2 339 TEU支线型集装箱船设计特点

邵汉东， 刘在良， 周俊霖

(1.扬帆船舶设计研究院， 浙江 舟山 316100； 2.浙江国际海运职业技术学院， 浙江 舟山 316021)

2 339 TEU支线型集装箱船设计特点

邵汉东1， 刘在良2， 周俊霖1

(1.扬帆船舶设计研究院， 浙江 舟山 316100； 2.浙江国际海运职业技术学院， 浙江 舟山 316021)

针对一艘出口德国的2 339 TEU支线型集装箱,介绍其基于CFD技术的低阻线型设计开发，基于MSC.Patran的高可靠性结构设计，大型左右不对称上层建筑整体吊装有限元强度分析及窄边舱技术等在船舶设计与制造中的应用；新技术、新设计手段在船舶设计与制造中应用使船舶各项性能显著提高，其对类似船舶的设计与制造具有积极的参考价值和意义。

支线型集装箱船； 低阻线型； 高可靠性结构； 整体吊装； 窄边舱

0 前 言

支线型集装箱船作为集装箱班轮航线的重要组成部分，是集装箱枢纽港和干线运输的重要支撑。支线型集装箱船在干线船的促进下，具有较好的市场前景。为此，世界各船舶设计研究院、船厂投入大量人力物力，以期以高科技手段与良好的性能指标来获得船舶所有人的青睐。2 339 TEU支线型集装箱船由扬帆集团股份有限公司量身定造，设计与制造过程中采用线型CFD优化、高可靠性结构设计、窄边舱技术应用、大型左右不对称上层建筑整体吊装有限元分析、节能装置技术应用以及低轴中心线倾斜设计等新技术与新工艺。

1 船型特征

本船为无限航区，设有球鼻艏、方艉、单机、定距桨、高效舵(扭曲舵)、首侧推，是一艘尾机型全格栅式集装箱船。

本船主尺度：总长为189.00 m；垂线间长为180.2 m；型宽为30.4 m；型深为16.9 m；设计吃水为8.5 m；设计载重量为21 200 t；主机功率为12 840 kW ×97 r/min；航速为19 kn。

机舱、起居处所及驾驶室位于尾部，设有艏楼，上甲板以下从船首至船尾依次设置8道水密横舱壁，将全船分隔成艏尖舱、5个货舱、机舱和艉尖舱。

本船甲板上可装载18列集装箱，共计载箱2 345 TEU，除可装载20 英尺,40 英尺集装箱外，第3层以上还可装载45 英尺集装箱。全船还可装载500个自冷式40 英尺集装箱，货舱内可装载290个40 英尺集装箱，甲板上可装载210个40 英尺集装箱。同时本船还能运输国际危险货物海运规则(International Maritime Dangerous Goods Code， IMDG Code) 规定的 1.4S，2，3，4，5.1，6.1，8，9类危险品。其总布置图如图1所示。

图1 2 339 TEU支线型集装箱船总布置图

本船按照英国劳氏船级社(Lloyd's Register of Shipping, LR)的现行规范进行设计与建造，满足燃油舱完全双壳保护，是一条环保节能型船舶。耗油量相对较低，燃油舱双壳保护满足MARPOL公约附则I要求;氮硫化物排放满足MARPOL公约附则II和欧盟禁排区要求;压载水的置换采用顺序置换法，并制订压载水管理手册，满足船级社的有关要求;上层建筑满足国际劳工组织MLC 2006要求; 制冷剂管理, 垃圾管理, 生活污水的处理等满足MARPOL公约相关要求；防污底系统满足国际控制船舶有害污底系统公约附则Ⅰ的要求，不使用含有机锡化合物作为水生物灭杀剂。

2 低阻线型开发CFD技术的应用

在基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的船舶阻力计算中，船舶线型优化成为提升船舶科技含量的研究热点,在船舶设计中其所创造的经济效益，表现出强劲的竞争优势。

本船前体横剖面采用“V形” 线型, 后体采用“V-U 形”结合，设计水线8.5 m以上外飘较大，采用球艏、球艉线型，浮心位置在舯后0%～ 2%，弗劳德数Fn取0.2～ 0.3 。

在主尺度等参数已确定的情况下, 优化艏、艉部线型是关键。船体球艏设计, 主要是通过球艏与船艏兴波的有利干扰来减小兴波阻力, 要求球艏体积集中在艏柱以前，与船体连接处体积尽可能小，并且采用合适的球艏主要几何参数。本船球艏最终取长度系数为0.030、高度系数为0.706、横剖面面积系数为0.039。本船采用传统的球艉船型,球艉设计合理,船舶伴流分布均匀, 从而使船身效率优良, 改善了尾部振动, 提高了总推进效率。设计时采用合适的球艉几何参数，取第1站为特征站，球艉大小系数为0.218，高度系数为0.202。 在合理设计线型的基础上，本船采用CFD技术辅以线型设计和航速预报。

建立船壳的实体模型：采用芬兰NAPA船舶性能计算软件将线型的船体SURFACE以IGS的文件格式导出，在三维设计软件RHINO中进行三维半体的实体建模，并在UG三维软件中进行局部坏面的修补。建立流体计算域：网格采用全六面体非结构网格，在自由液面处进行加密，网格总数约150万；采用稳态物理模型，计算模式为湍流模型Komega(SST)-Menter，设置边界条件和运动方程，进行迭代计算。设计吃水工况下的计算结果自由液面波形如图2所示。

建立数值拖曳模拟水池,对航行中的船模绕流流场进行数值模拟,优选出总阻力最小的线型方案，并在德国汉堡HSVA水池进行压载吃水、设计吃水、结构吃水工况的船模试验加以验证。图3为试验图片。

图2 设计吃水工况下自由液面波形

图3 2 339 TEU设计吃水状态船模试验

本船实船试航，采用国际拖曳水池修正法(International Towing Tank Conference， ITTC)经过ITTC法修正后，设计吃水工况下，主机功率为11 440 kW，并在15%海上贮备功率的工况下，航速为18.95 kn,比船模试验的航速18.93 kn还快0.02 kn，完全达到预先设计研发的目的。

本船低阻线型的成功开发与应用，在很大程度上得益于CFD技术的应用。

3 小型集装箱船全船有限元及结构疲劳分析

全船有限元分析在支线型集装箱船的应用还不常见，通常运用有限元对货舱舱段进行直接计算，计算货舱区域的局部强度，但本船船舶所有人为了追求高结构安全可靠性，要求本船进行全船有限元疲劳分析，其全船疲劳强度满足北大西洋海况航行25年的要求。

(1) 全船有限元模型分为2部分：一个是全船结构有限元模型，另一个是用来做水动力计算的面元模型。全船结构有限元模型运用有限元软件MSC/Patran建立；全船有限元模型包含货舱区、首部、尾部、机舱以及上层建筑等全船范围内的主要结构，如图4所示。为建模方便， LR船级社同意采用大网格建模，网格大小为强框间距，非主要构件的梁单元相应分担到强框架处。

图4 全船有限元计算模型

(2) 为了对高应力区域结构进行疲劳强度分析，经与LR商量，全船筛选了近40处舱口、角隅等高应力集中区域进行高精细网格划分，细化网格大小为50 mm×50 mm。局部细化节点模型如图5所示。

图5 疲劳细化节点

水动力计算模型为船体外壳有限元网格，即湿表面。运用LR的水动力软件进行水动力分析，得到船体外壳水线以下部分的外部波浪载荷，并将其导入有限元模型；然后运用有限元后处理运算器MSC.Nastran计算；最后应用LR的有限元软件ShipRight评估计算结果。

(3) 通过对计算结果的分析，本船在总纵弯矩剪力以及扭转弯矩影响下，高应力区域出现在货舱前后端的主甲板处及角隅处、纵向舱口围前后端部、舱口围顶板角隅处。从疲劳强度评估结果可以看出，在舱口围、主甲板、二甲板的角隅处都有不同程度的应力集中问题，解决这种屈服屈曲和疲劳问题最有效的方法就是在应力集中处局部增加加厚板和增大角隅半径。另外，集装箱装载时过大的角隅半径，易导致箱脚碰到角隅，影响集装箱的吊装，因此，在不影响装箱的前提下，舱口围角隅半径尽可能地大，以减小角隅处加厚板的板厚，能采用负角隅的地方尽量采用负角隅，对减小应力集中都是有益的。

4 大型左右不对称上层建筑整体吊装有限元计算法的应用

上层建筑整段吊装技术对缩短造船周期、降低造船成本、改善施工作业环境具有显著的成效，是国内外规模船厂重要的工艺之一。本船上层建筑由7层甲板室和烟囱组成，长度方向从FR 5～FR 24，长度为12 919 mm，最大宽度30 400 mm，高度方向自A甲板依次到罗经甲板，最大高度为24 589 mm；上层建筑最大起重量585 t。

由于上层建筑左右不对称，采用简单的板架理论计算存在局限性，对吊码的设置和结构的加强造成困难，在吊装中由于重量载荷的不一致性，极易造成局部变形和开裂，发生吊装事故。本船设计中采用有限元法，对不对称上层建筑的吊装进行有限元模拟，确保上层建筑的安全吊装。图6为上层建筑有限元模型。

有限元分析发现，有多处区域应力值明显比许用应力大，已远远超出钢板屈服强度235 N/mm2，超出钢板最大抗拉强度520 N/mm2上限。表1中描述了高应力区域结构范围及临时或永久加强措施情况。

图6 上层建筑有限元模型

表1 上层建筑应力集中区结构列表

续表1 上层建筑应力集中区结构列表

有限元分析可知，应力集中区域基本都集中在脱硫塔预留区域附近。造成局部构件应力集中的原因：上层建筑右侧A甲板上面脱硫塔预留区域的布置，导致此区域左右前后结构不对称，在A甲板形成结构特变区，在吊装受力时，相当于脱硫预放A甲板与整个上层建筑在结构特变区形成附加弯矩，再加上此区域壁板上开孔，强度及刚度进一步递减，另外下端的结构离这个附加弯矩的转动轴较远，受力就更大。

另外，吊码处应力集中的原因主要是上层建筑结构不对称，吊点处受力不均匀和多元受力方向以及吊点处结构相对较弱等。

上层建筑整吊作为现代造船模式区域造船法的重要工艺，为船厂在造船周期、降低成本方面取得卓越成就的同时，须重视对上层建筑吊装科学合理的布置和计算。尤其是上层建筑结构比较特殊、吊码布置不对称的情况，须对其进行工艺详细和强度论证；对吊点的选择布置，对结构特变应力集中点，对结构应力集中区开孔，对吊码两端部与结构的有效过渡连接及吊码的有效加强等问题，应前置到详细设计阶段统筹考虑。

5 窄边舱技术的应用

为进一步提高船舶的载箱量，本船在货舱区域舷侧采用窄边舱设计，货舱开口宽度与船舶型宽之比达到0.91，超出常规大开口船舶0.85的设计要求，使本船在同主尺度的集装箱船舶中具有更多的载箱量。超窄边舱的设计使得船体水平弯矩、扭转效应、横向强度在其整体强度校核中的分量比例明显上升，舱口角隅处产生明显的应力集中。邻近机舱处的甲板角隅应力达到最大。因此，在满足集装箱布置的前提下，角隅处尽量加大角隅半径和采用负角隅的连接设计。

6 节能装置技术的应用

为进一步降低船舶能效指数，采用桨后消涡节能装置、舵球装置，用以打散毂涡，恢复舵球、舵表面压力，减小尾流旋转能量损失，综合节能2%～3%。为了能在欧盟禁排区航行，设置低硫油舱，满足禁排区硫氮化物排放标准。

在上层建筑外围预留洗硫塔安装位置，一旦有新产品，可以很方便地升级，使船舶的环保要求在其生命周期中一直保持较好的状态。

7 低轴中心线倾斜设计

采用倾斜式低轴线设计，设计角度达到0.5°，间接地降低了轴中心线和船舶主机的重心，便于主机环氧的安装，提高船舶在压载状态下的航速和桨的效率。

8 结束语

综上所述，本船是1艘高科技含量、高自动化、高附加值、新一代亲环境、经济支线型集装箱船，现代高技术设计手段的运用使本船的各项性能指标居于同类支线型集装箱船首位。针对支线型集装箱船全船有限元强度的疲劳强度评估，为本船在船舶生命周期结构的有效性提供坚实的理论保障；有限元法在上层建筑吊装中的局部强度分析，为上层建筑的成功吊装保驾护航。本船在设计中应用的新技术、新工艺、新设计手段，对设计类似船型具有相当好的参考价值和意义。

[1] 郭然, 贾力平,樊小莉,等. Numeca系列教程[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[2] 邵汉东，蔡辉华，柳向阳，等. 2 400 TEU集装箱船上建整段吊装有限元强度分析与验证[J]. 船舶工程, 2015, 37(6): 71-74.

DesignFeatureof2 339TEUFeederLineContainerShip

SHAO Handong1， LIU Zailiang2， ZHOU Junlin1

(1.Yangfan Ship Design and Research Institute, Zhoushan 316100， Zhejiang， China；2. Zhejiang International Maritime College, Zhoushan 316021， Zhejiang， China)

The main characteristics of 2 339 TEU feeder line container ship which is exported to Germany are studied. The application of low resistance line type development based on CFD, high reliability structure design based on MSC.Patran software, the finite element strength analysis of integral hoisting of asymmetric superstructure are described，and the narrow side cabin technology application in the ship design and construction are deseribed. Thanks to the new technical and new design method applied to ship design and construction, various performances of ship are much more improved, which provides reference for the design and construction of similar ships.

feeder line container ship; low resistance line; high reliability structure; integral hoisting; narrow side cabin

邵汉东(1974-)，男，高级工程师，研究领域为船舶总体与结构设计

1000-3878(2017)06-0033-06

U661

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