3500TEU集裝箱船橫向強度研究

董業宗　祝波

摘 要：本文針對集裝箱船的強度問題開展結構計算分析研究。以一艘3500TEU集裝箱船為研究對象，充分考慮其工作環境，使用有限元軟件建立艙段模型，對其橫向強度進行直接計算并進行細致分析，重點討論了內底、強框架、艙口角隅橫艙壁、縱艙壁處的受力情況，分析獲得了大量的信息，期望為相關工程研究人員提供技術支持。

關鍵詞：集裝箱船 結構強度 有限元 數值模擬

集裝箱運輸是一種“門到門”形式的高效益、高效率運輸形式，為了更好的完成運輸任務，這種運輸方式通常使用大型運載車輛搬運，大型裝卸機械裝卸。為了裝卸和運輸方便，集裝箱運輸以集裝箱為載體，把組裝集合成一個箱體單元，根據裝箱方式把集裝箱運輸分為拼箱和整箱兩種。集裝箱運輸貨物包裝、運輸費用節省，裝卸效率相對高，人力勞動比率低，而且有利于組織綜合聯運（公鐵聯運、水鐵聯運等）。隨著區域經濟一體化進程和經濟全球化的加快，集裝箱運輸的主要載體——集裝箱船舶越造越大，結構問題越來越突出。

集裝箱船通常為單甲板型式，貨艙相對方正，且型深大。較之于普通貨船，某些集裝箱船貨艙口寬度可以達到超船寬百分之八十以上，艙口長度可達船長百分之九十，這種特殊的大艙口結構使得主甲板的連續性破壞，又因為使用過程中裝載情況多變，集裝箱船的扭轉強度和總縱強度問題突出。

本文以一艘3500TEU集裝箱船為研究對象，充分考慮其工作環境，使用Patran軟件建立艙段有限元模型，對其強度進行直接計算并進行細致分析，期望分析結果可為相關研究人員提供技術支持。

計算分析方案

研究對象為單槳、全寬尾甲板、巴拿馬型集裝箱船。主要尺度見表1。

本文模型化范圍取縱向為船中貨艙區域“1/2貨艙+1個貨艙+1/2貨艙”范圍，即沿縱向4個40英尺箱位的長度，垂向取型深范圍，橫向取船寬范圍，且從左舷至右舷不計型線變化。對本船取從#43.5至#133.5，長56.5m的范圍，考慮到艙口蓋上有集裝箱，建了艙口圍板以及相應的肘板。考慮到建模的復雜性，忽略了梁拱和舭部升高。坐標原點定在#43.5.5基線船中處，x方向為船體縱向船首為正，y方向為船體橫向，左舷為正，z方向為船體垂向，基線向上為正。

根據本船實際特點，將船體劃分為幾個組。組的劃分原則是：①縱向構件和橫向構件分開。②縱向構件再分解，分解為一系列的板架結構。具體分組情況如下：外底板，內底板，舭部，舷側，縱艙壁，縱向甲板，艙口圍板，橫向甲板，普通肋位，強肋位，艙壁，艙口圍板肘板等。對于橫向的構件，可以只建一個，然后復制，大大減小了工作量。

計算結果分析

圖2至6為計算結果——典型構件受力情況。在普通肋位處，有的肘板應力很小，可以考慮刪掉，以減小船重。艙口圍板肘板的設置是十分必要的，某些位置近70Mpa。建模時未考慮箱角處的加強，即箱角處旁桁材有橫向的肘板未建，導致該處應力集中，使內底板，雙層底縱桁處應力過大。從結構布置來看該船箱角處應取在強肋位處，才能更好的將此處的集中力傳遞出去。#101的箱角正好處在強肋位上，應力明顯比其他位置不在強肋位上的低很多，如圖2所示。可以考慮修改船體結構布置。

強肋位開口處，顯示了明顯的應力集中，包括雙層底靠近舷側的人孔，舷側的框架結構突變處。可以考慮改變建造工藝，減少人孔數，框架結構改變處盡量圓滑過渡。此外，建模時在這些主要部位，盡量不用三角形，和比較畸形的四邊形單元，否則會人為地造成該區域應力偏大，即使該區域實際的應力不大。這就需要有很好的劃分網格的經驗，如圖3所示。

艙口角隅處未建圓弧過渡，所以有應力集中現象，如圖4所示。

本船縱艙壁不是平面，設置了頂邊艙，所以是一折角形式，在折角處與強肋骨相交的位置，應力偏大，而且橫艙壁處的縱艙壁上端應力達到最大值。

縱向甲板條也是在橫艙壁處達到最大值。橫向甲板條，在艙壁垂直桁與其交接處達到最大，所以此處采用肘板相連接。垂直桁與內底板相交處情況一樣。

橫艙壁最重要的構件是垂直桁，垂直桁在此處支持水平桁。整個橫艙壁還起到支持舷外水壓，貨物壓力的作用。可以明顯的看到，在縱艙壁和內底板與橫艙壁相交處，應力大的范圍很大，說明設置橫艙壁作用很大。

結論

本文以一艘3500TEU集裝箱船為研究對象，充分考慮其工作環境，使用patran軟件建立艙段有限元模型，對其強度進行直接計算并進行細致分析，重點分析了內底、強框架、艙口角隅橫艙壁、縱艙壁處的受力情況，分析獲得了大量的信息，可為相關工程研究人員提供技術支持。

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（第一作者單位：中遠船務工程有限公司；第二作者單位：揚帆集團股份有限公司）endprint