基于疲劳强度的超大型集装船角隅优化设计

2020-04-22陈磊刘奕谦李丹丹王有成

舰船科学技术 2020年3期

陈磊，刘奕谦，李丹丹，王有成

(1. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；2. 江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913)

0 引言

近些年来随着集装船大型化的发展，MARIC已经相继承接了20000 TEU，21000 TEU和22000 TEU集装箱船详细设计工作。由于超大型集装箱船的船长大于350 m，1阶自然频率低于0.5 Hz，横向开口尺度达到了船宽的90%，船体梁的刚度较差，角隅的应力集中现象越发明显，如何解决角隅的疲劳问题成为设计过程中一项重要工作。对于货舱内箱角角隅的形式国内鲜有研究，而对于舱口角隅，目前的研究更多集中于计算方法的研究[1-4]以及圆弧和椭圆弧形式的角隅研究[5-6]，通过几条超大型集装箱船的实船设计工作，发现简单的圆弧和椭圆弧已经难以满足疲劳强度的要求，需要对角隅形式作出进一步的优化。

1 货舱内20 ft角隅优化设计

集装箱船常规设计是在货舱内平均分布3个强框，国内建造的集装箱船的1个舱长一般是12.6 m，平均后，强框间距为3.15 m，肋距为787.5 mm，首尾货舱20 ft箱位的形式如图1所示。这种布置方式的优点是货舱内的纵骨跨距相同，对骨材的利用率较高。同时在1个货舱内肋距为统一的787.5 mm，对船厂建造时的定位也比较有利。但这种布置存在2个比较明显的缺点：1) 舱中的强框位于2个20 ft集装箱中间，因此在其两侧都需要设置集装箱箱角加强肘板，其与强框间距较小，船厂施工时较为困难；2）在首尾货舱区域，当线型变化出现20 ft箱位时，集装箱与强框的间隙只有38 mm。对于图1中云线处的角隅，如果发生疲劳问题，很难通过增加圆弧半径来改善疲劳寿命，只能增加板厚来解决，容易造成嵌厚板板厚过大，需要较多过渡板进行板厚过渡，对船厂生产的精度控制较为不利。

随着集装箱尺度的逐步增大，角隅的疲劳问题日益凸显。为了解决上述的缺点，目前大型集装箱船上往往采用变间距的强框布置，如图2所示。货舱中间的强框与箱角对齐，省去一排箱角加强肘板。强框的间距为2×3 256+2×3 044 mm（=12.6 m），肋距分别为814 mm和761 mm。为了解决货舱内角隅疲劳问题，在首尾区域将大强框间距布置在20 ft箱位内，集装箱与强框间距与之前相比增大到250 mm，这样就可以通过增大角隅半径来改善疲劳强度。

图 1 等间距强框布置20 ft箱位Fig. 120 feet container slot in equal transverse web arrangement

图 2 变间距强框布置20 ft箱位Fig. 220 feet container slot in various transverse web arrangement

2 货舱内箱角角隅优化设计

图3为针对同一位置设计的两类不同的角隅形式。左边是双圆弧形式（圆弧半径都为200 mm），箱角的加强肘板都位于平台下，对于船厂而言，装配较为简单，在分段装配阶段就可以组装完成，但由于角隅半径较小，疲劳强度不高；右边的单圆弧形式（圆弧半径为470 mm），圆弧半径大，疲劳寿命好，相较前一种需要设备商布置2块垫板，而加强肘板需要直接与垫板焊接，使得该肘板无法在分段建造过程中进行装配，其形状也比较“怪异”，装配过程中需要船厂有较好的精度控制能力，同时焊接、打磨和涂装的工作空间较前一种也小很多，不利于船厂的装配施工，因此建议只在高应力区域采用该种形式的角隅。

图 3 典型舱内箱角角隅对比Fig. 3Comparison between typical container support hatch corner

对于上述2种角隅形式，参照LR船级社规范和指导文件[7-8]进行细网格应力及疲劳寿命的评估（疲劳寿命考虑了颤振的影响）。从表1可以发现，虽然单圆弧的角隅从应力和疲劳寿命上较双圆弧形式都有所提高，但并不需要在舱内全部采用单圆弧角隅形式，为了简化船厂的建造，在舱内应力水平较低的区域仍建议采用双圆弧角隅形式。

表 1 不同角隅形式应力疲劳计算结果Tab. 1Stress and fatigue life result for several corner hatches

3 舱口角隅优化设计

对于主甲板和舱口围顶板的舱口角隅，在设计时主要受到导轨或导头的影响，图4为典型的主甲板角隅形式，采用了典型的圆弧形式。对于超大型集装船舱口角隅圆弧距导轨或导头一般在20～40 mm左右，这个距离既取决于导轨或导头的大小，同时还取决于船厂的建造精度，由于船厂的建造顺序一般是由下往上，因此越靠近舱口围顶板，该间隙留的越大。

图 4 主甲板典型舱口角隅Fig. 4Upper deck typical hatch corner

对于应力水平或疲劳寿命不满足要求的角隅，优先选择增加板厚，由于角隅板一般为嵌入式厚板，增加板厚并不会明显增加重量，对疲劳寿命的改进也比较有效，对于有限元计算而言，不改变形状而只是改变板厚是最为快捷的方法。但由于主甲板及舱口围的板厚一般已经使用了全船最厚的板，板厚已无法增加，同时导轨距集装箱的距离是固定的，因此受限于导轨的位置，舱口角隅的形状可以变化的余地也有限。无论是进行细网格应力或是基于弹振的疲劳分析，模型的准备和计算都非常耗时，在实船设计过程中无法进行大量的方案验证。将以图4的主甲板角隅为例介绍角隅形式优化的思路。

对原始的R700圆弧角隅参照LR规范进行了细网格应力计算和疲劳寿命计算，详见表2。从图5可以发现，圆弧角隅上的应力不满足规范要求。通过大量角隅实例的计算，发现由于总纵弯曲引起的最大应力在大约离开纵壁15°～20°的圆弧位置，而扭转引起的最大应力在离开纵壁大约45°处，对于弯扭组合的情况，最大应力出现在离开纵壁大约25°～30°，由于每个角隅的应力成分组成不同，因此最大应力的出现位置也不同。为了最大程度地降低应力水平和应力集中程度，可采用了两段圆弧相接的形式。

表 2 三种角隅方案应力水平及疲劳寿命计算结果Tab. 2Stress and fatigue life result for 3 hatch corner proposals

图 5 双圆弧角隅细网格应力计算结果Fig. 5Stress result of 2-round hatch corner

对于两段圆弧相接的形式可以有无穷多种组合情况，对于上述的主甲板角隅，首先设计了图6（a）的角隅形式，通过计算发现应力不满足要求的单元主要分布在2个圆弧的结合处，其中大部分位于R560的圆弧上，因此修改的思路是将大圆弧半径改小，让其在整个角隅中的占比增大，基本涵盖不满足应力要求的单元，改进后的方案如图6（b）。无论从应力水平还是疲劳寿命都较原始方案有了大幅度的改善，因此双圆弧角隅中的圆弧半径并不是决定因素，关键在于根据应力分布寻找到最优的圆弧组合。