陳樂(lè)昆 陳 磊 周素素 王志超

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

超大型集裝箱船貨艙段橫向強(qiáng)框布局優(yōu)化與研究

陳樂(lè)昆 陳 磊 周素素 王志超

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

隨著2015年首艘國(guó)內(nèi)建造的18 000標(biāo)準(zhǔn)箱超大型集裝箱船的成功交付以及后續(xù)多艘新船訂單的生效，集裝箱船的大型化趨勢(shì)日漸明顯。文章對(duì)某超大型集裝箱船的橫向強(qiáng)框布局提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，針對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行規(guī)范計(jì)算和艙段有限元分析。分析結(jié)果表明：優(yōu)化后的空船質(zhì)量有所減輕，并且船廠的工藝施工量也因強(qiáng)框數(shù)量的減少而減少，從而有效降低成本。該優(yōu)化方案為今后的設(shè)計(jì)工作提供了有價(jià)值的參考。

超大型集裝箱船；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；屈服強(qiáng)度；屈曲強(qiáng)度

引 言

近幾年受世界經(jīng)濟(jì)不景氣的影響，船運(yùn)市場(chǎng)全線回落，新船訂單急劇減少，給船舶行業(yè)從業(yè)者帶來(lái)很大壓力。面對(duì)此情此景，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該從降本增效著手，在開(kāi)發(fā)新船型時(shí)一方面要盡可能減輕空船質(zhì)量，降低結(jié)構(gòu)成本；另一方面則需要減少船舶建造過(guò)程中的工藝施工量。這樣不僅能提高效率，而且能夠降低人力成本。目前國(guó)際船舶航運(yùn)市場(chǎng)上的集裝箱船主要呈現(xiàn)大型化、經(jīng)濟(jì)化、環(huán)?；陌l(fā)展趨勢(shì)［1］，研究表明，隨著集裝箱船裝載量越來(lái)越大，船舶航行時(shí)或在港時(shí)的單位成本呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)［2］。本文在某超大型集裝箱船的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)其橫向強(qiáng)框布局進(jìn)行優(yōu)化，在滿足規(guī)范要求的前提下，空船質(zhì)量和工藝施工量都有所減少，為今后的設(shè)計(jì)工作提供了有益參考。

1 橫向強(qiáng)框布局

一般來(lái)說(shuō)，通常每個(gè)貨艙口縱向布置有兩個(gè)20 ft或1個(gè)40 ft的集裝箱［3］。對(duì)于大型集裝箱來(lái)說(shuō)，典型的強(qiáng)框布置艙口間距約12.6 m。二甲板下強(qiáng)框間距通常為4檔肋位約3.15 m。除橫艙壁外，貨艙內(nèi)一般設(shè)有3道強(qiáng)框。二甲板以上結(jié)構(gòu)由于要滿足總縱強(qiáng)度要求，構(gòu)件尺寸較大，同時(shí)考慮到該區(qū)域不在液艙中，因而二甲板上的強(qiáng)框間距可為二甲板下強(qiáng)框間距的兩倍，通常約為6.3 m。圖1為一個(gè)艙口橫向強(qiáng)框的典型布置圖。

這樣的設(shè)計(jì)能保證在20 ft集裝箱艙內(nèi)的每一個(gè)箱腳下都有一檔強(qiáng)框，對(duì)集裝箱起到很好的支撐作用，但是除去箱腳下的強(qiáng)框，其他普通強(qiáng)框?qū)b箱的承載作用有限?？紤]到上述特點(diǎn)，對(duì)強(qiáng)框布置進(jìn)行調(diào)整（如圖2所示），一個(gè)艙口間距內(nèi)二甲板以下的強(qiáng)框數(shù)調(diào)整為2個(gè)，強(qiáng)框間距為4.2 m；二甲板以上的結(jié)構(gòu)維持不變。通過(guò)優(yōu)化之后，一個(gè)艙口間距內(nèi)能減少一個(gè)完整橫向強(qiáng)框的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)還能減少船廠的工藝施工量，節(jié)約成本、提高效率。但優(yōu)化后的方案在20 ft集裝箱位于艙口間距中間的箱腳下沒(méi)有強(qiáng)框，需要增設(shè)加強(qiáng)構(gòu)件提升承載能力。

2 規(guī)范計(jì)算

由于新方案對(duì)結(jié)構(gòu)布置作了調(diào)整，因而需要對(duì)船體構(gòu)件重新進(jìn)行規(guī)范計(jì)算。優(yōu)化方案不會(huì)改變本船的主要參數(shù)，對(duì)總縱彎矩和波浪彎矩沒(méi)有影響，所以橫剖面的剖面模數(shù)許用值也不會(huì)有太大變化。但在規(guī)范計(jì)算縱骨的局部強(qiáng)度時(shí)，由于縱骨最小剖面模數(shù)與跨距的平方成正比，而本船的優(yōu)化方案就是通過(guò)增大二甲板以下的強(qiáng)框間距以減少?gòu)?qiáng)框數(shù)量。因而，在新的方案設(shè)計(jì)中，二甲板以下的縱骨跨距增大則需選取更大尺寸的縱骨，從而在一定程度上增加了縱骨的質(zhì)量；而橫剖面中和軸以下縱骨的尺寸增大也會(huì)使橫剖面底部的剖面模數(shù)有更大的余量。因此在滿足規(guī)范要求的前提下，可通過(guò)適當(dāng)減小底部區(qū)域的板厚，來(lái)抵消一部分縱骨所增加的質(zhì)量。

一個(gè)整貨艙長(zhǎng)度為31.05 m。經(jīng)過(guò)規(guī)范計(jì)算可知，縱骨尺寸的增大導(dǎo)致橫剖面的單位質(zhì)量增加1.857%。

3 艙段有限元分析

3.1 模型與工況

對(duì)某超大型集裝箱船優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維艙段有限元分析，見(jiàn)圖3。

模型范圍包括一個(gè)整艙和前后兩個(gè)半艙。由于結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，故只取半寬結(jié)構(gòu)，選取規(guī)范的各種工況進(jìn)行校核，包括40 ft均勻裝載工況、20 ft重箱裝載工況、40 ft輕箱裝載工況、20 ft輕箱裝載工況、縱傾工況和破艙工況等。

圖4為某種工況下的變形圖。

3.2 屈服強(qiáng)度

在結(jié)果的后處理中，可以直接把材料系數(shù)考慮在內(nèi)，校核單元的合成應(yīng)力水平，如圖5及下頁(yè)圖6所示。經(jīng)全部校核各種工況的合成應(yīng)力水平都能滿足規(guī)范要求。

承載剪力的主要構(gòu)件為橫向強(qiáng)框和艙壁，圖7為某種工況下橫向強(qiáng)框的剪力云圖。經(jīng)校核，在20 ft重箱裝載工況下，水密艙壁在二甲板以下靠近內(nèi)殼縱壁的區(qū)域出現(xiàn)剪應(yīng)力較大的情況（見(jiàn)圖8），其中最大的剪應(yīng)力為130.4 MPa，故需對(duì)這部分壁板進(jìn)行加厚。圖9中的陰影部分為加厚區(qū)域。

3.3 屈曲強(qiáng)度

經(jīng)過(guò)校核，內(nèi)殼縱壁靠近二甲板的區(qū)域（圖下頁(yè)10中陰影區(qū)域），板格的屈曲強(qiáng)度遠(yuǎn)不能滿足規(guī)范要求（見(jiàn)圖下頁(yè)11）。圖11中深色為屈曲強(qiáng)度不足的板格，需要對(duì)這塊板進(jìn)行適當(dāng)加厚。

下頁(yè)圖12、圖13分別為外板和內(nèi)底板的屈曲強(qiáng)度校核結(jié)果，對(duì)部分屈曲強(qiáng)度超出許用值不多的板格，可在其適當(dāng)位置增設(shè)屈曲筋。

4 結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比

以一個(gè)整貨艙的結(jié)構(gòu)構(gòu)件為對(duì)象，對(duì)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行比較。一個(gè)貨艙的長(zhǎng)度為31.05 m。經(jīng)過(guò)對(duì)橫向強(qiáng)框布局優(yōu)化之后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的規(guī)范計(jì)算和艙段有限元分析。優(yōu)化后的貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)增加的質(zhì)量包括以下幾個(gè)方面：規(guī)范計(jì)算中，橫剖面單位質(zhì)量的增大；艙段計(jì)算中，水密橫艙壁板厚的增加；屈曲校核中，內(nèi)殼縱壁板厚的增加；箱腳下加強(qiáng)增加肘板的質(zhì)量。詳見(jiàn)表1。

表1 增加質(zhì)量占整個(gè)貨艙質(zhì)量的百分比

一個(gè)整貨艙包含兩個(gè)艙口間距。較之于初始設(shè)計(jì)，減少的質(zhì)量為管弄中的四個(gè)強(qiáng)框和管弄之外、二甲板以下的兩個(gè)強(qiáng)框結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量為一個(gè)貨艙的1.772%。

通過(guò)比較，對(duì)橫向強(qiáng)框布局進(jìn)行優(yōu)化之后，一個(gè)整貨艙的質(zhì)量可減少0.176%?？梢?jiàn)，該方案在減輕空船質(zhì)量方面獲得了較好的效果。

5 結(jié) 論

本文簡(jiǎn)要介紹了超大型集裝箱船的典型強(qiáng)框布置。在某大型集裝箱船設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出一種橫向強(qiáng)框布局的優(yōu)化方案，對(duì)優(yōu)化后的船型進(jìn)行規(guī)范計(jì)算和艙段有限元分析，調(diào)整構(gòu)件尺寸以滿足衡準(zhǔn)要求。經(jīng)過(guò)比較得出：優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量較初始設(shè)計(jì)有所減小，并且由于強(qiáng)框的減少，船廠的工藝施工量也會(huì)隨之減少，從而達(dá)到提高效率、降低成本的目的。該優(yōu)化方案為今后的設(shè)計(jì)工作提供了較好的思路和方向。

［1］孫曉東， 胡曉芳. 超大型集裝箱船的發(fā)展趨勢(shì)與質(zhì)量控制要點(diǎn)［J］. 中國(guó)水運(yùn)， 2014（5）： 44-45.

［2］李源. 集裝箱船大型化猜想［J］. 中國(guó)船檢， 2014（9）：69-71.

［3］韓鈺， 楊旭. 4 250 TEU集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］. 船舶， 2009（5）： 17-22.

［4］GL. Rules for Classification and Construction Ship Technology［S］. 2015.

信息動(dòng)態(tài)

“蛟龍”號(hào)支持母船建造在即

2016年11月18日，“蛟龍”號(hào)載人潛水器支持母船的建造合同在北京簽訂。中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）遵循“信息化、綠色化、模塊化、便捷化、舒適化、國(guó)際化”原則，為該項(xiàng)目進(jìn)行了5年多的前期研發(fā)，并參與了大洋協(xié)會(huì)辦公室牽頭的“大洋能力建設(shè)工作組”各項(xiàng)技術(shù)活動(dòng)。

在下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，MARIC研發(fā)人員還將對(duì)該船的聲寂性、重量控制、材料與工藝以及內(nèi)裝等方面重點(diǎn)關(guān)注，力爭(zhēng)使“蛟龍”號(hào)載人潛水器專用支持母船在設(shè)計(jì)理念、技術(shù)水平和科學(xué)調(diào)查能力方面達(dá)到國(guó)際同類船舶先進(jìn)水平。

Layout optimization and research of transversal strong frame in cargo compartment of ultra-large container ship

CHEN Le-kun CHEN Lei ZHOU Su-su WANG Zhi-chao
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

With the successful delivery of the 18 000 TEU ultra-large container ship(ULCS) which is first built in China in 2015 and the recognition of several new ship orders, the enlargement trend of container ship becomes more and more obvious. This paper presents the optimized design schemes for the layout of the transversal strong frame in the cargo compartment of ULCS, and performs the rule calculation of the optimized schemes and the fi nite element analysis of the cargo hold. The results indicate that the lightship weight and the technique construction in the shipyard are decreased with the fewer strong frames, resulting in the e ff ective cost reduction. The optimization schemes can provide the valuable references for the further ship design.

ultra-large container ship(ULCS); structural design; yield strength; buckling strength

U661.4

A

1001-9855（2017）01-0039-06

2016-08-19；

2016-08-26

陳樂(lè)昆（1988-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。陳 磊（1984-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。周素素（1988-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。王志超（1989-），男，碩士，助理工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2017.01.039