超大型集裝箱船的結構設計分析

陳玥明

摘要：海運是國際貨物運輸的重要方式之一，船只的運輸量在很大程度上可以促進世界經濟的發展，超大型集裝箱船是海運中三大主力船型之一，在其中的重要作用不可替代。然而，超大型集裝箱船在結構中仍然存在一定的問題，本文就超大型集裝箱船的特點進行了詳細分析，提出了超大型集裝箱船結構的關鍵問題和技術，講述了如何優化超大型集裝箱船的結構設計，為從事超大型集裝箱船的工作人員提供一些建議和參考。

關鍵詞：超大型集裝箱船；結構強度；穩定性；貨物系統

一、超大型集裝箱船的特點

在航運產業中，集裝箱船是三大主力船型之一，隨著各國貿易往來的不斷加深，對于集裝箱船的需求量越來越大，集裝箱船制造產業不斷向集約化以及大型化發展，這就促使了超大型集裝箱船制造產業的出現，超大型集裝箱船具有超大運輸量，彌補了普通集裝箱船裝載量較小的缺點[1]。

集裝箱船船型主要分為兩種，一是全集裝箱船，二是半集裝箱船，集裝箱船的內部結構和外部性狀和普通貨運船只具有很大差別，特別是超大型集裝箱船，和其余貨運船只相比，具有獨特的線型、大開口結構以及較高的航速等特點。超大型集裝箱船還具有高速的裝卸速度，停港時間比較短，航速高，可以達到每小時20—23海里[2]。超大型集裝箱船可以節約工人裝卸貨物的勞動成本，減少運輸過程中產生的費用，采用大型的集裝箱運輸貨物又可以提高勞動效率。超大型集裝箱船的安全性能較高，運輸途中不會有拆箱的現象發生，在運輸途中產生的貨物損耗較小，運輸質量非常可靠，貨物直接到達客戶接收處，節約包裝成本又安全。由于超大型集裝箱船大容量的特點，他的裝卸率非常高，超大型集裝箱船的裝卸速度可以達到同噸位貨運船只的4-5倍左右，因此，停港時間短暫，船只周轉效率高。

二、超大型集裝箱船的結構關鍵問題

超大型集裝箱船首外飄比較巨大，船只尾部較為平坦，航行時保持較高的速度，海上容易發生惡劣天氣狀況，此時超大型集裝箱船容易發生搖晃，船只的首部底部和舷側外飄區域以及尾部底部容易出現水動力砰擊現象，誰的力量對船體造成打擊，船體會劇烈的震顫，船只的總體強度會下降很多，嚴重時可能會威脅船員生命[3]。因此，超大型集裝箱船結構設計需要重點關注船體水動力砰擊問題，在總強度和局部強度上應當加強。

在2009年和2012年召開的國際船舶力學會議上，指出了對不同船只的船首、船底以及首部舷側大外飄區域的砰擊下，各部件的反應是不同的，沒有統一的標準進行約束，需要一個統一的、具有一定適用性的標準對超大型集裝箱船進行砰擊載荷及結構性能進行要求和衡量，確定合理科學的結構強度判定，完善現有的標準體系。而且，很多標準中，對大型集裝箱船尾部結構的砰擊問題定義的比較模糊，甚至沒有涉及這一問題的內容。

在船只航行的過程中，極其容易發生的另外一種現象就是波激振動，所謂的波激振動其實是一種船體梁諧振現象，其產生條件為在具有與船體梁一階振動頻率相近的波浪成分持續激勵作用。船只結構的本質其實是阻尼系統，由于波激振動產生的船只應力的減弱速度非常低，因此船只在遇到這種情況的時候產生的疲勞感非常強烈[4]。對于超大型集裝箱船，其在低海情況下，發生波激振動這種情況的概率更大，在中高海情況下，超大型集裝箱船有容易發生非線性波激振動現象，在遭遇砰擊的時候，顫振往往也隨之發生，而且可能性非常大，這也為船只應急處理帶來了巨大的挑戰。因此，超大型集裝箱船的結構最大強度也是船只制造業關注的重要熱點問題，必須有效解決由于結構設計不合理引發的疲勞損傷。

此外，超大型集裝箱船結構材料的選擇也十分關鍵，在進行船只結構設計時，應當考慮結構強度是否能夠克服海上特殊情況，保證船只的安全性和穩定性，目前，超大型集裝箱船多采用高強度鋼進行制造，其具有成型性好、強度高等特點，可以使船只的強度整體提升20%[5]。但是這一類材料在遇到船體發生波激振動的情況時，在疲勞強度的應對上還存在很多缺陷。因此，在使用高強度鋼的同時，也應當充分考慮焊接技術、理論檢驗、高標準的技術要求等，對其進行控制。

三、超大型集裝箱船的結構優化設計

由于超大型集裝箱船長期受到外部海水水動壓力和縱向載荷的應力的影響，在雙層底區域肋板扶強材與內底板及外板縱骨連接部位的根部特別容易在遭遇特殊惡劣情況時難以應對，極易造成疲勞損壞。目前，超大型集裝箱船所屬采用軟址的結構設計，這樣的設計可以在一定程度上減少超大型集裝箱船的局部應力，在這種結構設計的工藝生產中，必須保證軟址形狀與設計方案中的數據吻合，必須保證焊接的工作質量和效率，焊接點要光滑、形狀良好。在貨艙內部的縱艙壁與舭部邊艙連接區域這一部分，可以采用不開孔的方式，保證船只在受到外部水壓的情況下較少的承受應力，盡量減少這里由于疲勞應力引發的部件損壞。

超大型集裝箱船的結構設計通常要考慮到裝載量的問題，因此，在超大型集裝箱船體舷側通常有大量的箱格結構用來裝在集裝箱，這樣可以增加裝載量，提高船只的經濟利益。然而，這些箱格結構雖然具有很多好處，但是也存在一定的風險，會致使舷側內部縱骨產生不連續性的現象。為了解決這一問題，可以將全焊透的方式連接引用到船只疲勞應力強烈的區域來達到延長船只使用壽命的目的。

四、總結

近年來，隨著國際貿易的快速發展，超大型集裝箱船在海運市場中具有很大的需求量，然而，超大型集裝箱船在制作工藝上具有很大的困難性，對于技術的要求非常高，市場競爭強大，在超大型集裝箱船的結構上還有很多值得優化之處。本文就超大型集裝箱船的特點進行了詳細分析，提出了超大型集裝箱船結構的關鍵問題和技術，講述了超大型集裝箱船的結構設計優化要點，為從事超大型集裝箱船的工作人員提供一些建議和參考。

參考文獻：

[1]錢欣玉.13300TEU超大型集裝箱船設計與結構分析技術研究[D].上海交通大學，2013.

[2]鞠理楊，盧軍國，蔣志勇，等.基于NAPA的超大型集裝箱船新型工藝設計建模方法研究[J].船舶工程，2014 （6）：89-92.

[3]趙華，王俊，王磊，等. 5600TEU集裝箱船標準預先研究及超大型集裝箱船標準體系研究[J].國防技術基礎，2006（2）：10-13.

[4]徐義剛，韓鈺，李丹丹，等.UR S11A及UR S34對超大型集裝箱船結構設計的影響[J].船舶與海洋工程，2017， 33（3）：12-17.

[5]徐敏，王旌生.超大型集裝箱船特殊布置結構直接建模計算評估法[J].船舶與海洋工程，2014（3）：53-56.