集装箱船典型舱口盖定位销支撑结构强度分析简化方法

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(中国船舶及海洋工程设计研究院， 上海 200011)

集装箱船在航行的过程中，由于船体的横摇及纵摇运动，舱口盖会有相对于主船体的滑动，定位销的作用就是抑制这种相对运动。他们之间的相互作用可以简化为以下过程：舱口盖上所系固的货物和舱口盖由于船舶运动产生的横向力和纵向力，通过定位销把载荷传递到舱口围结构及定位销支撑结构上，设计过程中需要根据载荷大小合理设计支撑结构形式和尺寸[1]。目前规范中还没有关于定位销支撑结构板厚的计算公式，随着集装箱船尺度[2]与甲板上集装箱堆重[3]的逐渐增大，传递到定位销上的载荷也在增大，对于20 000 TEU级的集装箱船，定位销所承受的载荷可以达到500 kN左右。目前在设计过程中，往往只能根据定位销载荷参照母型船进行支撑结构设计，利用有限元分析计算来校核构件尺寸。由于定位销附件舱口盖垫块及绑扎桥立柱的加强较多，建立细网格模型费时费力。为此，考虑通过有限元分析的方法，对现有定位销支撑结构进行分析，归纳出支撑结构板厚、最大应力及载荷之间的经验公式，并通过实船数据对公式进行验证。根据计算结果提出新型的支撑结构形式，总结出该支撑形式的经验公式，为今后的定位销支撑结构设计提供依据。

1 典型定位销支撑结构形式

集装箱船典型定位销支撑结构见图1，主要包括舱口围顶板的嵌入厚板ttop(顶板)，横舱壁的嵌入厚板ty(横向板)和沿船长方向的纵向板tx。设计中这3个板厚往往取值相同。

图1 集装箱船典型定位销支撑结构示意

2 定位销的载荷

根据《钢质海船入级规范 第二分册》第2.20.2.9小节中的第(2)点[4]，定位销上2个方向(y为横向，x为纵向)的力的取值分别为

Fx=0.2mgFy=0.5mg

式中：m为舱口盖上所系固货物的质量和舱口盖的质量总和；g为重力加速度。

实际上舱盖非定位销的一端设有横向限位装置，承受一半的横向载荷。因此，作用在定位销上的力实际取为Fx=0.2mg,Fy=0.25mg。于是，Fy与Fx的比值为1.25。

关于后续计算中载荷的选取，依据某超大型集装箱船上的定位销结构，选为

Fx=3 200 kN，Fy=4 000 kN。

从图1可以发现，定位销高于舱口围板的部分可以大概分为上半部的圆台和下半部的圆柱部分，圆台的主要作用是在舱口盖装载时起导向作用，在航行过程中，与舱口盖结构并无接触。而下半部分的圆柱在舱口盖运动时起限位作用，承受主要的载荷，考虑到定位销本身的刚度极大以及高度很小，加载方式可以近似为集中力的形式，施加的位置在定位销圆柱部分的一半高度处。

3 板厚与最大应力及载荷间的关系

板厚t和最大应力σ关系为[5]

tn·σ=C

(1)

式中：n为需要根据计算数据归纳出的常数；C为与结构本身以及载荷相关的常数。

考虑结构与载荷的线性关系，在某一固定板厚下最大应力值应该与外力成正比，即

σ=αFx+βFy=K0Fy

(2)

由此，将式(1)变化为

tn·σ=KFy

(3)

式中：K为只与结构本身属性相关的常数，K=K0tn。

4 典型定位销支撑结构计算分析

有限元模型中，定位销使用体单元模拟，舱口围结构使用板单元模拟，见图2。

体单元和板单元的连接的处理方式是在连接处的体单元内建立重复的板单元，根据以往的计算经验，由于定位销的刚度很大，重复的板单元对定位销与舱口围结构间的应力传导影响很小。

按照典型结构设计方案，舱口围顶板、横向板和纵向板分别取12、23、35 mm 3个不同板厚进行计算，计算结果表明：

1)顶板和横向板的应力峰值水平接近，差距约为10%；

2)纵向板应力峰值仅为顶板的30%～50%，且应力集中现象相当严重，只有与定位销连接的周围5个单元有较大应力，其他部分应力很小。

由此认为，在以往的设计中，将纵向板厚度的取值与其他2板相同会导致材料的大量浪费。考虑到顶板和横向板的应力峰值差距仅为10%，可以将这2块板的厚度保持一致。

将横向板和顶板厚度分别取12、 23、35 mm，对这3种厚度分别让纵向板厚度从12到35 mm变化，计算结果见图3。

图3 合成应力计算结果

根据上述计算结果得到如下结论。

1)横向板和顶板厚度越大，纵向板厚度的变化对他们的应力峰值影响越小。考察横向板和顶板厚度最小的情况(12 mm)，随着纵向板厚度的增大，应力峰值仅仅减小了4.5%。而随着横向板和顶板厚度的增大，上述变化幅度将更小。因此认为，纵向板厚度的变化对其他2板应力峰值并无影响。

2)横向板和顶板是主要受力结构，决定着结构中应力的分布。

任取1个纵向板厚度，针对不同的横向板和顶板厚度进行有限元计算，最后归纳板厚与应力关系的经验公式。采取偏于保守的做法，取纵向板厚度为12 mm，这时横向板和顶板中应力峰值最大，然而至多只比最小值大4.5%。横向板和顶板的取值范围为12～35 mm，计算结果见表1。

表1 定位销典型支撑结构板厚经验公式常数归纳

(4)

在使用式(4)时，需要首先得知定位销的载荷，然后确定σtop，在有限元分析中使用的是50 mm×50 mm的网格。由于目前并没有统一的集装箱船有限元分析的规范，因此，在实船设计过程中可以参考共同规范HCSR中关于局部结构细网格分析的相关要求[6]，σtop最大可以取为1.5Reh(Reh为材料的屈服强度)。

为了验证经验公式的适用性，选择4型实船A、B、C、D结构进行验算，其定位销支撑结构通过有限元计算，均可以满足规范的要求，计算对比见图4。

图4 板厚经验公式验证

由图4可见，通过经验公式得到的板厚接近实船设计的板厚，差值小于5%，满足工程应用要求。

5 结构优化形式及板厚经验公式

典型定位销支撑结构中纵向板应力较小，且应力集中现象较为明显，因此，对典型的支撑结构进行优化，将原先位于横舱壁间纵向板的尺寸大幅减小，直接采用肘板形式而不再向相邻舱壁延伸，见图5。

图5 优化后的纵向板结构示意

针对以上优化设计方案重复与经典结构相同的有限元计算分析过程，得到优化结构顶板板厚的经验公式

(4)

由于纵向板面积大幅减小，根据经验公式顶板和横向板的板厚略有增加，达到7%，但相较纵向板减小的重量与顶板和横向板增加的重量，优化结构仍可以起到减重的作用。