陳國勝

（德國勞氏船級社（中國）有限公司 上海東亞審圖部，上海200020）

0 引 言

超大型集裝箱船是世界上設計技術難度較高的貨船之一。由于主尺度較大，且貨艙開口長度和貨艙總長之比、貨艙開口寬度與船寬之比均較大，對設計和建造過程中的工藝要求以及所使用材料要求等級和焊接都很高，目前全世界只有幾家大型船廠具備設計和建造能力。近年來，隨著集裝箱船建造規(guī)模日趨大型化，大型集裝箱船的強度問題越來越受到船廠、船東以及各大船級社的廣泛關注［1-6］。因此，對超大型集裝箱船船體結構的研究，對于保證船舶的航行安全和降低維護成本具有重要意義。

本文基于梁系理論和S-N曲線法，根據德國船級社（GL）和法國船級社（BV）的船體結構規(guī)范，對超大型集裝箱船縱骨與主要支撐構件連接處的屈服強度和疲勞強度進行探討和校核，對結果進行分析，并提出合理化建議。

1 縱骨與主要支撐構件連接的梁系模型與應力分析 ［7］

1.1 梁系模型

圖1 縱骨與主要支撐構件的連接形式［7］

縱骨與強構件的連接時，可將支撐縱骨端部的扶強材、補板和主要支撐構件腹板簡化為一端剛固、另一端與縱骨相連的梁單元，因此，可以將縱骨與主要支撐構件的連接形式（見圖1），簡化為圖2所示的梁系模型。其中，Sh、Ss、Sc分別表征支撐縱骨端部的扶強材、補板和主要支撐構件腹板簡化后，梁單元（1、2、3）的軸向剛度和剪切剛度，參見式（1）～（3）。

圖2 簡化梁系模型示意圖

式中：E為楊氏模量；G為剪切模量，其他參數如圖1所示。

1.2 應力分析

非對稱剖面的附加應力參見圖3。

梁 1的軸向力Ph、梁2的剪力 Ps、梁 3的剪力Pc分別為：

式中：P為縱骨承受的載荷。

圖3 非對稱剖面的附加應力

梁1的正應力σaxial和焊接的正應力σweld分別為：

式中：a為支撐縱骨端部扶強材與縱骨間填角焊縫的焊喉，σvp為該處焊縫填角焊的許用應力。

梁2和梁3的剪應力τi和焊縫處的剪應力τweld，i分別為：

式中：對于梁2，i由s替代；對于梁3，i由c替代。

梁3的彎曲正應力σc和焊縫處的彎曲正應力σweld，c分別為：

2 S-N曲線和Palmgren-Miner線性累計損傷理論［7］

船體結構的疲勞分析方法一般可以分為兩類，一類是基于S-N曲線和Palmgren-Miner線性累計損傷準的疲勞累計損傷方法（S-N曲線法）；另一類是基于paris裂紋擴展法則的斷裂力學方法。前者利用抽象的破壞模型，從而避免裂紋尖端的應力分析，使用簡單有效，是目前各大船級社普遍采用的一種方法。

累積損傷計算是基于Palmgren-Miner線性累計損傷理論，累積損傷度D按照下式計算：

式中：I為應力幅值譜中用于求和的區(qū)域總數；ni為區(qū)域i中的應力循環(huán)數；△σi為區(qū)域i中的應力幅值；Ni為與應力幅值△σi相對應的結構疲勞失效時的應力循環(huán)次數，即修正的設計S-N曲線，取△σ=△σi時所對應的持續(xù)應力循環(huán)數。

為獲得可接受的高疲勞壽命，累積損傷度D值應不超過1。

3 GL船體疲勞強度校核方法

3.1 疲勞載荷

GL規(guī)范應用于疲勞強度分析的垂向波浪彎矩基于10-6的超越概率水平，海浪誘導的考核節(jié)點處交變應力幅值是按照對疲勞強度最為不利的裝載狀態(tài)確定的。如果平均應力的最大變化小于海浪誘導的最大應力幅值，平均應力變化（例如由于裝載狀態(tài)或者吃水變化而引起）造成的附加應力循環(huán)通常不必加以考慮。GL規(guī)范中還考慮了波浪扭轉引起的節(jié)點處應力變化。

3.2 S-N曲線

GL和BV以及其他船級社均采用英國能源部經修正的非關管節(jié)點S-N曲線，這些曲線適用于最小屈服強度小于400 N/mm2的鋼材。

3.3 應力范圍

3.3.1 總縱彎曲應力分量

圖4 S-N曲線

靜水彎矩MSW、垂向波浪彎矩MWV、水平波浪彎矩MWH、靜扭矩MST、波浪扭矩MWT和修正的中拱垂向波浪彎矩M′WVhog所產生的應力分別為σSW、σWV、σWH、σST和σ′WV。在每個工況下，總縱彎曲應力分量σLi（i=1a，2a，3a）按照表 1 計算。 由于 σLi（i=1a，2a，3a）工況基于波浪彎矩最大，σLi（i=1b，2b，3b）工況基于波浪剪力最大，而疲勞是由于正應力導致的，因此僅需考慮表1中的工況。

表1 工況和應力合成

3.3.2 局部彎曲應力分量

式中：a為縱骨間距；l為縱骨跨距；p為作用在縱骨上面的壓力；Wl為縱骨剖面模數；m為板格形狀參數，m=1-｛0.204 a/l［4-（a/l）2］｝2。

非對稱截面的附加應力：

式中：lf為面板的跨距；Q為在跨距l(xiāng)f范圍內，平行于其腹板的剖面上的載荷；Wy和Wz分別為剖面對y-y和z-z軸的剖面模數；其他幾何參數見圖3。

3.3.3 應力范圍與平均應力

將表 1 所得總縱彎曲應力分量 σLi（i=1a，2a，3a）與局部彎曲應力分量σLocal進行疊加，且考慮到MSW和MWV的正負，因此，表1中的每個工況對應有2個應力范圍（△σhog，Li，△σsag，Li）和平均應力（△σhog，MLi，△σsag，mLi）；每 個 工 況 的 最 大 應 力 范 圍 為 △σLi=max（△σhog，Li，△σsag，Li）， 其 中 ：i=1a，2a，3a； 最 大 應 力 范 圍 △σmax=max（△σL1a，△σL2a，△σL3a），相應的平均應力為 σm。

3.3.4 許用應力范圍

在大數據環(huán)境不斷優(yōu)化的背景下，檔案局應更加注重科學技術在檔案管理及保護工作中的應用，要選用有專業(yè)素養(yǎng)的人才。只有在專業(yè)素養(yǎng)人才的帶領下才能建立起專門的檔案保護部門，使整個部門的工作人員認清檔案管理及保護的工作規(guī)劃、工作形勢和工作步驟。首先，要提高現有檔案管理工作人員的專業(yè)素養(yǎng)，對工作人員進行培訓，在培訓過程中要注意到每個工作人員存在的問題，并單獨解決每個員工的不足。其次，要招聘新的有專業(yè)素養(yǎng)的人才，應能夠對以前檔案管理存在的問題提出解決意見。

應力譜中的峰值應力幅值不應超過許用值，即：

式中：許用峰值應力幅值Δσρ可按式（17）確定：式中：fn為與S-N曲線、韋布爾分布形狀參數和載荷循環(huán)數有關的系數，可以根據表2進行插值確定。

表2 標準應力幅值譜用于確定許用應力幅值的系數fn

ΔσRc為在S-N曲線2×106次應力循環(huán)數時的修正疲勞強度參考值，可按下式確定：

其中fm為材料影響修正系數；fR為平均應力影響修正系數；fw為焊接形狀影響修正系數；fi為構件重要性修正系數；ΔσR為在S-N曲線2×106次應力循環(huán)數時的疲勞強度參考值。

4 實 例

本文以11 500 TEU超大型集裝箱船為計算實例，根據BV鋼質船入級規(guī)范2011版和GL集裝箱船入級規(guī)范2011版本，分別校核雙層底、舭部和舷側五根縱骨與主要支撐構件連接處的屈服強度和疲勞強度，并對基于兩個規(guī)范的連接處屈服強度計算結果與有限元計算結果進行了比較。

圖5 超大型集裝箱船舯橫剖面圖

圖6 超大型集裝箱船節(jié)點圖

圖7 波浪扭矩沿船長分布圖

表3 船舯處用于疲勞計算的波浪載荷單位：kN·m

表4 基于GL規(guī)范的縱骨連接節(jié)點處應力范圍的合成和疲勞壽命的計算

表5 縱骨與主要支撐構件連接處的幾何尺寸

表6 縱骨與主要支撐構件連接處載荷的傳遞與焊喉尺寸計算

圖8 縱骨SL16與肋板連接處的Von-Mises應力分布

圖9 縱骨SL40與肋板連接處的Von-Mises應力分布

表7 縱骨與主要支撐構件連接處的應力分布

由上面的計算結果可以得出以下結論：

（1）通過比較BV規(guī)范和GL規(guī)范中關于計算縱骨與主要支撐構件連接處屈服強度的公式可知，BV規(guī)范的方法要比GL規(guī)范的方法更為簡單，但應用GL規(guī)范計算的連接強度結果更接近有限元結果，對焊接焊喉的要求也更高。肋板扶強材承受的載荷較大，因此應盡可能增加軟趾和軟踵，從而提高扶強材的承載能力，減小應力集中系數。對于T型材穿越主要支撐構件，如果采用直通型切口形式，補板應盡可能補到底；在生產條件允許的情況下，應盡可能采用雙面腹板焊接型切口形式。對于球扁鋼船穿越主要支撐構件，宜采用非水密補板型切口。

（2）應用GL和BV規(guī)范計算的縱骨疲勞強度均能滿足各自規(guī)范20年和25年疲勞壽命的要求。超大型集裝箱船主尺度較大，貨艙開口長度和貨艙總長之比、貨艙開口寬度與船寬之比均較大，船體的整體剛度較弱，且普遍采用雙層底、雙殼和抗扭箱形式，使得扭轉對船體舭部和甲板的影響更加重要，對甲板和舭部屈服強度和疲勞強度要求也更高。超大型集裝箱船舷側縱骨、甲板縱骨通常不與肋板加強筋相連，盡管這種設計對屈服強度要求更高，但是很好地避免了應力集中，大大地提高了疲勞壽命。

（3）GL規(guī)范計算疲勞壽命的方法要比BV規(guī)范計算疲勞壽命的方法更為簡單，可操作性更強，計算結果也更為保守，這是因為GL和BV規(guī)范存在一些差異。例如，GL規(guī)范中設計疲勞壽命為20年，用于計算疲勞壽命的垂向波浪彎矩、水平波浪彎矩和波浪扭矩均大于BV規(guī)范取值。GL規(guī)范選取最嚴重的工況計算船舶疲勞壽命，并沒有考慮船舶裝載工況的時間分配。

（4）本文采用簡化的疲勞強度計算方法，計算簡單、快捷但結果保守。然而隨著集裝箱船的日趨大型化和超大型化，對船體疲勞強度的要求也不斷提高。如何從方法上改進現有疲勞壽命評估方法的不足，有待進一步研究與探討。

5 結 論

本文研究了基于GL規(guī)范和BV規(guī)范設計的超大型集裝箱船縱骨與主要支撐構件連接處的屈服強度和疲勞強度，并對11 500 TEU超大型集裝箱船縱骨與主要支撐構件連接處的屈服強度和疲勞強度進行校核，對結果進行比較和分析，提出合理化建議。這些討論和建議對大型集裝箱船的連接強度和疲勞強度有一定的指導意義和實用價值。

從近幾年集裝箱船市場的發(fā)展來看，超大型集裝箱船越來越多地采用環(huán)保技術，諸如主機廢熱回收、在港使用岸上電源、優(yōu)化船體設計、采用環(huán)保涂層等；而且由于超大型集裝箱船具有規(guī)模效應，單位集裝箱的運輸成本更低，船舶經濟效益好，因此集裝箱的超大型化是必然的發(fā)展趨勢，越來越多的船東將下單訂造超大型集裝箱船。目前，韓國已經有16 000 TEU集裝箱船正在建造過程中，并且已經進行22 000 TEU集裝箱船的研發(fā)工作，而中國萬箱級以上的集裝箱船設計與研發(fā)剛起步不久，因此對于超大型集裝箱船的研究，特別是對各家船級社規(guī)范的研究很有必要，對提高國內船舶設計、建造水平和規(guī)范研發(fā)水平大有裨益。

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［4］韓鈺，楊旭.4 250 TEU集裝箱船的結構設計［J］.船舶，2009（5）：17-22.

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