集裝箱船艙口蓋結構強度計算分析

趙欣,朱庭國,高茜

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

集裝箱艙口蓋的結構強度對于貨運安全乃至海上人員安全都至關重要。集裝箱船艙口蓋一般采用吊離式艙口蓋,吊離式艙口蓋借助于鋼絲繩、套環、卸扣、眼板等索具,由船上或岸上起重機吊離,可放于船上或碼頭上[1]。隨著船舶的大型化和艙口蓋功能的多樣化,艙口蓋的結構強度問題越來越受到設計方、建造方及相關學者的重視[2-6]。考慮以我司自主研發的9 200 TEU集裝箱船為基礎,以中間典型貨艙的艙口蓋為對象,從結構形式、規范計算和有限元直接計算三方面入手開展艙口蓋結構強度計算分析,根據蓋板結構的應力水平和屈曲安全因子,評估20 ft、40 ft及混裝三種裝載情況下各工況對艙口蓋結構強度的影響,為后續自主研發設計提供技術支撐。

1 艙口蓋結構組成

根據載荷和用途情況,艙口蓋結構類型一般分為:敞開式框架結構、半箱體半敞開式結構和密閉箱體結構[7],敞開式結構多用于載荷較小的集裝箱船和散貨船,半箱體半敞開式結構多用于載荷較大的集裝箱船,密閉箱體結構多用于甲板載貨的散貨船、重吊船等。

艙口蓋由蓋板結構、止跳裝置、支撐塊、限位裝置組成,見圖1。蓋板結構又分為頂板、端板、邊板、主要支撐構件(縱桁和橫梁)和加強骨材等。

圖1 艙口蓋蓋板結構組成

為了限制航行過程中艙口蓋和船體產生的垂向相對位移,同時保證密性要求,止跳裝置必不可少。由于集裝箱載荷是通過集裝箱腳傳遞到艙口蓋,再經由支撐塊傳遞到艙口圍上,因此支撐塊通常設置在集裝箱集裝箱腳對應的艙口蓋底板下緣。

限位裝置主要分為定位銷和橫向限位裝置兩種。定位銷可同時承受縱向和橫向載荷,一般布置在艙口蓋艏端中部,根據截面形狀的不同又可以分為圓形定位銷和方形定位銷。橫向限位裝置只能承受橫向載荷,一般布置在艙口蓋艉端中部。

2 規范計算

根據UR S21A[8]的規范要求,艙口蓋的規范計算載荷主要由垂向露天載荷PH和水平露天載荷PA組成。垂向露天載荷主要由規范船長和艙口蓋縱向位置決定,水平露天載荷則由規范船長、方形系數、艙口蓋縱向位置及計算結構位置決定。由于目標船型9 200 TEU規范船長大于250 m,因此對于無保護的艏端板PAmin=50 kN/m2,其余位置PAmin=25 kN/m2。

頂板規范要求的凈板厚與垂向露天載荷、骨材間距及材質屬性有關,同時板厚取值不能小于6 mm。前后端板和兩側邊板的凈板厚則與水平露天載荷、骨材間距及材質屬性有關,且板厚取值不能小于5 mm。對于縱桁和橫梁等主要支撐構件來說,腹板凈板厚僅與骨材間距有關,且取值不能小于5 mm。通常在縱桁之間布置一定數量的加強骨材,規范中應用垂向露天載荷,從凈剪切面積和凈剖面模數兩方面對骨材尺寸進行驗證。

3 有限元直接計算

應用有限元軟件建立典型貨艙艙口蓋的有限元模型見圖2。

圖2 艙口蓋有限元模型

端板、邊板及主要支撐構件腹板高度至少含有3個單元,面板盡量用板單元表達。對于支撐塊、限位裝置和止跳裝置的局部加強應在模型中進行簡化模擬,模型所有單元長寬比例不大于1∶4,對于所有計算工況模型結構尺寸應采用凈尺寸,一般來說腐蝕余量取值為1.0。

3.1 加載工況

針對艙口蓋結構進行有限元直接計算時主要采用垂向露天載荷和集裝箱載荷。垂向露天載荷在規范計算時已經求得結果,集裝箱載荷則需在考慮船舶縱搖、垂蕩和橫搖等運動狀態時,以集裝箱堆垛最大設計堆重為基礎進行計算。

集裝箱船常規裝載方式中艙口蓋上方主要堆放20和40 ft集裝箱,裝載狀態分為:20 ft裝載、40 ft裝載及混裝裝載。由于該船型應用3層綁扎橋結構,因此混裝裝載時艙口蓋最下方3層為20 ft集裝箱,其余為40 ft集裝箱。3種裝載狀態的堆垛最大設計堆重分別為:90、160和220 t。

1)垂向工況。由縱搖和垂蕩引起,載荷作用于集裝箱腳處,垂向工況的集裝箱載荷見表1。

表1 垂向工況的集裝箱載荷

(1)

式中:aV為垂向加速度;M為集裝箱堆垛最大設計重量。

2)橫傾工況。由縱搖、垂蕩和橫搖引起,載荷作用于集裝箱腳處。

(2)

(3)

BY=2.4×M

(4)

式中:hm為集裝箱堆垛重心高度;b為集裝箱腳中心線間距離,一般取值為2.259 m。

參考船級社規范[9]給出集裝箱腳在垂向拉/壓時的載荷極限值:

Ftension=250 kN;Fcompression=942 kN。

為了最大程度保證艙口蓋結構強度的安全性,綜合相關設備廠商的設計資料,在垂向極限拉力的基礎上留有10%的安全裕度,在垂向極限壓力的基礎上增加最下層集裝箱的慣性力,因此橫傾工況中AZ和BZ取值如下。

AZ≤Ftension×1.1

(5)

BZ≤Fcompression+

(6)

橫傾工況下集裝箱載荷最終取值見表2。

表2 橫傾工況的集裝箱載荷

3)部分裝載工況

除上節所述的垂向工況和橫傾工況之外,實際營運過程中還可能出現非均勻裝載狀態,如特定集裝箱堆垛位置空載狀態。部分裝載工況一般應用橫傾工況的集裝箱載荷,主要分類見表3。

表3 部分裝載工況

綜合上述載荷及工況類別,有限元直接計算所需工況匯總見表4。

表4 工況列表

根據艙口蓋四周舾裝件的固定情況,在其相應位置施加邊界約束。定位銷可同時限制縱向和橫向位移,橫向限位裝置僅限制橫向位移,支撐塊和止跳裝置限制垂向位移。值得注意的是,在有限元直接計算開始之前需根據支撐塊和止跳裝置的受力情況判斷其是否起到約束作用,若受力結果與實際情況相反,該位置應不作為邊界條件。

3.2 結果評估

按照UR S21A的規范要求,主要將艙口蓋頂板、端板、邊板、主要支撐構件及面板作為評估對象。露天工況下基于凈尺寸的等效應力σV應不大于0.9ReH,其他工況中等效應力σV應不大于0.8ReH。

其中:ReH為材料的屈服應力,355 N/mm2,因此露天工況應力衡準值為284 N/mm2,其他工況應力衡準值均為319 N/mm2。

在露天工況中各項結構應力結果均小于150 N/mm2,該工況對整體結構強度影響較小。各項結構應力結果的影響工況見表5。

表5 各項結構應力結果

由此可得:具有決定性影響的工況載荷類別為20 ft集裝箱載荷和混裝集裝箱載荷,裝載工況為橫傾滿載和部分裝載。對于中間集裝箱腳來說,20 ft集裝箱載荷最大,主要影響橫梁腹板及中間面板的結構尺寸;綜合比較整體載荷,橫傾工況下混裝集裝箱載荷值最大,艙口蓋頂板及四周結構局部區域均不滿足衡準要求,需要局部采用增加板厚方式進行加強。應用40 ft集裝箱載荷進行計算的裝載工況中各項結構應力結果均小于319 N/mm2,滿足規范要求。

采用類似結構共同規范[10]的閉合公式法進行屈曲強度評估,同時考慮屈曲板格中平均正應力及剪切應力的影響,露天工況中屈曲安全因子S取值0.8,集裝箱載荷工況中屈曲安全因子S取值0.9。

應用高強度鋼是提高艙口蓋強度的有效方法,但隨著高強度鋼應用幅度提高,使得蓋板結構尺寸隨之減小,造成結構失穩的可能性就會增大。在上述計算工況中蓋板結構最大變形值來源于20 ft集裝箱載荷橫傾工況,主要集中在艙口蓋中部區域,因此在屈曲強度計算校核中,頂板、邊板和縱桁腹板中部局部板格屈曲安全因子大于0.9,需通過設置加強筋的方法進行改善。屈曲校核結果見圖3。

圖3 屈曲校核結果

4 結論

1)集裝箱載荷作為艙口蓋有限元直接計算的重要因素,直接影響蓋板結構的應力結果,從而影響艙口蓋結構重量及建造成本,應在規范要求的基礎上著重考慮集裝箱腳在拉/壓狀態下的極限承載能力,保證載荷取值的合理性。

2)頂板、端板和邊板作為艙口蓋的外圍結構,主要由混裝集裝箱載荷的橫傾工況決定,艙口蓋中部箱腳主要受20 ft集裝箱載荷影響,導致中部面板應力結果不滿足衡準要求,同時板格存在失穩問題,需要額外加強。

3)規范計算應用露天載荷確定蓋板結構的初步尺寸,但頂板、端板、邊板、主要支撐構件及面板尺寸均由有限元直接計算決定。