大型集装箱船系固校核系统的研发与应用

胡 敏

（中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063）

1 系统开发背景

集装箱船在风浪中航行时会发生不规则的摇荡运动，为保证所载集装箱不会因船舶运动而出现移位、倾覆和歪斜等现象，通常采用以下系固方式：在集装箱与船甲板底座之间和集装箱与集装箱之间采用扭锁；在甲板上安装绑扎桥；在集装箱堆两端采用绑扎杆。不同船级社对船上集装箱的堆放有不同的标准，每个集装箱在不同风速、不同航速和不同船体位置下各方向的受力都必须严格计算，在满足标准要求之后才可堆放、出航。另外，随着集装箱船朝大型化和超大型化方向发展，舱面设计的堆箱层数不断增加，综合考虑集装箱扭锁、绑扎桥和绑扎杆的应用，集装箱系固校核难度增大。按照传统的计算方式，集装箱绑扎后的受力情况主要通过查阅船级社规范，使用公式进行人工计算，而船舶舱面和舱内的系固模式较多，面对复杂的排布方式，在校核一个绑扎方案时往往需进行反复计算，会耗费大量的人力成本和时间成本，效率低下；在调整绑扎方案时必须完全重新计算，过程繁琐。

本文介绍一套适用于舱面和舱内各种系固模式的校核分析系统，由图形化建模平台和校核分析平台2部分组成。该系统结合大型和超大型集装箱船绑扎桥的特点，完全基于图形化建模，快速设置各类参数，构建舱面和舱内常见的各种系固模式，建立通用的数学模型，用计算机自动求解分析，从而快速找到较优的绑扎系固模式，直接输出图形化绑扎方案和受力分析报告，大大提高校核效率。目前该系统满足挪威和德国劳氏船级社（Det Norske Veritas-Germanisher Lloyd, DNV-GL）、英国劳氏船级社和中国船级社[1]等多家船级社的计算规范要求。

2 系统实现

2.1 基本原理

大多数船级社制定的入级规范都提供在恶劣海况下船舶的运动参数，如：最大横倾角、最大纵向角和横摇周期等，同时提供集装箱横向、纵向和垂向的受力计算公式。通过采用合适的集装箱绑扎方案，防止集装箱在船舶摇荡运动中发生移位、倾覆和破损。若集装箱的横向扭曲变形超过其允许的最大值，集装箱的强度会受到损伤。为使集装箱受力在强度允许范围内，需配置合适的绑扎桥和绑扎杆。计算时，首先计算绑扎杆本身的绑扎力，然后计算每个集装箱在各方向上的受力。

2.2 图形化建模平台

2.2.1 元素模型库

建立元素模型库。

1) 集装箱，模型属性包括重量、型号、高度等；

2) 绑扎桥，模型属性包括层高、型号、样式等；

3) 绑扎杆，模型属性包括长度、角度、弹性模量、直径等；

4) 浪力，模型属性主要是大小和方向；

5) 风力，模型属性主要是方向。

2.2.2 建模过程

1) 根据舱面空间确定集装箱排布的行数和层数；平台批量布置集装箱，生成集装箱布置图，在集装箱模型上反映集装箱的各类属性。

2) 根据舱面的实际情况调整集装箱的布置，删除部分集装箱，精确集装箱布局模型。

3) 基于模型批量设置集装箱属性，包括重量、长度、宽度和高度。

4) 设置绑扎桥的形式和层高，支持各类异形的绑扎桥，如第一层桥为规则桥，第二层桥只在船舷两侧设置。

5) 基于绑扎桥的形式和层高设置绑扎杆的形式和属性，绑扎形式包括外绑、内绑和垂直绑扎，绑扎杆参数包括长度、角度、弹性模量和直径。平台根据绑扎桥和绑扎杆的样式，自动过滤有效的绑扎形式，并智能校核无效绑扎杆排布。

6) 依据船级社计算规范和集装箱的布置，自动对风力和浪力进行建模，并确定其大小和方向。

7) 根据布局模型，动态计算集装箱行号、重心高度和列总重。

在建模过程中，在模型上实时反映集装箱、绑扎桥和绑扎杆之间的位置关系，同时反映集装箱的各类属性（包括重量、长度、宽度和高度）、绑扎杆的类型及风力情况。

2.2.3 建模平台的特色

1) 提供多种灵活的操作方式，可行选、列选和框选；在选择集装箱模型之后，可对模型进行各类操作，包括设置集装箱的属性、调整集装箱排布和设置集装箱箱位占用等。

2) 支持批量操作和拷贝粘贴，只要设置1列集装箱的参数，其他同层的集装箱都可一键复制，从而有效提高建模效率，缩短建模时间。

3) 支持鼠标滚轮缩放模型，可在任意缩放比例下操作模型；同时，具有一键恢复原始大小的功能。

4) 支持在舱面、舱内和舱内带导轨等场景下各类绑扎方案快速图形化建模。

5) 支持参数化建模，从而快速构建新的绑扎方案。

6) 支持模型导入、导出，模型可存储到磁盘文件内或从磁盘文件内重新加载，方便模型重复利用。

7) 支持20000TEU集装箱船的系固校核，系统操作流畅，性能良好。

2.3 校核分析平台

2.3.1 计算原理

根据船级社的计算规范，某层集装箱节点受到的横向扭变力Ri（i为集装箱层号）为该节点上的横向力Fi之和，而横向力Fi为上层集装箱底端和下层集装箱顶端横向力之和，在设置绑扎杆的情况下，使绑扎杆横向水平分力Pi抵消一部分横向扭变力Ri。因此，在任意系固模式下，可根据集装箱顶部和底部的扭变力与位移的关系建立方程组。首先计算绑扎杆所受拉力，随后计算绑扎杆上端的水平分力，最后计算集装箱各箱角的受力[2-3]。

2.3.2 校核分析过程

1) 根据用户输入的船体和集装箱位置信息及图形模型，依次计算每个集装箱的横向加速度系数、纵向加速度系数和垂向加速度系数；

2) 根据用户在图形模型中输入的集装箱重量信息和计算得到的加速度，计算集装箱横向、纵向和垂向的受力；

3) 根据计算得到的集装箱横向、纵向和垂向的受力，自上而下累加计算集装箱4个箱角的受力；

4) 在图形模型中选取同列中有绑扎的集装箱为一组，根据集装箱顶部或底部扭变力与位移的关系，由集装箱扭变系数、绑扎桥的变形、每根绑扎杆的绑扎力和刚性系数建立方程组，通过求解位移方程组，计算出绑扎杆所受绑扎力；

5) 将绑扎力分解成横向、纵向和垂向3个方向上的分力，修正计算集装箱4个箱角的受力；

6) 调整工况参数，重复上述步骤获得集装箱在其他工况下的受力情况。

2.3.3 支持的校核场景

1) 舱面，有绑扎或无绑扎情况、有风力或无风力情况、有浪力或无浪力情况，集装箱装载受力，包括每个集装箱在横向、纵向和垂向上受到的加速度、力、位移和形变，每个箱角所受拉压力和剪切力，绑扎杆所受力及其他各大船级社规定需考查的力；

2) 舱内仅有拉压系统、仅有导轨或舱内导轨与拉压系统混合时的集装箱装载受力，包括每个集装箱在横向、纵向和垂向上受到的加速度、力、位移和形变，每个箱角所受拉压力和剪切力，导轨和拉压元件所受力及其他各大船级社规定需考查的力；

3) 集装箱不规则排布情况，包括顶部集装箱缺失、底部集装箱箱位被占用和中间列缺失等情况下的集装箱装载受力。

2.3.4 校核分析结果

图形建模结束之后，一键式完成所有校核分析计算，计算结果既可在原模型上显示，又可在全部受力一览表中显示，平台根据不同船级社的规范判断受力结果与阈值的关系，将超出阈值的结果用不同的颜色显示，直观醒目。同时，生成计算分析报告，包括集装箱堆放图和各集装箱受力分析结果。

经验证，所有分析结果均符合船级社规范要求。

2.3.5 校核分析平台的特色

1) 计算精度和规模：该平台的计算模型支持独立计算每根绑扎杆的形变，从而提高计算精度；同时，支持20000TEU集装箱船和所有类型绑扎桥（包括异型绑扎桥）及绑扎杆。

2) 计算场景：该平台支持舱面、舱内带拉压和舱内带导轨等多种场景的复杂建模与计算分析，国外软件只支持个别场景。

3) 参数调整便捷：该平台支持参数基于图面动态设定，即可重新计算，便于优化绑扎方案，而国外软件需重新建模。

2.4 系统主要界面

2.4.1 参数设置图

参数设置图见图1，主要设置船的参数、集装箱的参数和不同船级社规范约定的有关计算参数。

图1 参数设置图

2.4.2 模型布置图

图2 模型布置图

2.4.3 校核结果

校核结果见图3，其中集装箱内的数字代表受力情况。

图3 校核结果

2.4.4 分析结果

分析结果见图4，其中数字代表集装箱各箱角的受力情况。

3 系统应用情况

该系统支持DNV-GL等多家船级社的计算规范，已上线运行1a，运行稳定，效果良好，计算分析绑扎项目几十个，有效提高了校核分析效率，给客户带来了显著的直接经济效益，为优化产品方案提供了有力的数据支撑，得到了客户的认可和好评。系统具有很强的扩展性，可帮助客户实现绑扎方案优选和产品设计优化。后续将继续对该系统进行完善，使其支持更多的船级社计算规范；同时，积极探索相关技术在其他行业的应用。

【 参 考 文 献 】

[1] 中国船级社. 钢质海船入级与建造规范[S]. 北京：人民交通出版社，2006.

[2] 徐传淮. 集装箱系固设备的受力计算[J]. 船检科技，1997 (1): 38-45.

[3] 邱文昌. 对海船集装箱柔性系固系统中桥锁受力计算问题的研究[J]. 上海海事大学学报，2005, 26 (1): 13-15.