2 339 TEU集装箱船结构设计与分析

高 嵩 任淑霞 邵汉东

（1.上海船舶研究设计院，上海201203；2.扬帆集团股份有限公司，浙江舟山316100）

0 前言

2 339 TEU集装箱船是上海船舶研究设计院自主研发的小型支线型集装箱船舶。该船具有适用范围广泛、货源灵活性强、吃水浅、能自由出入沿海区域等特点，可以满足主要港口转运量不断增长的需求。

该船是一艘单机单桨、低速柴油机推进的支线型集装箱船，能够航行于全球各大港口，航线灵活便捷。

该船主尺度如下：

结构船长 177.90 m

垂线间长 180.20 m

型 宽 30.40 m

型 深 16.90 m

结构吃水 10.50 m

服务航速 约19.10 kn

该船入级英国劳氏船级社（简称LR），船级符号：

LR 100 A1 Container Ship，ShipRight（SDA，FDA plus（25，N/A）），CM，ACS（B）），*IWS，LI，ECO，LMC，UMS，NAV1；DescriptionNotes：ShipRight（BWMP（T）），ShipRight（SCM），ShipRight（SERS），Green Passport）

由船级符号可以看到，疲劳强度必须满足北大西洋25 a要求。该船的货舱为纵骨架式结构，考虑该船以装载高箱为主，货舱结构骨架按照装载高箱进行布置的。

1 结构设计特点

2 339 TEU集装箱船货舱为双底双壳结构，内底板延伸至外板，内壳有一层台阶，船中设有管弄结构，货舱区为纵骨架式，4挡肋位设置一个强框，典型横剖面图见图1。舷侧至管弄为底部压载舱，内底至二甲板为舷侧压载舱。二甲板与上甲板之间为通道，通道上方设有电缆与管系开孔，由于内壳较窄，不作为主通道。主通道设于甲板上方，甲板上方设有纵向连续的舱口围，甲板靠近舷侧上方设有集装箱立柱。

图1 典型横剖面图

该船货舱区具有窄边舱、狭小横向甲板条的特点。共有5个货舱（如图2），除第5货舱仅有1个货舱分隔 （BAY），其他货舱都有2个货舱分隔（BAY），舱中设有1道非水密舱壁结构。每个货舱分隔 （BAY）纵向可以布置2个20英尺 （1英尺=0.304 8 m）或者1个40英尺的集装箱。该船货舱以装冷藏箱为主，横向甲板条上的通风开孔布置较密。

图2 中纵剖面图

该船属于小型窄体集装箱船，相较于常规小型集装箱船，其舭部增设一个箱形台阶结构，以增强横向抗弯能力。其优点在于：船宽较小，能更灵活的航行于各港口、货舱双壳结构的钢料用量少。其缺点在于：由于双壳窄小，主甲板上面的通道比较狭窄，双壳内结构复杂，在自身骨架设计基础上，既要考虑管系电缆开口布置，又要考虑上甲板下的箱柱加强，其结构设计难度非常大。另外，甲板开口宽度较大，舱口角隅强度受扭转的影响较大。

2 结构强度分析

2.1 全船扭转强度与疲劳强度分析

集装箱船通常货舱开口较大并且有狭长的甲板条，使得总纵强度、特别是扭转强度对货舱结构强度影响较大。货舱首尾舱口角隅处有明显的应力集中，尤其是货舱后端即机舱前端壁处，应力集中达到最大。对于8 000 TEU及以上的大型集装箱船，主尺度已经超出规范所涵盖的范围，因而全船有限元计算方法已经应用于货舱结构强度分析中。全船有限元计算在小型集装箱船的应用还不常见，通常只用有限元计算进行货舱舱段强度分析。为了评估总纵强度特别是扭转强度对于小型集装箱船结构强度的影响程度，并对该类型船局部疲劳强度进行分析，特对该船进行了全船有限元计算，详细分析了扭转强度对于舱口角隅处的屈服强度和疲劳强度影响。

该计算模型分为3个：水动力模型，全船有限元模型，还有局部细化模型。水动力计算模型为船体外壳有限元网格，即湿表面（见图3）。全船有限元模型包含了货舱区、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；局部细化模型如图5～图6所示，为了对局部结构进行疲劳强度分析，对舱口角隅附近的结构进行了模型细化，细化网格大小为 t×t；

图3 水动力计算湿表面模型

图4 全船有限元计算模型

图5 局部细化模型之一

图6 局部细化模型之二

首先运用英国船级社（LR）水动力软件对水动力计算模型进水动力分析，得到船体外壳水线以下部分的外部波浪载荷；然后将波浪载荷导入有限元模型，用有限元解算器MSC/NASTRAN计算应力；最后应用LR的SHIPRIGHT软件评估计算结果。

分析计算结果显示，该船在垂向弯矩和扭转弯矩影响下，高应力区域出现在货舱前后端的主甲板处和角隅处以及纵向舱口围前后端和舱口围顶板角隅处。进一步对全船有限元模型的屈服强度计算结果进行分析。突出的问题主要有以下3个方面：

1）靠近机舱前端壁处的最后一个货舱分隔（BAY）的主甲板，在满足规范计算的船体梁总纵强度要求后，受扭转强度的影响，板厚需要增加；

2）不仅常规的主甲板角隅处需要增加厚板，货舱区二甲板平台的内壳拐角处也存在应力集中，局部需要增加厚板；

3）货舱舱口围最后端和最前端受扭转强度影响较大，板厚需要局部加厚。

综上所述，高应力主要集中在主甲板角隅、舱口围角隅以及二甲板角隅处，靠近机舱前端壁和船首防撞舱壁处的角隅往往最恶劣。

普通集装箱船的疲劳衡准是全球谱20 a，而该船的疲劳衡准是北大西洋25 a，要求更为严苛，所以对该船的疲劳强度进行了详细的计算与分析。通过对该船货舱区结构疲劳强度计算，结果显示疲劳问题主要集中在舱口围顶板上的舱口角隅处。原因在于：主甲板舱口角隅处由于都设计了负角隅形式（见图7），其疲劳问题得到解决。但舱口围顶板角隅处为圆弧过渡，并且由于集装箱装载要求，圆弧半径不能太大，另外舱口围纵向连续，总纵强度、特别是扭转强度对舱口围的影响更大。因而，纵向舱口围在首尾结束处应向前后延伸较长的范围，让总强度应力平滑地过渡。

图7 主甲板负角隅形式

2.2 舱段屈服屈曲强度分析

舱段有限元模型纵向取船中货舱区域 （1/2+1+1/2）货舱范围，垂向为型深，横向为船宽，模型如图8所示。

图8 舱段有限元模型

在恶劣载荷工况下，对舱段纵向和横向构件进行屈服和屈曲强度分析。屈服强度方面，水密横舱壁处的内底板、靠近舱壁处的二甲板以及横舱壁各层平台靠近内壳处较难满足；而屈曲强度问题主要存在于双层底以下，特别是靠近船中的管弄区域的外板。该船货舱段的屈服强度和屈曲强度分析及相应的结构优化方案如下：

1）船底板在一个货舱分隔（BAY）空工况下容易产生纵向屈曲，通过增加板厚和（或）屈曲筋提高其屈曲强度；

2）舷侧外板在横摇工况下容易产生横向屈曲，通过增加板厚和（或）屈曲筋提高其屈曲强度；

3）靠近水密/深舱舱壁的双层底纵桁在一个货舱分隔（BAY）空工况下剪应力和合成应力均较大，纵向屈曲也较恶劣，通过增加板厚可同时提高其屈服和屈曲强度；

4）双层底肋板端部和舷侧肋板下端，在横摇工况下剪应力和合成应力均较大，通过增加板厚以及提高钢级满足其屈服强度；

5）水密/深舱舱壁垂直桁下端和水平桁两端在破舱工况下容易产生屈曲，通过增加板厚以及提高钢级满足其屈曲强度。

3 结语

本文详述了2 339 TEU集装箱船结构设计特点及要点，并着重对结构强度进行了分析。通过全船有限元计算，对总纵强度引起的结构强度问题进行了评估，从屈服强度、屈曲强度以及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。经过多种加强方案比较，在控制钢料重量的前提下，提炼出最优的局部结构加强方案——板厚薄厚合理分布和局部嵌入厚板。通过舱段有限元计算，对舱段纵向和横向构件进行了屈服和屈曲强度校核，并对结构设计进行局部优化与板厚调整。

通过对该船进行全船有限元分析和舱段有限元分析，既满足了严苛的疲劳衡准，又在保证结构强度的基础上控制了结构重量、优化了结构设计，并为以后该类型船结构设计积累了宝贵的经验。窄体集装箱船有其独特的结构设计特点及设计要点，采用合理的结构设计并运用有效的计算进行验证，可以让这一船型的结构设计更加优化。希望本文能对将来的窄体集装箱船结构设计起到一定的启发作用。