2400 TEU内贸集装箱船结构减重设计

张云风 吴 刚 黄 茜

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

与常规外贸集装箱船相比，内贸集装箱普遍较重，单箱重达20～30 t，因此内贸集装箱船除了关注装箱数量，更需关注船舶的载重量。为了提高船舶的载重量，有效地控制船舶结构重量显得尤为重要。此次优化设计，依据母型船（泰州三福船舶工程有限公司2400 TEU内贸集装箱船）进一步优化总体布置、调整结构形式。母型船选用的是GREEN DOLPHIN 38散货船线型，主要是综合考虑内贸船的特点：航速不高、注重载重能力。另外，由于中国船级社（CCS）《国内航行海船建造规范》2015年修改通报已经生效，因此设计时也考虑了2015年修改通报的要求，从而开发出一型新的2400 TEU内贸集装箱船，优化原有结构设计，提高船舶的载重量。

优化设计工作主要分为以下几部分：

1）规范引起的修改；

2）总体布置及静水弯矩的优化；

3）高强度钢的使用；

4）货舱区域结构优化；

5）首部结构优化；

6）尾部结构优化。

1 新规范简述

中国船级社针对西北太平洋的波浪谱特点，对国内航行海船的波浪弯矩重新进行了调整。而2400 TEU内贸集装箱系列为近海航区船舶，此次优化设计，按照《国内航行海船建造规范》2015年修改通报，近海航区的波浪弯矩和剪力折减程度加大，将原先无限航区（国内远海）的波浪弯矩和剪力下允许折减5%调整为允许折减10%，较小的波浪弯矩和剪力有利于船舶总强度计算。目前《国内航行海船建造规范》2016年修改通报已于2016年7月1日开始生效，其中内贸集装箱船的修改部分引入了IACS URS11A和IACS URS34的内容，新的总纵强度和极限强度的要求对内贸集装船将带来相应船舶结构重量的增加。由于目前CCS还未发布新版计算软件以及还未有需要满足2016新要求的船舶生效，因此在本次优化设计中未考虑2016年修改通报对该船结构重量的影响。

2 布置及结构优化设计

2.1 该船特点

该船结构布置紧凑，从FR39～FR210为双底双壳结构的货舱区域，肋距为0.79 m，货舱长135.09 m，占76.3%的船长。由于内贸集装箱船无需满足新绑扎通道的要求，为了在最小的主尺度下得到最大的装箱数，该船每隔40英尺（1英尺=0.3048 m）箱长仅设置1档肋骨间距的垂向、水平支撑桁材，每隔两个40英尺箱长设置2档肋骨间距的水密舱壁，见图1～图2。

图1 总布置图

载重量 约40300 t

船级符号

★CSAD集装箱船；近海航区；B级冰区航行；装载仪（S，I）

★CSMD机舱处所集中控制；驾驶室遥控；燃油舱保护；绿色船舶1

图2 典型横剖面图

2.2 规范引起的修改

按照 《国内航行海船建造规范》2015年修改通报，较小的波浪弯矩和剪力有利于船舶总强度计算。此项规范引起的修改节约15 t。

2.3 总体布置及静水弯矩的优化

2.3.1 增加载重量

在母型船的基础上，结构吃水增加了0.2 m。经核算，局部构件和板在增加吃水后也满足相应规范强度要求。结构设计在尺度和控制重量方面已经紧贴规范要求。

2.3.2 总体布置上优化

1）尾部11400平台上，取消舵机舱两侧的淡水舱，将淡水舱移至第6边压载水舱（FR44～FR60，6764平台和11948平台之间）；11400平台下尾尖舱不打压载水，仅作为空舱，可节约重量约1 t；

2）经船东使用船舶反映，将货舱前端FR208～FR212处储藏室取消，货舱FR208横舱壁改为垂直桁水平桁形式，防撞舱壁移至FR210，节约重量约占空船重量的0.46%；

图3 许用静水弯矩优化

3）首部压载舱舱容减小，从11948平台调整到6764平台，节约重量约1 t。

2.3.3 静水弯矩优化

因母型船的重量重心布置已比较准确，所以在任何装载工况下首尖舱都无需压载水调整船舶浮态，中拱静水弯矩由原来的1230000 kN·m减少到1000000 kN·m，比母型船降低了约23%，见图3。通过总纵强度和扭转强度校核，结构纵向抗扭箱及舱口围处纵向构件均大幅减小，舱口围腹板由原来的36EH36和50EH36减少到32EH36，舱口围面板由原来的50EH36减少到38EH36，舱口围板纵骨由原来的 FB250×36AH36 减少到 FB250×32AH36。同时上甲板、舷顶列板和纵舱壁上列板的板厚由原来28DH36减少到24DH36，纵骨相应由原来的FB250×28DH36 减少到 FB250×24DH36，见图 4。 此区域的优化，共减少重量约占空船重量的1.7%（其中15 t已含在2.2中描述）。

图4 总纵强度结构优化

2.4 高强度钢的使用

该船规格书高强度钢比例的限制没有明确要求，母型船高钢比例约为45%。货舱原船底区域采用的是32钢，考虑36钢价格差别不大，该船在优化设计期间，全面采用AH36钢，估算可节约重量约占空船重量的0.5%。该船的高强度钢比例基本与母型船维持不变。

2.5 货舱区域结构优化

1）考虑船东装货需求，取消货舱兼装干散货的需求，仅需满足集装箱船要求，内底板板材和内底纵骨均有所减小，节约重量约占空船重量的0.54%。

图5 新船船底外板屈曲安全因子

2）货舱区域采用小的纵骨间距。将每个集装箱箱角纵桁及平台处3档设置纵骨改为4档设置纵骨，即纵骨间距由原来的840 mm改为630 mm。虽然增加了纵骨数量，但船底和舷侧区域的板材和骨材的规格均有较明显的下降，此外对屈曲计算也明显有利，见图5。纵骨骨材规格减小后，对纵骨疲劳计算有一定的影响。另外，CCS 2015年新颁布的疲劳计算软件也增加了纵骨要求，优化设计时增加了纵骨疲劳肘板，但是相对纵骨规格的下降，增加疲劳肘板对重量的影响有限，见图6。结构重量得到了很好的控制，估算可节约重量约占空船重量的0.87%。

图6 舷侧纵骨疲劳肘板

3）船首底部加强优化。因规范要求船首底部加强须设置间距不大于3档纵骨间距的旁桁材，母型船3档大纵骨间距设置桁材正好可以规避，新船优化纵骨间距后，必须加密桁材。为了减少这部分重量的增加，加密的桁材采用大开孔形式，如图7，将重量影响降到最低。经比较，因新船纵骨间距减小，实肋板开孔也有加密，实际重量增加不到10 t。

图7 船首底部加密桁材开设大孔

CCS《国内航行海船建造规范》2016年修改通报已经生效，规范要求船首底部加强如果不按规范要求设置纵桁和肋板，可通过直接计算来核算板厚，因此，这部分重量实际可忽略。

4）该船货舱区域所有的压载舱均布置在舷侧和双层底内，故舷侧边舱较宽。由于该船为集装箱船，取消了原母型船货舱兼运干散货的要求，因此修改了舷侧强框架的开孔。原母型船设计中舷侧开孔相对较小（见图8），为减轻舷侧强框架重量，舷侧强框架采用了较大的减轻孔，并通过直接计算优化结构，见图9，保证各部分结构更为有效和合理的利用。此外，采用0.5 mm材料规格，强框板取规范要求最小厚度9.5 mm，节约重量约11 t。

5）有限元计算优化。

图8 原设计横剖面图

（1）如前所述，通过优化配载，使得许用静水弯矩与母型船相比减小，中拱许用静水弯矩由原来的1230000 kN·m减小至1000000 kN·m， 中垂许用静水弯矩由原来的830000 kN·m减小至800000 kN·m，货舱区船底外板的屈曲情况得到改善。同时，船底骨架间距的减小缩短了船底外板板格的宽度，对板格屈曲强度也起到一定的作用。本部分优化减重约13 t。

图9 强框有限元分析

（2）内贸集装箱船装箱质量大，直接计算中考虑1 bay箱位空装载工况时，会在舱室交界处的双层底结构产生严重的垂向剪切变形，该船通过调整船底纵桁人孔位置、局部增加板厚等方式，对该区域结构刚度进行强化，相较母型船未调整开孔直接加厚板的加强方式，减重约1 t。另外，减少使用局部加厚板的做法可以显著减少船厂割板、焊接等所需的工作量。

（3）在控制好舱口围变形的条件下，优化横向舱口围面板的重量，减重约10 t。

（4）与舱盖厂家协商后，将新船舱盖变形量适当加大，从而优化横向抗扭箱端部板厚及横舱壁端部大肘板形式，改善结构局部应力集中现象，使母型船横舱壁局部加厚板得到减薄，本部分优化减重约4 t。

2.6 首部结构优化

中小型集装箱船，由于快速性要求，故首部型线相对尖瘦。一般情况下，首部舷侧及甲板区域采用横骨架形式。由于规范对于横骨架形式的首尖舱结构需要设置间距不大于2.5 m的开孔平台或强胸横梁，然而纵骨架形式的首尖舱不存在此项要求。考虑到GREEN DOLPHIN 38的首部线型相对丰满，经过综合评估，舷侧和甲板采用了纵骨架形式的结构，减重约 16 t，见图 10～图 11。

图10 原首部中纵剖面图

图11 新首部中纵剖面图

2.7 尾部结构优化

舵机平台上舷侧结构由横骨架改为纵骨架式，舵机平台和假舵加强区域外的肋板，采用较大减轻孔的结构形式代替原来较小的开孔，减少重量约5 t，见图 12～图 13。

图12 原尾部实肋板图

图13 新尾部实肋板图

3 结语

通过上述结构优化设计，新2400 TEU内贸集装箱船相对母型船，结构减重约为原结构重的4.8%，是非常可观的。此次优化设计为新签厦门、三福2400 TEU、上海、金陵2500 TEU的项目奠定了扎实的技术储备。结构设计是一个不断优化的过程，希望以上优化对今后中小型内贸集装箱船的重量控制有一定的帮助。