纵壁板厚的增加；箱脚下加强增加肘板的质量。详见表1。

表1 增加质量占整个货舱质量的百分比

一个整货舱包含两个舱口间距。较之于初始设计，减少的质量为管弄中的四个强框和管弄之外、二甲板以下的两个强框结构，总质量为一个货舱的1.772%。

通过比较，对横向强框布局进行优化之后，一个整货舱的质量可减少0.176%。可见，该方案在减轻空船质量方面获得了较好的效果。

5 结 论

本文简要介绍了超大型集装箱船的典型强框布置。在某大型集装箱船设计的基础上，提出一种横向强框布局的优化方案，对优化后的船型进行规范计算和舱段有限元分析，调整构件尺寸以满足衡准要求。经过比较得出：优化之后的结构质量较初始设计有所减小，并且由于强框的减少，船厂的工艺施工量也会随之减少，从而达到提高效率、降低成本的目的。该优化方案为今后的设计工作提供了较好的思路和方向。

［1］孙晓东， 胡晓芳. 超大型集装箱船的发展趋势与质量控制要点［J］. 中国水运， 2014（5）： 44-45.

［2］李源. 集装箱船大型化猜想［J］. 中国船检， 2014（9）：69-71.

［3］韩钰， 杨旭. 4 250 TEU集装箱船的结构设计［J］. 船舶， 2009（5）： 17-22.

［4］GL. Rules for Classification and Construction Ship Technology［S］. 2015.

信息动态

“蛟龙”号支持母船建造在即

2016年11月18日，“蛟龙”号载人潜水器支持母船的建造合同在北京签订。中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）遵循“信息化、绿色化、模块化、便捷化、舒适化、国际化”原则，为该项目进行了5年多的前期研发，并参与了大洋协会办公室牵头的“大洋能力建设工作组”各项技术活动。

在下一步详细设计和建造过程中，MARIC研发人员还将对该船的声寂性、重量控制、材料与工艺以及内装等方面重点关注，力争使“蛟龙”号载人潜水器专用支持母船在设计理念、技术水平和科学调查能力方面达到国际同类船舶先进水平。

Layout optimization and research of transversal strong frame in cargo compartment of ultra-large container ship

CHEN Le-kun CHEN Lei ZHOU Su-su WANG Zhi-chao
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

With the successful delivery of the 18 000 TEU ultra-large container ship(ULCS) which is first built in China in 2015 and the recognition of several new ship orders, the enlargement trend of container ship becomes more and more obvious. This paper presents the optimized design schemes for the layout of the transversal strong frame in the cargo compartment of ULCS, and performs the rule calculation of the optimized schemes and the fi nite element analysis of the cargo hold. The results indicate that the lightship weight and the technique construction in the shipyard are decreased with the fewer strong frames, resulting in the e ff ective cost reduction. The optimization schemes can provide the valuable references for the further ship design.

ultra-large container ship(ULCS); structural design; yield strength; buckling strength

U661.4

A

1001-9855（2017）01-0039-06

2016-08-19；

2016-08-26

陈乐昆（1988-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶结构设计。陈 磊（1984-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶结构设计。周素素（1988-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶结构设计。王志超（1989-），男，硕士，助理工程师。研究方向：船舶结构设计。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.039