大型集装箱船舱段有限元强度分析

钱欣玉

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

集装箱船具有装载效率高、安全性好、不受气候干扰等优点，随着经济全球化程度的加深，集装箱船运输作为一种较为先进，具有较好发展前景的运输方式，一直处于不断发展之中，在海运市场所占份额也逐年增长。这些年来，各国集装箱运量不断上升，世界上主要集装箱班轮航线为了在激烈的市场竞争环境中占据有利地位，纷纷订造超大型集装箱船舶，以进一步降低单位运输成本，增强市场竞争力。集装箱运输船舶不断朝着集约化、大型化发展。

本文以某大型集装箱作为研究对象，根据德国船级社（GL）集装箱的货舱直接分析指导文件进行船体货舱段的结构有限元分析。由MSC/NASTRAN进行计算分析，最后通过后处理得到了舱段结构强度的有限元计算结果。

1 船体主尺度及布置

该船总长399.0 m，型宽56.4 m，型深30.1 m，结构吃水16 m，采用双岛式布局。其总共设置九对底压载水舱和九对边压载水舱，但为了尽可能减少压载水，边压载水舱并未设置到二甲板的高度，中间还留有一定高度的空舱。另外，因为在船舶的压载状态，装箱状态船体处于较大的中拱弯矩之下，首尖舱和尾尖舱均设为空舱。总体布置图如图1所示。

图1 总体布置图

2 船体结构布置

该船的中横剖面图如图2所示。货舱段主船体结构基本都采用纵骨架式，有利于满足船体的总纵强度以及板格的屈曲强度。最大设计弯矩是结构设计的基础，设计静水弯矩取得过大，会增加结构重量，取得过小，又会降低实际营运状态的灵活性。一方面根据装载手册，绘制各装载状态下的最大静水弯矩和剪力包络线，选取包络线中的最大中拱和中垂弯矩及相应剪力。另一方面考虑规范要求的静水弯矩和剪力，通过比较，选取上述最大值。考虑装载工况时，除了常规的压载工况、轻箱工况、重箱工况外，由于超大型集装箱船运营时可能出现多港口情况，所以考虑了跳装装载工况，分别取第八、第六、第四货舱中的两个箱位为空的装载工况。同时在此基础上考虑一定的裕度，确定合适的最大设计弯矩［1］。

图2 中横剖面图

3 舱段有限元模型的建立

该船根据GL的集装箱船规范，其纵向模型范围取为船中的一个整货舱和前、后各一个半舱，包括了4列40 ft集装箱，横向范围由于结构和载荷的对称，所以取半宽模型进行分析计算，垂向范围取为船体型深。所有的纵向和横向的主要构件均应包含于模型中。舱段的有限元模型如图3所示。取模型坐标如下，X方向为纵向，船首为正；Y方向为横向，左舷为正；Z方向为垂向，向上为正。对于网格要求，一般不大于纵骨间距。

4 加载及工况

根据GL的集装箱船直接分析指导文件［2］，对6种工况进行校核：40 ft均质装载，40 ft轻货装载，20 ft重货装载，20 ft轻货装载，纵摇工况以及破舱工况。表1为所有工况的加载情况。

图3 舱段结构有限元模型

表1 标准载荷工况

同时，根据GL规范，空箱跳装可以替代轻箱装载工况，所以实际40 ft的空箱跳装工况和20 ft的空箱跳装工况替代了两种轻载的工况。即甲板上和货舱内各一列40 ft空的工况。

应力衡准根据GL规范，如表2所示。

表2 许用主要构件应力标准

5 计算结果分析

船体主要的纵向和横向构件，在各个工况下进行有限元分析，从实际的计算分析结果中可看出，各构件的最恶劣结果基本都发生在40 ft空箱跳装工况和20 ft空箱跳装工况下，部分区域在破舱工况下应力值比较大，图4～图6所示为选取的局部结果图例。

图4 破舱工况的变形图

图5 40 ft空箱跳装的相当应力

图6 20 ft空箱跳装的相当应力

其结论如下：

1）旁桁材的最大应力值出现在40 ft空箱跳装工况下，两列40 ft箱位中部位置处。该区域需要通过改变开孔位置和增加板厚来满足强度要求。

2）船底肋板的最大应力值出现在破舱工况下，主要指管弄靠近水密横舱壁附近，需要提高钢级或增加板厚。

3）舷侧横框架最大应力值出现在20 ft空箱跳装工况下，在水密横舱壁和支柱舱壁处的横向框架需增加板厚，并去除高应力区域的开孔以满足强度要求。

4）水密舱壁垂直桁在破舱工况下应力值最大，船中处及靠近中部的几个垂直桁底部高应力区域的开孔取消并相应增加板厚。

5）内底板的最大应力值出现在40 ft空箱跳装工况下，靠近水密横舱壁附近的内底板板厚需增加板厚。

6）船底板的最大应力值出现在40 ft空箱跳装工况下，货舱中间靠近船中位置处的部分板厚需要局部增加。

7）舷侧板的最大应力值出现在40 ft空箱跳装工况下，发生在货舱中间靠近舭部位置，但不需要额外加厚。

8）内壳板的最大应力值出现在40 ft空箱跳装工况下，靠近上甲板最上列板，因本来为满足总纵强度取值就比较大，所以此处能满足有限元计算。

屈曲计算是通过GL POSIEDON ND软件得出计算结果，其输入的应力值则是根据PATRAN的计算结果读出。表3～5为示例的船底、内底和外板的屈曲结果。

表6为屈曲计算的汇总表。

表3 船底的屈曲结果

表4 内底的屈曲结果

表5 舷侧外板的屈曲结果

表6 屈曲计算的汇总表

6 结语

由于此类超大型集装箱船尺度超大，所以常规的货舱段有限元分析已经不能满足结构设计要求，需要进行全船有限元分析。应用三维水动力直接计算分析方法对全船进行系统的装载工况及载荷分析；将分析得到的载荷进行加载计算，以得到全船结构在各类典型工况下的响应预报；根据结果进一步进行结构分析。另外，对于此类超大型集装箱船，波浪引起的船体梁振动问题更为显著，弹振和颤振对船体结构极限强度和疲劳强度非常不利，往往会导致破坏性后果。本文目前只是根据GL规范对船体货舱段进行了三舱段分析，使得该设计首先满足了规范对集装箱船的舱段分析要求，对于整船的设计还有很大的局限性。希望本文能给今后设计提供一定的参考价值。

［1］陈铁云，陈伯真.船舶结构力学［M］.1991.7.

［2］GL 船级社.Structural Rules for Container Ships［S］.