集装箱船结构强度评估中的破损工况

徐 敏，汤明文，王 刚

（中国船级社 规范与技术中心，上海 200135）

0 引 言

近年来，集装箱船[1-2]碰撞事故频发，船体破损[3-4]进水之后的浮态和稳性会发生变化。对于进水的舱室而言，由于水压的存在，其局部载荷会发生改变，对平衡之后的水密周界和相连构件产生影响。

按照UR S34[5]的要求，国际船级社协会建议船级社在进行货舱段有限元强度评估时各自考虑破损工况。因此，为确保集装箱船货舱段结构（特别是水密舱壁及其相连结构）的完整性，应确立相应的计算工况，并对相关结构进行强度评估。本文在上述背景下采用舱段有限元方法进行相关研究。

1 工况设计

在货舱破损工况下，应有效评估水密舱壁及其相连结构在进水状态下的响应。集装箱船每个货舱两端都布置有1道水密横舱壁，货舱中间布置有1道或2道非水密支撑舱壁。因此，单舱破损之后，该货舱必然在纵向上处于进水状态。若破损从船底或舷侧开始，最终结果可能是货舱及一舷的双层底和舷侧边压载舱同时进水，船舶横倾变大；若左舷和右舷都破损，货舱及左右舷的双层底和边压载舱都进水，则船舶没有横倾，处于正浮状态。这2种情况都会达到平衡状态。

根据UR S34的要求，舱段计算需包含“一个40ft（1ft≈0.3048m）箱位空舱”工况。因此，破损之后应考虑在舱盖上装箱和舱盖上不装箱2种情况。

通过以上分析和简化计算，初步确立以下4种工况，由此确定最终工况。

1) 工况1：横倾、破损货舱舱内空、舱盖上装箱；

2) 工况2：横倾、破损货舱舱内空、舱盖上空；

3) 工况3：正浮、破损货舱舱内空、舱盖上装箱；

4) 工况4：正浮、破损货舱舱内空、舱盖上空。

假设船舶在这4种工况下都处于准静状态，破损工况简图见图1。

图1 破损工况简图

2 载荷和边界条件

在破损工况下，进水舱原舱内的集装箱载荷变成进水压力，压载舱或空舱水压力增加。集装箱船一般应计算其破损稳性，方法不一，但最终会确定一条最深平衡水线。进水载荷破损点的最大高度ddam2和中纵剖面处的ddam就由此确定。舱段有限元模型纵向覆盖船中货舱区域的“1/2个货舱+1个货舱+1/2个货舱”范围，横向为全宽范围，垂向为船底至舱口围结构范围。计算时，在模型两端施加相应的边界条件。

3 强度评估衡准

通过分析，确定一套关于水密横舱壁及其相连结构的评估衡准，具体见表1和表2。

表1 屈服评估衡准

表2 屈曲评估衡准

4 实船验证

4.1 基本参数

对某超大型集装箱船进行实船计算，该船的基本参数见表3，船体采用普通钢、32钢、36钢和40钢设计。

表3 实船基本参数

4.2 计算模型

根据加载示意建立有限元计算模型见图2。

图2 有限元计算模型

4.3 结果分析

首先对破损之后横倾2种工况（工况1和工况2）下的评估构件进行屈服强度对比分析。2种工况下构件的屈服利用率（与许用应力的比值）见表4。

表4 工况1和工况2屈服利用率结果

从表4中可看出，对于破损工况，工况1和工况2下水密横舱壁及其相连结构的应力响应非常接近，但货舱舱盖上装箱比不装箱更危险，而通过另外的比较也能证明抗扭箱的主导载荷工况不是破损工况。因此，工况1基本上可覆盖工况2，工况3基本上可覆盖工况4。

接着对破损之后横倾或正浮2种工况（即工况1和工况3）下的评估构件进行屈服强度对比分析，2种工况下各构件的屈服利用率（与许用应力的比值）见表5。

表5 工况1和工况3屈服利用率结果

从表5中可看出，水密横舱壁结构各构件采用横倾加载方法得到的最大应力都比正浮加载方法大一些。特别是在边舱平台与水密横舱壁连接处和水密横舱壁水平桁端部，二者的计算结果相差较大，其主要原因是横倾之后，在局部形成更高的水压，使得应力集中区域的应力更大。实际情况下，一舷破损和左右舷均破损皆有可能，而船体货舱区域结构一般均为左右舷对称结构，为保证水密横舱壁结构的安全性，采用工况1的方案较为合理，该工况可基本覆盖工况3。

工况1下部分评估构件的屈服应力云图和屈曲结果云图见图3。

图3 工况1下部分评估构件的屈服应力云图和屈曲结果云图

从表4和图3中可看出：

1) 在破损之后达到最终的进水平衡状态时，实船货舱区域大部分横向构件的屈服和屈曲能力都有一定的余量。

2) 边舱纵向平台和横舱壁垂直桁材的屈服已接近或略超过许用衡准。边舱纵向平台在破损工况下的高应力区域在距离基线12568mm 的平台与水密横舱壁水平桁连接处；横舱壁垂直桁在破损工况下的高应力区域在垂直桁与双层底纵桁连接处。这些高应力区域都是横向构件与纵向构件连接处，结构突变，在局部载荷作用下形成大变形和应力集中现象。

3) 横舱壁水平桁的屈服超过许用衡准39%，其屈曲也有一定的问题，位置为水平桁与平台连接处。经分析，该处因进水之后横向不对称水压的作用，倾斜一侧应力集中现象明显。对于该位置的结构，可对其进行软化，局部应适当作加厚处理。

5 结 语

本文确立的用于评估破损之后货舱区域水密及相连构件强度的4种工况和评估衡准较为全面。实船分析结果表明，该方法是有效的，可在设计集装箱船时采用该方法确定货舱区域水密及相连构件的尺寸。

货舱破损之后，对应进水货舱上部装集装箱相比不装集装箱更危险；横倾状态相比正浮状态更危险。横倾和破损货舱舱内空、舱盖上装箱为主导工况，可覆盖其他破损工况，评估时可仅评估该工况。