3500TEU集装箱船横向强度研究

    董业宗　祝波

    

    

    

    摘 要：本文针对集装箱船的强度问题开展结构计算分析研究。以一艘3500TEU集装箱船为研究对象，充分考虑其工作环境，使用有限元软件建立舱段模型，对其横向强度进行直接计算并进行细致分析，重点讨论了内底、强框架、舱口角隅横舱壁、纵舱壁处的受力情况，分析获得了大量的信息，期望为相关工程研究人员提供技术支持。

    关键词：集装箱船 结构强度 有限元 数值模拟

    集装箱运输是一种“门到门”形式的高效益、高效率运输形式，为了更好的完成运输任务，这种运输方式通常使用大型运载车辆搬运，大型装卸机械装卸。为了装卸和运输方便，集装箱运输以集装箱为载体，把组装集合成一个箱体单元，根据装箱方式把集装箱运输分为拼箱和整箱两种。集装箱运输货物包装、运输费用节省，装卸效率相对高，人力劳动比率低，而且有利于组织综合联运（公铁联运、水铁联运等）。随着区域经济一体化进程和经济全球化的加快，集装箱运输的主要载体——集装箱船舶越造越大，结构问题越来越突出。

    集装箱船通常为单甲板型式，货舱相对方正，且型深大。较之于普通货船，某些集装箱船货舱口宽度可以达到超船宽百分之八十以上，舱口长度可达船长百分之九十，这种特殊的大舱口结构使得主甲板的连续性破坏，又因为使用过程中装载情况多变，集装箱船的扭转强度和总纵强度问题突出。

    本文以一艘3500TEU集装箱船为研究对象，充分考虑其工作环境，使用Patran软件建立舱段有限元模型，对其强度进行直接计算并进行细致分析，期望分析结果可为相关研究人员提供技术支持。

    计算分析方案

    研究对象为单桨、全宽尾甲板、巴拿马型集装箱船。主要尺度见表1。

    本文模型化范围取纵向为船中货舱区域“1/2货舱+1个货舱+1/2货舱”范围，即沿纵向4个40英尺箱位的长度，垂向取型深范围，横向取船宽范围，且从左舷至右舷不计型线变化。对本船取从#43.5至#133.5，长56.5m的范围，考虑到舱口盖上有集装箱，建了舱口围板以及相应的肘板。考虑到建模的复杂性，忽略了梁拱和舭部升高。坐标原点定在#43.5.5基线船中处，x方向为船体纵向船首为正，y方向为船体横向，左舷为正，z方向为船体垂向，基线向上为正。

    根据本船实际特点，将船体划分为几个组。组的划分原则是：①纵向构件和横向构件分开。②纵向构件再分解，分解为一系列的板架结构。具体分组情况如下：外底板，内底板，舭部，舷侧，纵舱壁，纵向甲板，舱口围板，横向甲板，普通肋位，强肋位，舱壁，舱口围板肘板等。对于横向的构件，可以只建一个，然后复制，大大减小了工作量。

    计算结果分析

    图2至6为计算结果——典型构件受力情况。在普通肋位处，有的肘板应力很小，可以考虑删掉，以减小船重。舱口围板肘板的设置是十分必要的，某些位置近70Mpa。建模时未考虑箱角处的加强，即箱角处旁桁材有横向的肘板未建，导致该处应力集中，使内底板，双层底纵桁处应力过大。从结构布置来看该船箱角处应取在强肋位处，才能更好的将此处的集中力传递出去。#101的箱角正好处在强肋位上，应力明显比其他位置不在强肋位上的低很多，如图2所示。可以考虑修改船体结构布置。

    强肋位开口处，显示了明显的应力集中，包括双层底靠近舷侧的人孔，舷侧的框架结构突变处。可以考虑改变建造工艺，减少人孔数，框架结构改变处尽量圆滑过渡。此外，建模时在这些主要部位，尽量不用三角形，和比较畸形的四边形单元，否则会人为地造成该区域应力偏大，即使该区域实际的应力不大。这就需要有很好的划分网格的经验，如图3所示。

    舱口角隅处未建圆弧过渡，所以有应力集中现象，如图4所示。

    本船纵舱壁不是平面，设置了顶边舱，所以是一折角形式，在折角处与强肋骨相交的位置，应力偏大，而且横舱壁处的纵舱壁上端应力达到最大值。

    纵向甲板条也是在横舱壁处达到最大值。横向甲板条，在舱壁垂直桁与其交接处达到最大，所以此处采用肘板相连接。垂直桁与内底板相交处情况一样。

    横舱壁最重要的构件是垂直桁，垂直桁在此处支持水平桁。整个横舱壁还起到支持舷外水压，货物压力的作用。可以明显的看到，在纵舱壁和内底板与横舱壁相交处，应力大的范围很大，说明设置横舱壁作用很大。

    结论

    本文以一艘3500TEU集装箱船为研究对象，充分考虑其工作环境，使用patran软件建立舱段有限元模型，对其强度进行直接计算并进行细致分析，重点分析了内底、强框架、舱口角隅横舱壁、纵舱壁处的受力情况，分析获得了大量的信息，可为相关工程研究人员提供技术支持。

    参考文献：

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    （第一作者单位：中远船务工程有限公司；第二作者单位：扬帆集团股份有限公司）