全冷藏集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

顧斌斌，仲琦，孫慧莉

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

600 FEU全冷藏集裝箱船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的最新一代全冷藏集裝箱船，其航速、油耗和純40 ft全冷藏集裝箱裝箱數(shù)等指標(biāo)均達(dá)到世界先進(jìn)水平。該船型入DNVGL船級，總長192 m，船寬30 m，40 ft全冷藏集裝箱裝箱量約630 FEU，航速21.5 kn。文中根據(jù)該船型的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，闡述全冷藏集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)問題和解決方法。

1 UR S11A對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

由于近年來集裝箱船事故的增加，尤其是2007年MSC Napoli和2013年MOL Comfort的事故尤為嚴(yán)重，其中MOL Comfort只有5年船齡。上述事故促使IACS加快對集裝箱船采用新的統(tǒng)一強(qiáng)度要求S11A[1]，因此，2016年7月1日以后90 m以上集裝箱船或者主要用來裝載集裝箱的船舶需要滿足新規(guī)范UR S11A的要求。UR S11和UR S11A的差異主要包括以下幾方面。

1)S11對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求基于總板厚法(除屈曲之外)，而S11A采用凈板厚法，其中除了屈曲校核將規(guī)范規(guī)定的腐蝕余量扣除100%外，其他包括總縱強(qiáng)度和極限強(qiáng)度校核均扣除50%的腐蝕余量。

2)船體梁波浪載荷的數(shù)值和分布均有差別。兩者均基于北大西洋波浪譜，回歸期20年，對應(yīng)超越概率水平10-8[2]。由于集裝箱船一般有較大的首部外飄，當(dāng)船在波浪中行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的附加彎矩，因此，與S11相比S11A著重考慮了外飄對波浪載荷非線性的影響。UR S11和UR S11A波浪彎矩和波浪剪力的比較見圖1、2。

圖1 UR S11和UR S11A波浪彎矩比較

圖2 UR S11和UR S11A波浪剪力比較

由圖1、2可見，在新規(guī)范體系下，中拱波浪彎矩峰值比S11的要求小11%左右，但中垂波浪彎矩峰值比S11大73%，波浪剪力在靠近機(jī)艙和船首的區(qū)域也比S11的要求大123%和115%。這會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程中，參與總縱強(qiáng)度的構(gòu)件尺度發(fā)生較大變化。

3)對于船體梁的剪切強(qiáng)度，S11A則采用了橫截面剪力流分布的方法。許用剪應(yīng)力也較S11有所提高。

4)參與總縱強(qiáng)度構(gòu)件的屈曲要求，S11秉承傳統(tǒng)屈曲校核方法，即采用基本板格的屈曲特征值并結(jié)合加強(qiáng)筋剖面尺度比要求來校核板格的屈曲強(qiáng)度，所涉及的板格屈曲屬于線彈性范圍，其屈曲特征值較低。而S11A將CSRH的“極限強(qiáng)度”概念的非線性屈曲理論引入到集裝箱的實(shí)踐應(yīng)用中。對于板格考慮了雙向應(yīng)力及剪應(yīng)力的影響，而對于骨材的屈曲要求，則綜合考慮了幾種載荷的共同作用，包括總縱彎曲應(yīng)力，側(cè)向載荷引起的彎曲和骨材扭轉(zhuǎn)變形引起的應(yīng)力[3]。

5)對于剛度的要求，S11只對船中區(qū)域有最小慣性矩的要求。而S11A則要求在整個(gè)船長范圍內(nèi)的所有橫剖面均滿足剛度要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 中橫剖面

1)靜水彎矩剪力設(shè)計(jì)值的確定，根據(jù)本船實(shí)際設(shè)計(jì)工況，得到全船靜水彎矩剪力包絡(luò)線，考慮到本船是首制船，沒有母型船，因此，本船靜水彎矩的設(shè)計(jì)值在計(jì)算值上增加5%的余量，而靜水剪力的設(shè)計(jì)值在計(jì)算值上增加10%的余量。

中垂靜水彎矩，由于集裝箱船幾乎不存在中垂工況，同時(shí)考慮到新規(guī)則URS11A實(shí)行以后，中垂波浪彎矩值很大，因此,可以將靜水波浪彎矩值設(shè)為正值，可以抵消一部分負(fù)的波浪彎矩值。

2)船體骨架布置，由于本船沒有冰區(qū)加強(qiáng)的要求，舷側(cè)和船底均采用縱骨架式結(jié)構(gòu)形式。為了提高縱骨的疲勞壽命，雙殼內(nèi)的肋板加強(qiáng)筋盡量不與縱骨連接，可有效提高縱骨的疲勞強(qiáng)度，見圖3。該形式的幾何應(yīng)力集中系數(shù)小;由于縱骨的球頭并不與橫向結(jié)構(gòu)焊接，疲勞熱點(diǎn)從縱骨剖面的頂端下降到了腹板與補(bǔ)板的上交點(diǎn)，因此，在外部載荷不變的情況下，很大程度減小了局部應(yīng)力對疲勞的影響。H1為球頭不與強(qiáng)框加強(qiáng)筋焊接時(shí)的熱點(diǎn)高度，H2為強(qiáng)框加強(qiáng)筋與縱骨球頭焊接時(shí)的熱點(diǎn)高度[4]，見圖4。

圖3 肋板加強(qiáng)筋與縱骨連接形式

圖4 縱骨疲勞熱點(diǎn)

選取舷側(cè)某根縱骨，分析在不同節(jié)點(diǎn)形式下的疲勞年限，見表1。表1中熱點(diǎn)修正系數(shù)是指H1與H2的比值，用來表征對疲勞分析的影響。Kg是幾何應(yīng)力集中系數(shù)，對于強(qiáng)框加強(qiáng)筋與縱骨的連接形式不同，會(huì)有不同的系數(shù)。從表1疲勞年限可以看出，適當(dāng)修改形式，雖然會(huì)增加些許縱骨的跨距，但會(huì)有效提升疲勞強(qiáng)度，對于疲勞強(qiáng)度常難以滿足規(guī)范要求的舷側(cè)外板縱骨尤為明顯。

表1 不同節(jié)點(diǎn)形式疲勞分析結(jié)果

2.2 橫艙壁

本船為純40 ft全冷藏集裝箱船，橫艙壁的設(shè)計(jì)是此類船型的設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。此類船型的橫艙壁要同時(shí)滿足以下要求。

1)滿足冷藏集裝箱壓縮機(jī)的檢修要求。

2)滿足冷藏集裝箱通風(fēng)風(fēng)道的布置要求。

3)滿足AMSA《澳大利亞碼頭工人公約》對于貨艙通道的要求[5]。

同時(shí)滿足這3個(gè)要求會(huì)嚴(yán)重影響集裝箱支撐艙壁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，布置橫艙壁時(shí)每層平臺(tái)設(shè)置1個(gè)水平桁結(jié)構(gòu)，水平桁上僅留出滿足澳通的通道，其余全部開孔用來滿足風(fēng)道的布置。增加艙壁垂直桁的數(shù)量，同時(shí)垂直桁盡量開孔滿足澳通600 mm×2 000 mm的開孔要求。

橫向抗扭箱結(jié)構(gòu)位于集裝箱船橫艙壁上部，要承受艙蓋上集裝箱的水平和垂向載荷，是集裝箱船設(shè)計(jì)時(shí)需要特別關(guān)注的結(jié)構(gòu)，通?？古は鋬蓚?cè)的板僅在個(gè)別地方開孔，以避免該結(jié)構(gòu)由于剪力過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

但本船的設(shè)計(jì)中，由于要滿足冷藏集裝箱壓縮機(jī)的檢修要求和通風(fēng)散熱的要求，橫向抗扭箱結(jié)構(gòu)采用了半開放式。結(jié)合規(guī)范對艙段計(jì)算的相關(guān)要求[6]，最終通過有限元分析設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式見圖5，支撐艙壁有限元計(jì)算結(jié)果的合成應(yīng)力云圖見圖6。

圖5 支撐艙壁抗扭箱設(shè)計(jì)

圖6 支撐艙壁抗扭箱有限元結(jié)果

采用這種特殊設(shè)計(jì)的支撐艙壁不但滿足了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，通過CFD的計(jì)算顯示本艙壁的設(shè)計(jì)也對貨艙通風(fēng)非常有益。

2.3 艙口角隅

對于大開口船舶，機(jī)艙前端壁處的角隅是一個(gè)比較受關(guān)注的區(qū)域。對于集裝箱船，為改善角隅的受力情況，會(huì)選用負(fù)角隅[7]。但規(guī)范里沒有針對負(fù)角隅的指導(dǎo)性意見，另外該結(jié)構(gòu)需要在整船扭轉(zhuǎn)工況下考核，在常規(guī)的艙段計(jì)算中不能體現(xiàn)。為此，本船采用全船有限元評估的方法，對艙口角隅的形式進(jìn)行分析。

全船分析以滿載為計(jì)算載況，基于三維勢流理論對波浪載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)[8]，選取若干設(shè)計(jì)波進(jìn)行全船有限元分析。為找尋角隅設(shè)計(jì)規(guī)律，列出下面5種典型的角隅，見圖7。分別對應(yīng)正角隅(序號(hào)a)，不同曲率的圓形負(fù)角隅(序號(hào)b～c)及橢圓形負(fù)角隅(序號(hào)d～e)，其余邊界條件及板厚均相同。

圖7 5類角隅形狀

將上述5類角隅進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果的合成應(yīng)力見圖8。

圖8 5類角隅有限元分析結(jié)果

將應(yīng)力結(jié)果與許用衡準(zhǔn)的比值(材料利用率)作為比較的依據(jù)，見表2。

表2 角隅計(jì)算結(jié)果

在分析角隅時(shí)發(fā)現(xiàn)，不管哪種角隅，應(yīng)力最大的地方均發(fā)生在一定范圍內(nèi)，觀察表中θ值發(fā)現(xiàn)，在上述尺度的角隅中，基本在25°～35°左右會(huì)出現(xiàn)最大應(yīng)力，因此，文中所指的曲率也是指基于在該范圍內(nèi)的曲率。

通過a型和b型的對比，發(fā)現(xiàn)無論正負(fù)角隅，只要曲率相似，應(yīng)力結(jié)果就比較接近。總體上曲率越大，角隅的效果越好。但采用橢圓形角隅時(shí)要注意，長短軸的比例不宜過大，否則會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力升高的情況。根據(jù)角隅位置其余結(jié)構(gòu)的布置情況，如果船寬方向空間比較充足，距離周圍結(jié)構(gòu)和設(shè)備較遠(yuǎn)，則建議采用c型，如果船長方向空間比較充足，則采用e型比較好。

由于本船橫艙壁區(qū)域通風(fēng)要求高，主甲板上需要為通風(fēng)設(shè)備及通道留下充足的空間，沿船長方向布置的空間緊張，故采用c型負(fù)角隅。

2.4 艙口圍結(jié)構(gòu)

通風(fēng)和通道的要求，使艙口圍結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也同樣受到影響。在設(shè)計(jì)集裝箱艙蓋的縱向限位加強(qiáng)時(shí)，通常會(huì)避開開孔位置，將前后2個(gè)橫向艙口圍的肘板連在一起，以抵抗縱向限位器傳遞的載荷。本船中，在甲板條上存在大量的通風(fēng)筒，只能在此處加強(qiáng)位置前端做通道。由于有澳通要求和冷箱檢修的需要，甲板下的結(jié)構(gòu)亦不可做成開孔板形式。最終設(shè)計(jì)形式見圖9。有限元分析的應(yīng)力結(jié)果見圖10。

圖9 艙口限位器加強(qiáng)

圖10 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)有限元結(jié)果

3 結(jié)論

1)UR S11A對集裝箱船的波浪彎矩和剪力有較大的改變，對冷箱專用的集裝箱船由于其航速較高，這種影響更為加劇。同時(shí)，在總縱強(qiáng)度及屈曲強(qiáng)度的分析方法產(chǎn)生改變后，也將進(jìn)一步影響到集裝箱船的設(shè)計(jì)。

2)結(jié)合UR S11A的影響，在中橫剖面的設(shè)計(jì)中提出了一些建議。對于舷側(cè)縱骨疲勞強(qiáng)度較難滿足規(guī)范要求的情況，建議將強(qiáng)框加強(qiáng)筋與縱骨的脫開，可改善疲勞強(qiáng)度。

3)考慮到本船作為全冷箱集裝箱船，在設(shè)計(jì)橫艙壁、艙口角隅及艙口圍加強(qiáng)等結(jié)構(gòu)時(shí)，要對通風(fēng)、通道、冷箱檢修等方面進(jìn)行考慮，文中分享了此方面的設(shè)計(jì)方法，可供相似船型參考。