UR S34對(duì)超大型集裝箱船直接強(qiáng)度校核的影響

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

UR S34是在應(yīng)用有限元方法進(jìn)行集裝箱船強(qiáng)度評(píng)估時(shí)對(duì)載荷工況的最低要求，包括艙段有限元分析和全船有限元分析。UR S34規(guī)定在有限元強(qiáng)度評(píng)估過程中，垂向波浪彎矩應(yīng)與UR S11A[1]保持一致，其他船體梁載荷和局部載荷與相應(yīng)船級(jí)社規(guī)范保持一致即可[2-5]。

在UR S34生效前，各主要船級(jí)社的集裝箱船規(guī)范中對(duì)全船和貨艙段結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析的要求在計(jì)算工況和載荷上都存在一些差異。

關(guān)于艙段有限元分析，UR S34規(guī)定了必須評(píng)估的裝載工況，其適用于船長(zhǎng)在150 m及以上的集裝箱船，如表1所示。在艙段有限元分析過程中，還需考慮兩種波浪載荷工況，分別為：迎浪工況下產(chǎn)生最大的中拱垂向波浪彎矩和中垂垂向波浪彎矩；在橫浪工況下產(chǎn)生最大的橫搖運(yùn)動(dòng)，但在某些裝載工況下可不考慮橫浪工況。

表1 UR S34的裝載工況(壓載艙和燃油艙均為空艙)

UR S34生效以后，首先對(duì)有限元計(jì)算載荷規(guī)定了高水平的功能性要求，統(tǒng)一了集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的底線。其次，通過規(guī)定貨艙段計(jì)算最低限度的裝載計(jì)算工況，形成了船中貨艙區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基線。這為新造大型集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全增加了技術(shù)上的保證。

1 UR S34與勞氏規(guī)范的差異

在UR S34生效之前，LR船級(jí)社《Structural Design Assessment Primary Structure of Container Ships》規(guī)范[6](SDA)中關(guān)于集裝箱船艙段有限元強(qiáng)度評(píng)估的裝載工況具體要求見表2。

表2中詳述的工況C2a，C2b和C3為基本裝載工況，工況C4和C5為考慮橫傾狀態(tài)的裝載工況，工況C7a和C7b為考慮破艙狀態(tài)的裝載工況。

在以上幾種工況的基礎(chǔ)上，LR規(guī)范中還考慮到船舶運(yùn)動(dòng)所引起的縱向加速度的影響。但由于在全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析中同樣會(huì)考慮該工況，因此在艙段有限元分析中就不再贅述。

與UR S34相比，LR規(guī)范所要求的裝載工況缺少了針對(duì)滿載情況下折減吃水時(shí)的強(qiáng)度評(píng)估，同時(shí)LR規(guī)范所有裝載工況中均采用重箱裝載，忽略了輕箱裝載的情況。因此，在UR S34生效后，LR規(guī)范中針對(duì)集裝箱船艙段有限元強(qiáng)度評(píng)估的裝載工況需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整才能滿足UR S34的要求。

2 滿足UR S34的艙段有限元分析

在UR S34中規(guī)定規(guī)范船長(zhǎng)在150 m以上的集裝箱船必須進(jìn)行艙段有限元分析，公司自主研發(fā)的14 000 TEU的規(guī)范船長(zhǎng)為343.777 m，因此在滿足UR S34要求的基礎(chǔ)，并按照船級(jí)社規(guī)范考慮局部載荷進(jìn)行艙段有限元分析。

表2 LR規(guī)范中艙段有限元分析工況

2.1 結(jié)構(gòu)有限元模型

艙段有限元模型范圍為船中區(qū)域的4個(gè)40 ft 箱位，其中包括1個(gè)整艙和2個(gè)半艙。模型主要包括縱向構(gòu)件、橫向構(gòu)件和艙壁結(jié)構(gòu)等，采用縱骨間距的網(wǎng)格尺寸，板以二維膜單元，加強(qiáng)筋以一維梁?jiǎn)卧硎荆瑧?yīng)用MSC/PATRAN建立有限元三維模型，艙段有限元模型見圖1。

圖1 艙段有限元模型

2.2 計(jì)算載荷

14 000 TEU裝載工況見表3。分析中不僅要考慮由船體梁載荷所引起的應(yīng)力，還需考慮由局部載荷所引起的應(yīng)力。一般情況下，集裝箱船的艙段有限元分析中的局部載荷主要包括空船重量，集裝箱載荷，由吃水引起的靜水壓力和由波浪載荷引起的壓力。

其中，貨艙內(nèi)的集裝箱載荷以節(jié)點(diǎn)力的形式施加在4個(gè)箱腳位置，艙蓋上的集裝箱載荷以節(jié)點(diǎn)力的形式主要施加在艙口圍板上；另外艙口蓋的重量需要計(jì)入在艙蓋上的集裝箱載荷中。

表3 垂向加速度對(duì)比

需要特別注意的是，在LR規(guī)范中針對(duì)工況C1、C2a、C2b、C3a和C3b的垂向加速度進(jìn)行修正，因此，在計(jì)算集裝箱載荷時(shí)所用到的加速度，需要采用根據(jù)LR規(guī)范所給出的計(jì)算方法重新得到修正后的垂向加速度。

由表3可見，工況C1、C2a、C2b和C3b修正后垂向加速度減小；導(dǎo)致其集裝箱載荷也相應(yīng)減小，而C3a工況修正后的垂向加速度增大，因此，該工況下的集裝箱載荷會(huì)相應(yīng)增大。

2.3 加載工況

在UR S34生效之后，LR規(guī)范中針對(duì)艙段有限元分析所設(shè)定的加載工況不滿足UR S34的要求，因此在原本工況基礎(chǔ)上，增加了工況C1和C3b，同時(shí)將工況C3中的結(jié)構(gòu)吃水修改為折減吃水，從而形成工況 C3a，見表4。

對(duì)比表2和表4中所述的加載工況，兩者間主要差異集中在工況C1、C2a、C2b、C3a和C3b中，因此，在后續(xù)艙段有限元分析評(píng)估中針對(duì)工況C4、C5、C7a和C7b的結(jié)果不再詳細(xì)分析。

2.4 邊界條件

按照LR規(guī)范的要求，對(duì)艙段有限元模型施加邊界條件，見表5。

表4 LR規(guī)范中調(diào)整后艙段有限元分析工況

表5 艙段有限元分析的邊界條件

在中縱剖面與船底板相交處施加對(duì)稱邊界條件，對(duì)其橫向位移進(jìn)行約束：δy=0。

在模型前后2個(gè)端面內(nèi)中縱剖面與中和軸相交處建立獨(dú)立點(diǎn)，在獨(dú)立點(diǎn)上施加彎矩，從而模擬總縱彎矩。端面各縱向連續(xù)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)自由度δx、θy、θz與獨(dú)立點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。

模型前端面內(nèi)獨(dú)立點(diǎn)的繞橫向軸和繞垂向軸的角位移予以約束，θy=θz=0；模型后端面內(nèi)獨(dú)立點(diǎn)的縱向線位移、繞橫向軸和繞垂向軸的角位移予以約束，δx=θy=θy=θz=0。

在舷側(cè)外板、內(nèi)殼板、內(nèi)底板、船底板和上甲板的節(jié)點(diǎn)上設(shè)置彈性約束，其彈性剛度KS為

Ks=GA/lN

式中：G為剛度模量；A為需要加彈性約束的縱向結(jié)構(gòu)的平均截面積，l為模型最尾端艙壁與相鄰艙壁的長(zhǎng)度；N為施加彈性約束的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.5 校核衡準(zhǔn)

根據(jù)LR規(guī)范要求進(jìn)行艙段有限元分析時(shí)，針對(duì)工況C1、C2a、C2b、C3a、C3b下主要船體結(jié)構(gòu)的校核衡準(zhǔn)見表6。

表中，σ0為材料屈服強(qiáng)度；σL=235/kL，其中kL為高強(qiáng)度鋼系數(shù)，具體取值參照表7。

2.6 應(yīng)力結(jié)果分析

在艙段有限元分析中主要評(píng)估表6和表7所述的船體結(jié)構(gòu)，基本均需考慮工況C1與C2a；而僅在評(píng)估外底板、內(nèi)底、雙層底縱桁、外板和縱向艙壁時(shí)需考慮工況C3a和C3b。

工況C1的船體梁彎矩和波浪載荷均與工況C2a相同，兩者差別僅在集裝箱載荷，通過對(duì)比工況C2a的集裝箱載荷略小于工況C1，因此,工況C2a的計(jì)算結(jié)果基本已涵蓋工況C1。

工況C3a與C3相比(見表8)，船體梁彎矩不變，但由于垂向加速度修正，結(jié)構(gòu)吃水改為折減吃水，因此集裝箱載荷增大，波浪載荷減小。以船底板、內(nèi)底、雙層底縱桁、縱向艙壁和外板的縱向應(yīng)力為例，從表可以看出工況C3a下縱向應(yīng)力與工況C3相比，增幅在27%～44%之間，影響較大。

在船體結(jié)構(gòu)的屈曲計(jì)算校核中，工況C3a和C3b的影響較大。針對(duì)內(nèi)底板來說，雖然其屈曲結(jié)果主要由工況C2a決定，但在工況C3b中板格不滿足安全系數(shù)1.0的范圍增大，見圖2。

表6 校核衡準(zhǔn)

表7 kL取值

工況C2a中內(nèi)底板屈曲結(jié)果嚴(yán)重的位置主要集中在水密艙壁前后一個(gè)強(qiáng)框左右區(qū)域以及橫向15.745～19.105 m間區(qū)域，而在工況C3b中艙內(nèi)支撐艙壁及其附近區(qū)域增加多個(gè)板格屈曲不滿足，需增加板厚并加筋。

圖2 屈曲結(jié)果

縱向艙壁的屈曲結(jié)果卻主要由工況C3a決定，見圖3。工況C3a作為20 ft重箱的滿載工況由結(jié)構(gòu)吃水Tsc變?yōu)?.9Tsc，同時(shí)波浪載荷為波谷，從而導(dǎo)致在二甲板附近受壓嚴(yán)重，此處屈曲嚴(yán)重不滿足衡準(zhǔn)要求，需增加該位置的板厚并加筋。

圖3 工況C3a下縱艙壁的屈曲結(jié)果

3 結(jié)論

UR S34提出生效后，船級(jí)社在原有規(guī)范的基礎(chǔ)上，依照UR S34進(jìn)行相應(yīng)修改，增加工況C1和C3b，并將工況C3轉(zhuǎn)換成C3a，從而導(dǎo)致對(duì)集裝箱船直接強(qiáng)度校核的計(jì)算載荷和工況有了更高的要求。

LR規(guī)范中增加垂向加速度修正的概念，導(dǎo)致集裝箱船載荷與以往不同。在工況C3a中，保持裝載情況和船體梁彎矩值不變，垂向加速度增大，吃水降低，集裝箱載荷增大，波浪載荷減小，因此造成船底板、內(nèi)底、雙層底縱桁、縱向艙壁和外板區(qū)域縱向應(yīng)力增大，其中雙層底縱桁的縱向應(yīng)力結(jié)果最為嚴(yán)重。

同時(shí)，船體主要結(jié)構(gòu)的屈曲計(jì)算結(jié)果也更為嚴(yán)重，以內(nèi)底板和縱向艙壁為主要影響對(duì)象，需適當(dāng)增加內(nèi)底板和縱向艙壁的板厚并加筋的方式來滿足規(guī)范衡準(zhǔn)要求。

綜上所述，在UR S34生效后，船級(jí)社規(guī)范對(duì)集裝箱船直接強(qiáng)度校核更加嚴(yán)苛，主要船體結(jié)構(gòu)的尺寸均有所增加，因此在今后超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需著重注意。

表8 工況C3a與C3縱向應(yīng)力結(jié)果對(duì)比 Mpa

結(jié)構(gòu)工況C3a工況C3船底板屈服評(píng)估最大值許用值最大值許用值287.89300.27214.90300.27內(nèi)底板屈服評(píng)估最大值許用值最大值許用值254.18300.27176.38300.27雙層底縱桁屈服評(píng)估最大值許用值最大值許用值359.15300.27282.71300.27縱向艙壁屈服評(píng)估最大值許用值最大值許用值278.43277.17205.13277.17外板屈服評(píng)估最大值許用值最大值許用值230.02277.17181.27277.17