集装箱船舱口盖结构强度计算分析

赵欣,朱庭国,高茜

(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)

集装箱舱口盖的结构强度对于货运安全乃至海上人员安全都至关重要。集装箱船舱口盖一般采用吊离式舱口盖,吊离式舱口盖借助于钢丝绳、套环、卸扣、眼板等索具,由船上或岸上起重机吊离,可放于船上或码头上[1]。随着船舶的大型化和舱口盖功能的多样化,舱口盖的结构强度问题越来越受到设计方、建造方及相关学者的重视[2-6]。考虑以我司自主研发的9 200 TEU集装箱船为基础,以中间典型货舱的舱口盖为对象,从结构形式、规范计算和有限元直接计算三方面入手开展舱口盖结构强度计算分析,根据盖板结构的应力水平和屈曲安全因子,评估20 ft、40 ft及混装三种装载情况下各工况对舱口盖结构强度的影响,为后续自主研发设计提供技术支撑。

1 舱口盖结构组成

根据载荷和用途情况,舱口盖结构类型一般分为:敞开式框架结构、半箱体半敞开式结构和密闭箱体结构[7],敞开式结构多用于载荷较小的集装箱船和散货船,半箱体半敞开式结构多用于载荷较大的集装箱船,密闭箱体结构多用于甲板载货的散货船、重吊船等。

舱口盖由盖板结构、止跳装置、支撑块、限位装置组成,见图1。盖板结构又分为顶板、端板、边板、主要支撑构件(纵桁和横梁)和加强骨材等。

图1 舱口盖盖板结构组成

为了限制航行过程中舱口盖和船体产生的垂向相对位移,同时保证密性要求,止跳装置必不可少。由于集装箱载荷是通过集装箱脚传递到舱口盖,再经由支撑块传递到舱口围上,因此支撑块通常设置在集装箱集装箱脚对应的舱口盖底板下缘。

限位装置主要分为定位销和横向限位装置两种。定位销可同时承受纵向和横向载荷,一般布置在舱口盖艏端中部,根据截面形状的不同又可以分为圆形定位销和方形定位销。横向限位装置只能承受横向载荷,一般布置在舱口盖艉端中部。

2 规范计算

根据UR S21A[8]的规范要求,舱口盖的规范计算载荷主要由垂向露天载荷PH和水平露天载荷PA组成。垂向露天载荷主要由规范船长和舱口盖纵向位置决定,水平露天载荷则由规范船长、方形系数、舱口盖纵向位置及计算结构位置决定。由于目标船型9 200 TEU规范船长大于250 m,因此对于无保护的艏端板PAmin=50 kN/m2,其余位置PAmin=25 kN/m2。

顶板规范要求的净板厚与垂向露天载荷、骨材间距及材质属性有关,同时板厚取值不能小于6 mm。前后端板和两侧边板的净板厚则与水平露天载荷、骨材间距及材质属性有关,且板厚取值不能小于5 mm。对于纵桁和横梁等主要支撑构件来说,腹板净板厚仅与骨材间距有关,且取值不能小于5 mm。通常在纵桁之间布置一定数量的加强骨材,规范中应用垂向露天载荷,从净剪切面积和净剖面模数两方面对骨材尺寸进行验证。

3 有限元直接计算

应用有限元软件建立典型货舱舱口盖的有限元模型见图2。

图2 舱口盖有限元模型

端板、边板及主要支撑构件腹板高度至少含有3个单元,面板尽量用板单元表达。对于支撑块、限位装置和止跳装置的局部加强应在模型中进行简化模拟,模型所有单元长宽比例不大于1∶4,对于所有计算工况模型结构尺寸应采用净尺寸,一般来说腐蚀余量取值为1.0。

3.1 加载工况

针对舱口盖结构进行有限元直接计算时主要采用垂向露天载荷和集装箱载荷。垂向露天载荷在规范计算时已经求得结果,集装箱载荷则需在考虑船舶纵摇、垂荡和横摇等运动状态时,以集装箱堆垛最大设计堆重为基础进行计算。

集装箱船常规装载方式中舱口盖上方主要堆放20和40 ft集装箱,装载状态分为:20 ft装载、40 ft装载及混装装载。由于该船型应用3层绑扎桥结构,因此混装装载时舱口盖最下方3层为20 ft集装箱,其余为40 ft集装箱。3种装载状态的堆垛最大设计堆重分别为:90、160和220 t。

1)垂向工况。由纵摇和垂荡引起,载荷作用于集装箱脚处,垂向工况的集装箱载荷见表1。

表1 垂向工况的集装箱载荷

(1)

式中:aV为垂向加速度;M为集装箱堆垛最大设计重量。

2)横倾工况。由纵摇、垂荡和横摇引起,载荷作用于集装箱脚处。

(2)

(3)

BY=2.4×M

(4)

式中:hm为集装箱堆垛重心高度;b为集装箱脚中心线间距离,一般取值为2.259 m。

参考船级社规范[9]给出集装箱脚在垂向拉/压时的载荷极限值:

Ftension=250 kN;Fcompression=942 kN。

为了最大程度保证舱口盖结构强度的安全性,综合相关设备厂商的设计资料,在垂向极限拉力的基础上留有10%的安全裕度,在垂向极限压力的基础上增加最下层集装箱的惯性力,因此横倾工况中AZ和BZ取值如下。

AZ≤Ftension×1.1

(5)

BZ≤Fcompression+

(6)

横倾工况下集装箱载荷最终取值见表2。

表2 横倾工况的集装箱载荷

3)部分装载工况

除上节所述的垂向工况和横倾工况之外,实际营运过程中还可能出现非均匀装载状态,如特定集装箱堆垛位置空载状态。部分装载工况一般应用横倾工况的集装箱载荷,主要分类见表3。

表3 部分装载工况

综合上述载荷及工况类别,有限元直接计算所需工况汇总见表4。

表4 工况列表

根据舱口盖四周舾装件的固定情况,在其相应位置施加边界约束。定位销可同时限制纵向和横向位移,横向限位装置仅限制横向位移,支撑块和止跳装置限制垂向位移。值得注意的是,在有限元直接计算开始之前需根据支撑块和止跳装置的受力情况判断其是否起到约束作用,若受力结果与实际情况相反,该位置应不作为边界条件。

3.2 结果评估

按照UR S21A的规范要求,主要将舱口盖顶板、端板、边板、主要支撑构件及面板作为评估对象。露天工况下基于净尺寸的等效应力σV应不大于0.9ReH,其他工况中等效应力σV应不大于0.8ReH。

其中:ReH为材料的屈服应力,355 N/mm2,因此露天工况应力衡准值为284 N/mm2,其他工况应力衡准值均为319 N/mm2。

在露天工况中各项结构应力结果均小于150 N/mm2,该工况对整体结构强度影响较小。各项结构应力结果的影响工况见表5。

表5 各项结构应力结果

由此可得:具有决定性影响的工况载荷类别为20 ft集装箱载荷和混装集装箱载荷,装载工况为横倾满载和部分装载。对于中间集装箱脚来说,20 ft集装箱载荷最大,主要影响横梁腹板及中间面板的结构尺寸;综合比较整体载荷,横倾工况下混装集装箱载荷值最大,舱口盖顶板及四周结构局部区域均不满足衡准要求,需要局部采用增加板厚方式进行加强。应用40 ft集装箱载荷进行计算的装载工况中各项结构应力结果均小于319 N/mm2,满足规范要求。

采用类似结构共同规范[10]的闭合公式法进行屈曲强度评估,同时考虑屈曲板格中平均正应力及剪切应力的影响,露天工况中屈曲安全因子S取值0.8,集装箱载荷工况中屈曲安全因子S取值0.9。

应用高强度钢是提高舱口盖强度的有效方法,但随着高强度钢应用幅度提高,使得盖板结构尺寸随之减小,造成结构失稳的可能性就会增大。在上述计算工况中盖板结构最大变形值来源于20 ft集装箱载荷横倾工况,主要集中在舱口盖中部区域,因此在屈曲强度计算校核中,顶板、边板和纵桁腹板中部局部板格屈曲安全因子大于0.9,需通过设置加强筋的方法进行改善。屈曲校核结果见图3。

图3 屈曲校核结果

4 结论

1)集装箱载荷作为舱口盖有限元直接计算的重要因素,直接影响盖板结构的应力结果,从而影响舱口盖结构重量及建造成本,应在规范要求的基础上着重考虑集装箱脚在拉/压状态下的极限承载能力,保证载荷取值的合理性。

2)顶板、端板和边板作为舱口盖的外围结构,主要由混装集装箱载荷的横倾工况决定,舱口盖中部箱脚主要受20 ft集装箱载荷影响,导致中部面板应力结果不满足衡准要求,同时板格存在失稳问题,需要额外加强。

3)规范计算应用露天载荷确定盖板结构的初步尺寸,但顶板、端板、边板、主要支撑构件及面板尺寸均由有限元直接计算决定。