大型內貿集裝箱船結構設計特點

仲琦，陳毓珍，于新鑫

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

目前國內集裝箱運業發展勢頭好，國內內貿集裝箱船持續發展中，內貿船舶大型化的需求日益強烈。內貿集裝箱船服務航區僅為國內近海、沿海，通常入級CCS。在設計僅需滿足國內法規、規范，不受特定國際港口、規范法規的限制。4 500 TEU是目前國內最大的系列內貿集裝箱船之一。從船型特點出發，對大型內貿集裝箱船的結構設計特點進行闡述。

1 船型特點

1)外貿集裝箱船由于受到原巴拿馬運河寬度的限制，通常4 000多箱級別的集裝箱船寬度只能32.2 m左右，導致這類巴拿馬型集裝箱船要通過增加船長獲得更多的箱位，通常其在7以上，有些甚至在9左右，而內貿船舶由于沒有此航道限制，可以將船寬做大，縮短船長，本船約5.5。這樣的設計帶來如下好處。①船長縮短，減小船體承受的靜水和波浪彎矩和轉矩;②船寬增加，為船舶提供更大的剖面模數和剛度；③空船重量減輕，節省鋼料，降低建造成本。

2)型寬和艙寬對實肋板、舷側強框等橫向結構的強度有決定性的影響，本船由于增大型寬和艙口寬度，給局部強度帶來了一定的挑戰，結構的規格尺寸會大于同箱數的外貿海船。

3)外貿船舶可能需要同時考慮危險品通風、冷藏箱壓縮機的通風與檢修、相關公約對通道的要求等諸多方面的設計需求，而內貿船舶一般僅需滿足常規的操作空間。因此，艙壁尤其支撐艙壁(非水密艙壁)的寬度可以設計得很窄，例如，通常外貿集裝箱船艙壁至少為1.5 m以上，而內貿集裝箱船可以做到1 m以下，甚至更窄，以此減輕空船重量。

4)寬大的貨艙和相對較弱的艙壁會增加大開口船舶的艙口變形，進而影響到艙蓋的設計，為了保證艙蓋的合理設計，同時兼顧結構的輕量化，在設計艙蓋的布置時需要有特殊的考慮。

2 結構設計特點

2.1 UR S11A對結構設計的影響

2016年7月1日以后90 m以上集裝箱船或者主要用來裝載集裝箱的船舶需要滿足新規范UR S11A的要求，CCS在制定國內航行海船的規范時也引入了這方面的內容。相比之前的S11，新要求在計算集裝箱船的總縱強度時，考慮首部外飄的影響，對于首部外飄明顯的船舶,其中垂波浪彎矩的變化尤為明顯。波浪彎矩如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：中垂的非線性修正系數與船首外飄因子有直接的關系，主要體現了大外飄船舶在高海況下，船首拍擊對中垂彎矩的影響。通常外貿集裝箱船為了追求快速性等方面的性能，船首形狀尖瘦，但由于首樓甲板上的系泊、錨泊布置對面積的要求又較大，因此船首部大外飄線型也就是一種必然結果。

而內貿集裝箱船對航速的要求較低，本船的服務航速僅為14.5 kn，兼顧施工便利性方面的考慮，首部線型比較豐滿，因此，S11A對本船的影響較小。為直觀體現此特點，本船與其他外貿集裝箱的對比見表1。

表1 不同集裝箱船外飄影響

表1數據體現出這一規律：兩型外貿船由于其外飄非常明顯，其外飄系數直接導致中垂彎矩遠遠大于中拱彎矩，而本文目標船由于外飄程度小，因此，UR S11A的影響相比要小很多。

2.2 UR S34對結構設計的影響

與UR S11A規范類似，為了保證船舶局部強度，尤其橫向強力構件有足夠的強度，IACS在UR S34中規定了艙段有限元分析時需要的集裝箱船強制性裝載模式，CCS在制定國內航行海船的要求時，也基本借鑒了UR S34的相關要求。本船由于船寬達40 m，相同寬度下，外貿箱船一般在6 000 TEU～7 000 TEU級別，因此，相比于4 000 TEU級別的外貿箱船，橫向強力支撐構件的要求會更高。

進一步分析，規范中隔艙裝載工況及進水工況對本船橫向強度影響較大。一方面，對于本船典型裝載中不存在的隔艙裝載的情況，在以往設計中可以申請豁免，不做考慮，而新規范中隔艙裝載變為了一種強制性計算工況，雖然從安全角度來講更為可靠，但對那些實際情況下無此裝載工況的船舶，該要求增加了空船重量和建造成本。

另一方面，本船作為內貿船舶，通風及通道要求相對低，艙壁的寬度相對較小，而本船的艙寬達35.8 m，在計算進水工況時，對水密艙壁的桁材需要進行加強，在設計時，甚至在艙壁的頂端和底端需要同時增加橫向箱型結構，才能滿足進水工況的強度要求，初步統計會導致每個水密橫艙壁區域增重約10%。

2.3 獨特的艙蓋限位器布置

集裝箱船艙蓋的設計往往非常關心貨艙的艙口變形，該數據不僅影響到艙蓋的密封問題，更對艙蓋沿船長方向限位器的布置影響很大。通常情況下，縱向限位器(向限位器)布置為順序布置，有些國內航行的箱船為了輕量化布置，也有對稱放置的實例。本船由于艙寬寬度大，且艙壁寬度較小，為了更合理地控制艙口變形，同時不額外增加過多的加強結構，采用了較為特殊的布置方式，布置方案及變形云圖見圖1、2。

圖1 限位器布置方案

圖2 變形位移云圖

為直觀體現該方案與常規方案的區別，列出設計過程中的4種方案，見表2。

表2 方案說明

考慮到艙蓋左右舷對稱，選取左舷和中間艙蓋限位位置(編號1～6，如圖1所示)作為分析對象，其變形量的結果見表3。

表3 各方案艙口圍的船長方向變形量 mm

限位器的設置主要考慮以下幾點因素。

1)存在集裝箱的左右兩側箱腳分別在2個艙蓋上的情況，為保證集裝箱不被拉扯變形，兩艙蓋間相對位移不超過箱腳相對滑移量。

2)存在一側在立柱，另一側在艙蓋上的集裝箱布置，立柱與艙蓋相對位移不超過箱腳滑移量。

3)風雨密艙蓋要保證密封性，艙口變形不宜過大。

4)艙蓋間應考慮綁扎空間，前后兩艙艙蓋相對位移不宜過大。

基于上述考慮，艙口圍的相對變形由表3中對應位置的位移差值可得，結果見表4。

表4 各方案的相對變形量 mm

最終本船采用方案4，該方案絕對變形最小，各類相對變形較為理想，能最大程度限制縱向變形。

2.4 支撐艙壁輕量化設計

支撐艙壁作為兩道水密艙壁之間的強力支撐結構，除用來支撐集裝箱的導軌架以外，對于外貿箱船，有時還會布置用來冷藏集裝箱散熱、危險品通風的管路和提供船舶定期檢修、檢修維護設備的通道。本船由于裝載貨物類型較為單一，不需要額外考慮布置通風和通道的空間問題，僅需要保證定期船體檢驗的需求，因此，在設計該結構時，在滿足支撐導軌架安裝布置的前提下，尺度應盡可能縮小，使得重量最輕。

經艙段有限元分析，水平桁材的應力很小，主要是由于本船艙寬已達到艙深的2倍，水平桁的支撐作用弱，支撐艙壁上的水平桁材僅傳遞導軌架承受的集裝箱水平載荷，水平桁材的安全裕度較大，因而有輕量化的空間。同時，考慮到開孔形狀的應力集中問題，基于艙段分析的結果，對水平桁材結構中最為危險的區域進行細網格分析，應力結果見圖3。

圖3 水平桁有限元分析結果

分析發現，即便做成鏤空結構，支撐艙壁整體應力水平基本沒有提高，約為313 MPa，滿足強度要求，分析開孔細化區域，孔邊緣的最大應力僅約176 MPa，水平桁材結構有足夠的安全裕度。經上述優化，每個支撐艙壁結構可減輕重量約6%，輕量化效果非常可觀。

2.5 非中間艙的艙段分析

由于船體線型原因，通常會在首尾貨艙設置臺階以保證足夠的橫向強度，但是這會損失一些箱位。為使裝箱數最大，借鑒規范中的平行中體區域的有限元分析方法，選取機艙前的6、7艙作為分析對象，著重評估橫向強框結構，將該結果作為參考應用于后續的設計中。6、7艙模型和橫向結構分析結果見圖4、5。

圖4 第6、7艙段模型

圖5 第6、7艙橫向結構應力云圖

在以往的設計中，由于未對該區域進行分析，出于安全考慮會在此區域增加臺階結構以保證舷側與雙層底的剪切面積，有時也會采用局部增加厚度的方法。但根據實際情況分析，6、7艙雙層底實肋板的根部的應力水平比預期低，設置臺階或局部增厚的方法雖是安全的，但比較保守。

以6艙和7艙應力水平最高的橫向強框作為分析對象，即6、7艙艙中位置處的強框，其應力和位移見圖6～9。

圖6 第6艙艙中橫向結構應力云圖

圖7 第7艙艙中橫向結構應力云圖

圖8 第6艙艙中橫向結構垂向位移云圖

圖9 第7艙艙中橫向結構垂向位移云圖

結合上述結果發現，6艙橫向強框與平行中體形式類似，故舷側根部與實肋板的連接處也需要適當加厚；但7艙線型收縮，實際作用于雙層底的水壓力的垂向分量減小，7艙增加的臺階結構與支撐艙壁相連，增強了對雙層底結構的邊界約束，故相同的板厚下，應力水平會比平行中體區域低。本船如果按照剪切面積等效的方法，雙層底實肋板根部板厚可能需要24 mm。經有限元分析，即便板厚為20 mm，依然有將近30%的安全裕度。

而7艙結構形式與平行中體不同，在根部增加了臺階結構。通常情況下，可能會認為增加的臺階結構相當于舷側的一部分，將臺階結構作為約束實肋板的邊界。按照此假設，實肋板根部的板厚會增加很多。但分析發現，船體底部結構變形的起點依然是底部結構與舷側內殼相交的位置；以圖8、9為例，在兩種橫向結構的垂向位移云圖中，位移的分布趨勢非常相似，整個舷側結構位移變化很小(0～3 mm之間)，而從舷側結構根部向實肋板方向位移變化梯度較大(在實肋板根部區域，4個網格長度3～12 mm)。這是由于臺階結構尺度遠小于舷側結構且隔板有很大的開孔，其約束能力非常有限，分析時應作為實肋板的一部分來考慮，與臺階相連的實肋板的剪力不會與根部一樣大。而在真正的根部位置，由于設置了臺階結構，應力水平也比平行中體區域的實肋板根部低。本船該位置板厚按照根部剪切面積等效的方法需要22 mm，如果按照非根部位置估算，此處的板厚也需要16 mm；但實際分析時，一方面由于不是實肋板真正的根部，另一方面載荷與邊界條件也比平行中體更理想，故最終的結果是，板厚僅11 mm時，安全裕度就有20%。

3 結論

1)由于大型內貿集裝箱船舶航速較低、船首外飄較小，UR S11A對其總縱彎矩的影響較小。

2)UR S34對艙壁結構較弱的內貿集裝箱船舶影響較大，該要求會增加相當的空船重量。設計時需要特別關注強制要求的隔艙裝載工況和進水工況。

3)通過有限元分析并結合內貿船舶特點，提出了艙口蓋限位器的特殊布置與支撐艙壁的輕量化設計的方案，可供類似船舶參考。

4)非中間艙橫向強框結構的分析結果表明，按照補償剪切面積的方式來估算板厚是足夠安全的，但過于保守；有臺階處的實肋板可將臺階和實肋板視為一個變截面梁分析，可有效減小板厚，使設計更經濟。