UR-S11A对集装箱船直接强度的影响

郑祖园，王德禹

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240

UR-S11A对集装箱船直接强度的影响

郑祖园，王德禹

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240

国际船级社协会在最新出版的统一要求中，新增了UR-S11A关于集装箱船总纵强度的要求。之前集装箱船的总纵强度一般按照UR-S11进行校核，如今新要求对集装箱船的总纵强度有了更为严格的要求。首先比较UR-S11和UR-S11A的载荷差异，然后针对一艘4 250 TEU的集装箱船，按照UR-S11和UR-S11A的规定进行结构强度分析和比较，以期研究新规则对集装箱船总纵强度的影响。从计算结果可以看出，UR-S11A的波浪载荷较UR-S11有较大的提高，因此新规则对集装箱船的结构强度提出了更高的要求。

总纵强度；集装箱船；UR-S11；UR-S11A

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160729.0945.042.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：郑祖园，王德禹.UR-S11A对集装箱船直接强度的影响［J］.中国舰船研究，2016，11（4）：44-50.

ZHENG Zuyuan，WANG Deyu.Analysis of the direct strength of container ships according to UR-S11A［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（4）：44-50.

0　引言

2013年6月，从新加坡驶往Jeddah Islamic港的MOL Comfort号集装箱船在印度洋海上发生了断裂，船体断为两截，无法自航，且前半部分船体沉没［1］。为了防止类似事故再次发生，国际船级社协会（IACS）在伦敦举行部长级会议，在会上进行了强化船舶结构安全标准的讨论。根据会议结果，IACS决定将统一要求UR增加2项条款，即有关集装箱船总纵强度的UR-S11A条款及有关集装箱船功能要求与负载条件的UR-S34条款。该2项条款计划从2016年下半年开始生效。

本文将以一艘4 250 TEU的集装箱船为例，根据最新的UR-S11A要求进行直接强度分析，并讨论UR-S11A对船体结构的影响。

1　UR-S11A与UR-S11要求的比较

新规定UR-S11A中，关于静水弯矩和静水剪力的规定与UR-S11一致，都是根据实际的装载工况来确定；而波浪弯矩和波浪剪力的规定则不同［2］。

1.1波浪弯矩的比较

在UR-S11A中，垂向波浪弯矩公式为［2］：

式中：fR为外形轮廓系数，取值为0.85；L为规范船长；CW为结构吃水处的水线面系数；B为型宽；fNL-Hog为中拱状态时的非线性修正系数；fNL-Sag为中垂状态时的非线性修正系数；波浪系数C的计算参照以下公式：

式中，Lref为参考船长，m。波浪弯矩的分布如图1所示，图中，FE为前端，AE为后端。

图1　UR-S11A垂向波浪弯矩沿船长分布Fig.1　Distribution of vertical wave bending moment along the ship length according to UR-S11A

在UR-S11中，垂向波浪弯矩的公式为：

式中：Cb为方形系数，不小于0.6；波浪系数C的计算参照以下公式：

式中的分布系数M的定义如图2所示。

图2　UR-S11垂向波浪弯矩分布系数MFig.2　Distribution factor M of vertical wave bending moment according to UR-S11

1.2波浪剪力的比较

在UR-S11A中，垂向波浪剪力公式为［2］：

垂向波浪剪力的分布如图3所示。

图3　UR-S11A垂向波浪剪力沿船长的分布Fig.3　Distribution of vertical wave shear force along the ship length according to UR-S11A

在UR-S11中，垂向波浪剪力的公式为：

公式中的分布系数FQ的定义如图4所示。

图4　UR-S11垂向波浪剪力分布系数FQFig.4　Distribution factorFQof vertical wave shear force according to UR-S11

1.3实船计算比较

以一艘4 250 TEU的集装箱船为例，分别按照UR-S11A和UR-S11进行波浪弯矩与波浪剪力的计算，并进行比较。

4 250 TEU集装箱船的主尺度为：规范船长L=243.4 m；船宽B=32.25 m；型深D=19.3 m；结构吃水T=12.6 m；航速V=24.5 kn；方形系数Cb=0.656。

垂向波浪弯矩和垂向波浪剪力的计算与比较结果如表1、图5和图6所示。

从这艘4 250 TEU集装箱船的波浪弯矩与剪力的比较可以看出，根据UR-S11A计算得到的垂向波浪弯矩和垂向波浪剪力与UR-S11相比，都有了较大幅度的提高。

2　直接强度分析

直接强度分析根据CCS钢制海船规范第2篇第7章集装箱船部分的附录2进行计算（后文中简称为附录2）。

表1　UR-S11A与UR-S11波浪弯矩和剪力计算结果Tab.1　Calculation results of wave bending moment and shear force according to UR-S11 and UR-S11A

图5　UR-S11A与URS-11垂向波浪弯矩比较Fig.5　Vertical wave bending moment comparison of UR-S11A and UR-S11

图6　UR-S11A与URS-11垂向波浪剪力比较Fig.6　Vertical wave shear force comparison of UR-S11A and UR-S11

2.1设计载荷分析

对4 250 TEU集装箱船进行货舱区域主要构件强度的直接计算。在考虑因总纵载荷引起的应力的同时，也考虑因局部载荷引起的应力［3-4］。

船体梁的总纵弯矩包括静水弯矩和波浪弯矩，静水弯矩取装载手册所列的各种装载工况下，船舯0.4L区域的最大中拱弯矩。波浪弯矩按照1.3节中根据UR-S11A计算得到的最大中拱弯矩。由于UR-S11A计算得到的波浪剪力比UR-S11大得多，剪力可能对总纵强度计算结果产生影响，故也要将剪力的影响考虑在直接强度分析中。

局部载荷计算的载荷分量包括：

1）空船重量；

2）集装箱载荷；

3）由吃水引起的静水压力；

4）由波浪载荷引起的压力。

其中，货舱内的集装箱载荷以点载荷的形式施加于箱脚处，甲板上的集装箱船载荷以线载荷的形式施加于舱口围板与垂直板相交处，另外，舱盖的重量也计入甲板上的集装箱载荷中。

2.2计算工况

受篇幅所限，计算工况只选择一种最为典型的装载工况，即根据附录2选择中间一个40 ft箱位空舱的工况（LC1G），如表2所示。表中，Ps为由结构吃水引起的海水静压力，Pw为海水动压力，Ps与Pw的公式参见附录2。

表2　计算工况Tab.2　Loading condition

2.3舱段结构的有限元模型

有限元模型范围取纵向为船中货舱区域“1/2货舱+1个货舱+1/2货舱”范围，即沿纵向4个40 ft箱位的长度；垂向取型深范围；由于计算工况的边界条件和载荷左右对称，故横向取半个船宽范围。

根据CCS规范第2篇第1章第14节规定，有限元模型的构件尺寸采用图纸标定值（即建造尺寸）计入，不考虑船东附加厚度。

货舱区域的所有主要构件，如外板、内壳板、纵桁和横舱壁结构等，用板单元模拟。对于次要构件，如板材上的骨材等用梁单元模拟，其剖面特性计入梁与板连接的偏心位置。

有限元网格按以下规定划分：

1）沿船体横向和垂向以纵骨间距为1个单元；

2）沿船体纵向以肋位间距为1个单元；

3）沿主要构件（包括双壳间纵向平台、横向强框架、双层底纵桁和肋板等）的腹板高度方向划分为3个单元。

4 250 TEU集装箱船的舱段结构有限元模型如图7所示。

图7　4 250 TEU集装箱船舱段有限元模型Fig.7　FEM model of 4 250 TEU container ship

2.4边界条件

根据2.2节的计算工况，在纵中剖面施加对称边界条件，对其节点的横向位移、绕纵中剖面内2个坐标轴的角位移予以约束，即δy=θx=θz=0［3-5］。

在模型的前后2个端面内中和轴与纵中剖面相交处建1个独立点，在独立点上施加弯矩，来模拟总纵弯矩和剪力，端面各纵向构件节点自由度δx，δy，δz与独立点相关联。

对2个端面内的独立点的横向线位移、垂向线位移和绕纵向轴的角位移予以约束，即δy= δz=θx=0；对后端面内独立点纵向线位移予以约束，即δx=0。

在舷侧外板、内壳板与中部货舱前后横舱壁交线上的节点上设置垂向弹簧单元，弹簧单元弹性系数均匀分布，弹性系数K（单位：N/mm）按下式计算：

式中：G为材料的剪切弹性模量，对于钢材，取值为0.792×105N/mm2；A为前后舱壁处舷侧外板、内壳板的剪切面积；lH为中部货舱长度；n为舷侧外板、内壳板上垂向交线节点数量。

舱段模型上的边界条件如表3所示。

表3　边界条件Tab.3　Boundary condition

2.5校核衡准

根据附录2，各主要构件的许用应力如表4所示。

表4　许用应力Tab.4　Allowable stress

由于该4 250 TEU集装箱船体结构大部分采用AH32高强度钢，故材料系数k=0.78，许用应力σ=282 N/mm-2，τ=147 N/mm-2；只有舱口围板采用AH36高强度钢，材料系数k=0.72，许用应力σ=305 N/mm-2，τ=160 N/mm-2。

2.6直接强度分析结果

图8　有限元模型Von Miese应力云图Fig.8　Von Mises stress contours of FEM model

图9　有限元模型剪应力云图Fig.9　Shear stress contours of FEM model

图10　外板的Von Mises应力云图Fig.10　Von Mises stress contours of shell

图11　外板的剪应力云图Fig.11　Shear stress contours of shell

图12　内壳板的Von Mises应力云图Fig.12　Von Mises stress contours of inner hull

图13　内壳板的剪应力云图Fig.13　Shear stress contours of inner hull

图14　舱口围板的Von Mises应力云图Fig.14　Von Mises stress contours of hatch coaming

图15　舱口围板的剪应力云图Fig.15　Shear stress contours of hatch coaming

将局部载荷和根据UR-S11A与UR-S11计算得到的端部弯矩施加在有限元模型上［6］，计算结果的应力云图如图8～图15所示。从计算结果可以看出，根据UR-S11A计算得出的应力水平均高于根据UR-S11计算得出的应力水平，增幅在15%～30%之间。在UR-S11A要求的总纵载荷和局部载荷作用下，外板、内壳和舱口围板部分单元的应力水平超过了许用值或者与许用值已经十分接近［7-10］。

3　结语

本文根据最新出版的IACS统一要求UR-S11A，对一艘4 250 TEU的集装箱船进行了直接强度分析。从分析结果来看，船体结构应力水平已经超过了船级社规范要求的许用应力。UR-S11A对集装箱船的总强度提出了更高的要求。

通过UR-S11A和UR-S11的计算对比可以看出，UR-S11A在波浪弯矩和波浪剪力方面均较UR-S11有所提高，特别是波浪剪力的提高幅度很大。由于本文的计算工况是中拱工况，而文中所研究的集装箱船根据UR-S11A和UR-S11计算得到的中拱垂向波浪弯矩几乎相同，故计算结果中应力水平的提高几乎都由剪力贡献。从载荷来看，施加在模型上用于模拟剪力的弯矩约为静水弯矩和波浪弯矩之和的1/3，影响程度较大。

根据UR-S11A的计算结果可以看出，本文研究的集装箱船的外板和内壳板的剪应力也都超过了许用值，建议适当增加外板和内壳板的板厚或者提高船用钢的等级来满足规范许用值的要求，或者在横舱壁附近适当增加几个强框架来减少外板和内壳的应力水平。鉴于根据UR-S11A计算得出的波浪剪力水平较高，在今后集装箱船的设计中，要特别注意剪力对于船体结构的影响。

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Analysis of the direct strength of container ships according to UR-S11A

ZHENG Zuyuan，WANG Deyu
School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

The UR-S11A standard regarding the longitudinal strength for container ships was put forward in the latest unified requirements published by International Association of Classification Societies（IACS）. Traditionally，the longitudinal strength of container ships is to be verified according to UR-S11，but now the new standard is stricter in this issue.In this paper，a comparison is made between the loads of UR-S11 and UR-S11A，and in order to find out the influence of the new standard on the longitudinal strength of container ships，a structural strength analysis is executed and compared toward a 4 250 TEU container ship according to both UR-S11 and UR-S11A.It is noted that the wave loads under UR-S11A are much larger than that for UR-S11.In brief，the new standard puts higher requirements on the structural strength of container ships based on the calculation results.It provides valuable references for research and technical personnel in terms of the cargo hold FEM analysis of container ships.Meanwhile，it also gives valid suggestions for the future container ship design.

Longitudinal strength；container ship；UR-S11；UR-S11A

U661.43

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.04.007

2015-10-15网络出版时间：2016-7-29 9:45

财政部、教育部重大专项“船舶数字化智能设计系统”项目（201335）

郑祖园，女，1985年生，工程师。研究方向：船舶结构强度与计算。

E-mail：water.851212@126.com

王德禹（通信作者），男，1963年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：船舶与海洋工程

结构力学。E-mail：dywang@sjtu.edu.cn