32 500 DWT多用途船甲板集装箱撑柱结构计算

徐　鹏，张　媛，谢永和，2

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山　316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山　316022）

32 500 DWT多用途船甲板集装箱撑柱结构计算

徐鹏1，张媛1，谢永和1，2

（1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山316022）

32 500 DWT多用途船兼备散货船和集装箱船的特征，既能用于运载散装货物，又能运载集装箱货物，最大要求地满足了船东的要求。国内尚没有专门针对多用途船甲板集装箱撑柱结构的结构强度计算准则和规范。本文主要是参考CCS钢质海船入级规范（2012）和2013年修改通报中的部分内容，利用MSC.Nastran软件进行有限元分析，研究32 500 DWT多用途船在装载集装箱时垂荡工况和横摇工况下集装箱撑柱的结构强度，并且提出了合理的局部结构加强的意见。

多用途船；集装箱甲板撑柱；有限元计算；局部结构加强

多用途船是一种能载运杂货、散货及集装箱等多种“不确定性”货物的船型，具有载运高效，使用简便的特点［1-2］。随着航运业的发展，我国海上多用途船的需求不断上升［3］。MSC.Nastran是当前国际上流行的大型结构有限元分析软件，在船舶设计领域，越来越广泛地应用于船体结构的强度计算与校核［4］。为了保证船舶结构的安全可靠，我们需要根据多用途船的装载特点，进行结构有限元计算。

因为多用途船是兼备运输散货和集装箱的船舶，本文考虑的是集装箱装载工况下，甲板以上集装箱舷侧撑柱的结构强度问题。甲板上的集装箱受到的外力包括船舶运动引起的力、集装箱自身的重力及风压力［5］。甲板以上靠近船舷两侧的集装箱，固定在甲板撑柱上，在船舶横摇运动时候，位于舷侧的集装箱列箱，加速度大，位移也最大。此处集装箱的箱角处的受力也是最大。因此，为了保证船舶结构的安全性，有必要对其进行结构强度校核。集装箱撑柱如图1所示，本文的集装箱船某个舷侧部位撑柱结构如图2所示。

图1　某集装箱船甲板上撑柱图Fig.1　The pillars on a container ship's deck

图2　本船的某个撑柱结构图Fig.2　A pillar structure of a container ship

1　有限元仿真模型

本文主要是研究32 500 DWT多用途船甲板上的集装箱撑柱结构强度，探讨在不同集装箱装载工况下的甲板上支撑结构强度，利用MSC.Patran软件建立有限元仿真模型，并利用Nastran进行数值模拟。根据有限元模型数值模拟的计算结构，提出结构优化建议。该船的主要的主尺度以及主要参数见表1。

表1　32 500 DWT多用途船主尺度以及参数Tab.1　The principal dimension and parameters of 32 500 DWT multi-purpose vessel

1.1模型的建立

根据《规范》及《修改通报》要求，用三维有限元模型进行32 500 DWT多用途船撑柱结构的强度直接计算时，由于对称性取右舷撑柱结构。由于部分撑柱结构相似性，取典型计算区域撑柱建模计算。根据以上原则，本文只列出船首区域、舱段区域和船尾区域的部分甲板上撑柱结构模型，其不同肋位的结构有限元仿真模型如图3～6所示。

图3　有限元模型示意图（Fr181～Fr209）Fig.3　Finite element model（Fr181～Fr209）

图4　有限元模型示意图（Fr85～Fr101）Fig.4　Finite element model（Fr85～Fr101）

图5　有限元模型示意图（Fr160～Fr183）Fig.5　Finite element model（Fr160～Fr183）

图6　艉部有限元模型示意图（Fr15～Fr41）Fig.6　Finite element model （Fr15～Fr41）

1.2材料及边界条件

本船的材料为船用结构钢。材料的具体参数为：密度，模量，泊松比，屈服强度ReH1=235MPa，ReH2= 335MPa（AH36）。

甲板以上的集装箱撑柱强度计算认为是局部强度有限元计算，模型的各端面边界条件均采用线位移约束，角位移不约束，见表2。

表2　有限元计算边界条件Tab.2　The boundary conditions of the finite element calculation

2　计算工况及载荷

2.1计算工况

本船航行于中国近海航区，主要装运集装箱，同时适装煤炭等散装货物的多用途船。参照本船集装箱装载系固计算书，分五种工况对本船进行分析在满载工况下，如表3所示，装箱量可达到1768TEU或（718FEU+332TEU）或（176*45'HQ+520FEU+332TEU）。

表3　集装箱船装载计算工况Tab.3　Calculation cases of container loading

2.2加载方式

对于集装箱所受的力，根据船舶装载工况及船舶运动予以确定。这些里包括船舶的横摇、纵摇和垂荡运动所产生的集装箱惯性力以及集装箱的总重量、风力、系固力和波浪的冲击力［6］。在本船的撑柱计算中，根据实际装载情况，考虑了集装箱垂向加速度对撑柱产生的受力和横摇运动对撑柱产生的受力两种情况。

根据集装箱装载布置以及撑柱在甲板的结构特征，将船中区域结构相似的撑柱及支撑结构做相似问题处理，在同一区域选取受力最大的撑柱进行加载受力分析，并按同样结构加强形式处理。撑柱各工况受力取自《规范》及《修改通报》要求与集装箱系固计算书。

集装箱加速度以前的垂向力要均布在甲板上撑柱的四箱角上，对于一个撑柱上面可能支持2个、3个或者4个箱角，对于超过1个的集装箱箱角，受力采用叠加原则。表4、表5、表6给出了船首、舱段和船尾的部分撑柱撑柱受力的最大值。

垂向加速度载荷公式：

式中：G为集装箱的总质量；φm为最大横摇角；av为垂向加速度；垂向加速度av应取以下av1和av2表达式中的最大者：

表4　垂向加速度引起船首部分撑柱受力Tab.4　Force of some pillars of bow induced by vertical acceleration

表5　垂向加速度引起舱段部分撑柱受力Tab.5　Force of some pillars of cabin induced by vertical acceleration

表6　垂向加速度引起船尾部分撑柱受力Tab.6　Force of some pillars of stern induced by vertical acceleration

在甲板上，舷旁外侧的箱体会受到风压的影响，有时候也会增加绑扎装置。所以不尽要考虑集装箱的横摇惯性力，还要考虑绑扎力。撑柱的受力不尽包括集装箱的箱角的直接受力，同时还包括绑扎件对撑柱的受力。每一种工况的计算中，、舱外有风压和无风压时不同位置处集装箱的受力情况。表7、表8、表9给出了船首、舱段和船尾的部分撑柱撑柱受力的最大值。

表7　横摇风载工况下船首甲板上部分撑柱受力Tab.7　Force of some pillars on the bow's deck in the rolling wind loading

表8　横摇风载工况下货舱舱段甲板上部分撑柱受力Tab.8　Force of some pillars on the cabin's deck in the rolling wind loading

表9　横摇风载工况下船尾甲板上部分撑柱受力Tab.9　Force of some pillars on the stern's deck in the rolling wind loading

3　有限元计算结果与分析

根据《修改通报》附录1中5.4.1的要求，取许用剪切应力0.4 ReH1=94 MPa，取许用相当应力为0.88 ReH2=206.8 MPa。通过对该多用途船集装箱甲板以上撑柱结构的有限元模型的数值计算，得到在集装箱装载工况LC1～LC5的结构应力分布。表10给出了在各个工况下的最大应力校核汇总。图7～14给出了撑柱结构在各工况下的最大应力云图。通过校核比较，32 500 DWT多用途船撑柱结构强度满足《规范》及《修改通报》要求。

表10　在各个工况下最大应力校核汇总Tab.10　The summary of maximum stress check under various conditions

图7　货舱前部模型最大相当应力云图Fig.7　The nephogram of the maximum equivalent stress of the forward cabin model

图8　货舱前部模型最大剪切应力云图Fig.8　The nephogram of the maximum shear stress of the forward cabin model

图9　货舱Fr85～Fr101模型最大相当应力云图Fig.9 The nephogram of the maximum equivalent stress of the cabin model（Fr85～Fr101）

图10　货舱Fr85～Fr101模型最大剪切应力云图Fig.10　The nephogram of the maximum shear stress of the cabin model（Fr85～Fr101）

图11　货舱Fr163～Fr183模型最大相当应力云图Fig.11　The nephogram of the maximum equivalent stress of the cabin model（Fr163～Fr183）

图12　货舱Fr163～Fr183模型最大剪切应力云图Fig.12　The nephogram of the maximum shear stress of the cabin model（Fr163～Fr183）

图13　船尾1模型最大相当应力云图Fig.13　The nephogram of the maximum equivalent stress of stern 1

图14　船尾1模型最大剪切应力云图Fig.14　The nephogram of the maximum shear stress of stern 1

4　结语

对32 500 DWT多用途船集装箱装载工况下集装箱甲板撑柱结构强度计算结果的讨论与分析，可以得到如下结论：

1）主要应力集中在箱角部位，有必要对箱角周围的舱壁、肘板、甲板等相连部位进行局部板厚加强。

2）撑柱沿船长方向的端壁，尽量焊接在强框架、强横梁或者舱段舱壁等强结构上，这样有利于加强力的传递，减少应力集中。

3）撑柱甲板下，没有船体强框架结构的话，一般加肘板进行加强，肘板端部需要延伸到舱壁的舷侧强强纵骨的位置。

［1］陈方，李中扬.24 000 DWT多用途船结构设计［J］.船舶设计通讯，2011（增刊）：38-43.

［2］胡关德，王刚毅.多用途船船型及设计简介［J］.船舶设计通讯，2010（增刊）：20-25.

［3］张润华，潘忠兵，陆陈康.多用途船集装箱装载工况直接计算分析［J］.船舶与海洋工程，2014（3）：63-68.

［4］张晓君.基于Nastran的船舶局部强度有限元分析［J］.浙江海洋学院学报：自然科学版，2006，25（3）：295-300.

［5］姜朝妍，王建平.甲板集装箱的绑扎［J］.大连海事大学学报：自然科学版，1999（3）：48-50.

［6］中国船级社.钢质海船入级规范［S］.北京：人民交通出版社，2012.

The Calculation of Container Pillar Structures on the Deck of 32 500 DWT Multi-Purpose Vessel

XU Peng1，ZHANG Yuan1，XIE Yong-he1，2
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province，Zhoushan316022，China）

32 500 DWT multi-purpose ship has the characteristics of both the bulk carriers and container ships.It can be used not only for carrying bulk cargo，but also can carry a containerized goods，which meets the requirements of the owner in the largest degree.There is no detailed structure caculation criteria and standard that specially aimed at the container pillar on the deck in China.In this paper，the structural strength of container pillars of 32 500 DWT Multi-Purpose Vessel on the deck are analyzed in the case of heaving and rolling referring to the partical content of CCS“Rules For Classification of Sea-going Steel Ship”（2012）and “Amendment of Regulations”，by using the software of MSC.Nastran.According to the results of the pilars，reasonable opinions of strengthening local structure are put forward.

multi-purposed vessel；the container pillar on the deck；finite element caclucation；strengthen of local structure

U661

A

1008-830X（2016）02-0144-06

2015-12-10

国家国际科技合作专项项目（2012DFR80170）

徐鹏（1989-），男，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：船舶结构强度.E-mail：xupengts@163.com