大型集装箱船结构设计要点及对策思考

陈洪珍

摘  要：本文先粗略介绍中国大型集装箱货轮发展历史及其当下的市场情况，然后再将中国大中型集装箱货轮与世界常见船舶类型加以对比，以确定其特点，并在此基础上对结构设计问题和构造难点展开了分条的研讨，分别为构造布置、总纵强度、箱形梁的设计。最后结合集装箱船箱脚区结构裂缝问题，并对其加固的设计要求加以探讨。

关键词：集装箱;船结构;设计要点

前言：

在当下，由于大中型集装箱货轮船体架构设计生产中不完全的技术问题仍然未能得以彻底解决，以致船舶在长期工作中发生了构造变化等质量问题，在影响船舶工作效率的同时，也危及了乘员生命财产安全，因此，给予大中型集装箱货轮船体架构设计生产的一定关注，并加大对新科技、新材料和新工艺的运用力度，是非常必要的。本文在对世界大中型集装箱船的船体结构设计制造要点进行研究基础上，根据船箱脚区裂纹情况，对加强结构设计对策展开了探讨。

1、大型集装箱船的市场发展现状

集装箱船可别被列为进布置型船的一部分，由于具有箱位数量大的特点，而在运营期内取得良好效益。集装箱货轮又可被进一步细分为完全的集装箱货轮和零点五集装箱船二个类别，其构造与形状都和常规货轮有着明显区别。集装箱船装载速度快、廷刚时间也比较短，在大多数情况下使用高速飞行速度，每小时行驶里程为20～23海里。在上个世纪九十年代之前，所有集装箱船箱位最高数量都少于4730TEU。但在九十年代中期，超大型集装箱货轮技术得到了迅速发展。

2、大型集装箱船设计特点分析

2.1、货舱开口相对较大

为了进一步增加货舱中集装箱安装数量，甲板开口/船宽电压一般>百分之八十，部分地区甚至超过了百分之九十三点二。但由于船舷的纵向甲板条狭窄化的实际问题仍然不能得到合理解决，而造成了船舶整体强度问题偏低的实际问题也一直未能得以解决。

2.2、航速相对较高

有关资料中介绍，超大型集装箱船的最大航速一般>24海里，并通过相对较大的航速达到了提高水力量对船舶影响效率的总体目标。特别是首部构造，对于局部强度认真校对和核查。与此同时，由于高功率主机设计也可诱导激振来源的产生，因此此时大型集装箱货轮在设计和生产等环节中，对抗震设计作出了较为苛刻的规定。

2.3、对稳定系数提出更高的要求

超大型集装箱船与一般货轮具有明显区别，其在满载行驶过程中，为了满足船舶行驶稳定性的规范，往往必须装载大量压舱水。

3、大型集装箱船船体结构设计研究

3.1、结构布置

为了保证超大型集装箱货轮的整体纵强，在整个产品设计建造过程中往往使用了位于舷侧的抗扭箱、贯通性较好的舱口横纵围板和双壳舷侧构造。并通过纵骨架使双壳的上、下部有效地连接。而舱内和上层的构造物则往往被布置在舰舯偏后的位置上。在对船舱结构设计和建造过程中，往往会使用数量相应较多的骨架，因此可见舱盖围板与纵舱壁等的纵向光顺过程中，在提高整个工程设计建造品质等方面都表现出了重要价值。而超大型集装箱货轮的横舱壁则多被细分为水密舱壁和构造舱壁二个类别，前者由于具有提高船舶刚度的功效，所以通常也被用作导轨的支撑物。当下，中国国内在海运领域使用的大型集装箱货轮，在建造阶段多安设了挡浪板，它具有保障甲板上货物集装箱行驶安稳性的功能。但由于方形系数相对而言较小，且两侧船体类呈尖瘦形象。因此为了使船舱中可以布置更多数目的货物集装箱，就需要提供相应数量的平台，同时又要保证各平台和周边构件间连接的牢固性。

3.2、总纵强度

由于货柜开口直径很大，因此大型集装箱货轮结构在设计和建造阶段迫切需要解决的问题之一便是总纵刚度。大型集装箱船抗扭箱上端面板厚度也相对增大，通常为50～60mm，但钢级的应用屈服限超过了355N/mm2，并局部提高至390N/mm2，从而形成了高强度钢板。在对甲板、纵舱壁上列板、舱盖围板和舷顶抗扭箱内的纵骨（扁钢）设计中，听高畅使用了统一厚度的对甲板。估算横剖面时，通常使用的中截面数字信号要稍高于标准要求数值，进而确定了船体在垂向最大弯矩、水平弯矩和扭矩等整体施加下的最大刚度。根据有关资料，一般要得出约5%的余量，不过这些数值在实践中也不是一成不变的，还需要根据应力计算对其应用情况加以考虑。在中部0.55L（L是甲板开口长度）的开口范围中，根据剖面模数值和有关标准所做出的要求可有百分之五的扩大幅度，在开口前后端扩大了8～10%。当船头外飘迹象明显、船只的波浪弯矩有相应上升幅度情形下，就必须要求适当提高船舶剖面模数。对巴拿马型集装箱船而言，船舶在设计建造过程中，宽度虽受一定管束，但为了满足运行安全的最低标准，规定对其在正常装载状况下加注一定量的压舱水。集装箱船方形系数相对而言较小，拱静水弯矩的值高得也让人驚叹不已。在船舶双层底板中储有大量附加压舱水的情形下，设计的静水深流最大弯矩数量显著降低。但对超巴拿马型集装箱船来说，由于在对宽度设计中，由于缺乏硬性规范的制约，因此其在正常装载状况下附加的压舱水也无需过多，但静水深流的最大弯矩数量却随之提高，总纵强度问题也较为突出。

3.3、箱形梁设计

上部侧向箱型梁的主要影响对象以船舱口和甲板上集装箱结构居多，它可以导致上述二大结果在船舶行驶过程中，对甲板上形成的应力变化达到了一定范围中，从而达到减少口变形量的效果。与此同样，侧向箱型梁的刚度变化还可以通过对舱壁垂向扶强材上端进行支持，从而对横舱壁形态的变化进行了有效控制。由于上述形态的变化往往伴随着船舶容积的增大，矛盾性也不断表现起来，特别是对900TEU以上的船舶，在导轨和捆扎过程中所遇到的困难往往是巨大的。下端的纵向箱形梁还具有增强双层底与双壳结构之间衔接刚度的功能，从而起到了增强船舶抗扭刚度的功能，从而实现了对扭转应力大小和船舱口变化总量的合理控制。对超大型集装箱船而言，纵向箱形梁一般采用集装箱高度设计，其端部与横向水平舱壁的下凳紧凑连接。

4、对特大型集装箱船箱脚裂痕的构造进行研究设计

4.1、箱脚裂痕

在船只行驶过程中，所有的重力都汇聚到了集装箱的四个角落，在产生垂向受力的同时，由于船只行驶所产生的加速度惯性力，导致双层底构件承受了很大的集中负荷，如果在船体箱脚下端还没安设承载构件时，则将会引起船体的内底板结构和集装箱平台板下沉、形态变化，并在复底层与内底层之间的角接焊缝内产生裂缝，由于焊接裂缝的拓展特性，随着时效的延长，内底板结构与双层底构件之内都会形成结构裂缝，此时就需要进行刨除裂纹，而如果结构裂缝位于关键构件或支撑性构件中，则此时需要对内部板材采取更换等新保护措施。在双层底板结构和特大型货物集装箱平台的箱脚复板下端，均须设置强化构件区，并确定了每一箱脚区所承载的最大垂向力及相应的加强型式，同时根据有关标准对强化构件区进行了强度评估。在对特大型集装箱船集装箱箱脚的强化方案设计中，可采用复板来进行的强化板。对图1经整体解析，认为通过复板的合理运用，使得集装箱箱脚作用于平台底层结构上的最大垂向应力分布状况便得以有效改善。

4.2、大型集装箱船船体结构设计

制造单船厂在其设备固定的状况下，为了实现单船利润的提高，则必须缩短船舶生产期限，从而把设备充分利用起来。由于超大型集装箱船，其结构复杂而且线型尖瘦，所以对建造技术要求也更高：1）建造流程中的一项关键是使坞期更短。所以必须要全面设计整个船舶结构建造，并通过计算机模拟技术来分析分段划分设计和建造，同时还要对整个船体的大量分段结构进行焊接设计。2）需进行分段阶段的预舾装和预涂装。由于超大型集装箱货轮其压舱舱的空间较小，且部分首尾过渡的区域长度只有约1m，在分段翻身后极难进行作业，同时存在着很大风险，从而必须加大力度来设计船壳舾涂一体化。3）对船坞的高速搭载具有较高需求。由于横隔舱壁处于单一区域，所以线型结构是无法对其形成影响，所以应该先把舱壁和双层底当作两个单一的前总段来加以构造，然后再从舷侧分段靠上后总组。4）严密监视关键问题准确连接节点。由于比较于散装货轮和油船而言，超大型集装箱货轮因其内部存在较多的高应力区域，且结构非常复杂，所以在实际生产过程中一定要严密监视关键问题准确连接节点。5）施工质量问题，以及关键疲劳节点是大型集装箱货轮的一些突出问题，比较经典的是舱口围板的前端终止节点、纵向舱门围板开孔问题等。

在对大型集装箱货轮设计与建造过程中，每个堆垛箱体载重的最大值约为300t，而每个箱体又包括了四只箱体脚，每一箱脚承担了二个堆箱柜足的重力。因此，每个柜足能承载的最高垂向力大约为150t。此外在局部板砼周遭还采用简支，对四个箱脚的承载力大约为300t。可以使用MSC.PATRAN方法建立箱脚局部结构的有限元分析模型，以达到对箱脚局部结构刚度的有效分析，而在建立有限元模型时，均使用板单元仿真内底板、纵析、肋板、肘板和型料腹层等结构构件，并使用柱单元拟化型材面板和骨材球头。单位尺尺寸大概是为40mm，结构材质杨氏模量为2.1×105MPa，泊松比约为0.3。在对脚加强的部分构件中Vonmises应力分布状况开展了整体分析，结果表明最大值Vonmises应力强度为96MPa，主要产生于肋板部，已满足了有关标准要求。

4.3、舱口角隅的设计

为装载更多的集装箱，集装箱船通常工程设计为宽大的货舱开口和窄窄的上甲板条的船体，这导致了船体的水平弯曲、扭转效應、侧向刚度等在其整体纵强中所占的比重显著增大，因此舱盖角隅部就会有显著的局部应力聚集。而且，随着货柜开口的长度逐渐增大，局部应力聚集也就越来越显著，当船舱前端壁与纵横型结构的交界处，局部应力聚集到达了最高。因此通常造船货舱上的甲板角隅部采取了抛物线型，扁圆型，或弧线型。靠近舱门处的甲板角隅的内应力集中较大，因此如果产品设计为抛物线式的常规型式，将要求较大的内圆零点五径范围，这也要求了集装箱与纵舱壁、横向舱壁之间的间距更大，也会影响到船体布局的合理化，故一般将该角隅产品设计为负内切圆零点五径的结构形式。而舱盖角隅的尺寸大小又会影响到集装箱的整体布局，以及内部结构的合理布置，因此应该及早考虑。

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