大型集装箱船结构强度分析及工艺研究

大型集装箱船结构强度分析及工艺研究

沈雲雲

江南造船（集团）有限责任公司 上海市 201913

摘要：相对传统的干杂货船而言，以标准运输单元进行运输的集装箱运输具有更便捷、更高效、更安全的特点，因此集装箱船逐渐取代传统意义上的干杂货船开始成为海上运输的主力。从规模效应的观点来看，船舶的主尺度越大其经济效益方面的优势就越明显，进入20世纪90年代以来，随着高强度船体材料以及大功率船用发动机等关键技术的逐渐成熟，集装箱船开始正式迈入大型化时代，并逐步呈现出一些全新的发展趋势。随着近年来国际经济形势的复苏以及IMO节能减排法令的强制生效，大型集装箱船再次成为了国际航运界关注的焦点。

关键词：大型集装箱船；结构强度；工艺研究

引言

随着经济全球化的发展，世界各国贸易量不断增长，集装箱船因其高效、便捷、安全等特点而成为了世界航运的主力军，并且为了进一步降低运输成本，集装箱船不断向大型化和高速化发展，目前大型集装箱船已成为世界集装箱航运市场的最主要船型。与此同时，因为大型集装箱船所具有的高技术、高附加值等特点，而越来越受到造船企业的重视，因此开展对大型集装箱船的结构分析和建造工艺研究，对于提高我国造船企业的造船技术，并进一步提升其在国际造船市场的竞争力具有重要的现实意义。

1.大型集装箱船的结构分析

　　（1）结构布置。大型集装箱船为了保证总纵强度，通常在舷侧使用抗扭箱以及连续有效的舱口纵向围板，或者采用双壳舷侧结构，并在双壳的上、下两部分都采用纵骨架。而机舱与上层建筑则通常布置在整个船体的中间偏后位置，其中机舱多采用横骨架结构。另外，一般将大型集装箱船的横舱壁分为结构舱壁和水密舱壁，其中的结构舱壁的主要作用是增加强度以及作为导轨的支撑。为了保护甲板上的集装箱，很多大型集装箱船还经常设置挡浪板，并将两端设为尖瘦形状。

　　（2）船体骨架。大型集装箱船的骨架一般采用纵骨架式，其目的是让纵骨参与船体梁总纵弯曲，从而有效提高船体梁的总纵强度以及抗扭转能力，因此大部分的纵骨都应采用角钢、型钢或球扁钢。在装箱数一定的情况下，要根据集装箱的布置、导轨的设置和板材局部强度的要求来设置纵桁以及确定纵骨间距。另外，依据弯曲扭转应力与外载荷分布特征，应在管弄处将强框间距设为两档肋距，而在抗扭箱与舱口围板处则设为八档肋距，其余部分都设为四档肋距。

　　（3）箱形梁设计。在船舶运动时，上部横向箱形梁的主要作用是控制舱内和甲板上的集装箱对甲板产生的应力，使其在一定范围内，从而减少舱口的变形；同时通过其刚性来支持舱壁垂向扶强材的上部，阻止横舱壁的变形，因此对其导轨和绑扎要求极高。而下部纵向箱形梁的主要作用是增加双层底与双壳结构的连接刚性以及抗扭刚度，从而减少扭转应力及舱口的变形，因此纵向箱形梁通常取集装箱的高度，并且将其端部与横舱壁的下壁凳进行牢固连接。

　　（4）总纵强度。由于大型集装箱船的开口极大，因此其总纵强度成为结构设计的关键问题。通常，抗扭箱上部采用屈服极限达355N/mm2的高强度钢，其板厚为50～95mm，采用相同板厚的还有甲板、纵舱壁上列板、舷顶列板、舱口围板以及舷顶抗扭箱内纵骨等部分。在计算横剖面时，采用的中剖面模数通常比规范要求值适当大些，从而满足垂向弯矩、水平弯矩以及扭矩综合作用对强度的要求。另外，当船首有明显外飘造成波浪弯矩增大时，应将船体剖面模数也作适当增加。

　　（5）扭转强度。影响船体扭转刚性的因素主要有船体的纵向抗扭箱、横向抗扭箱、甲板结构、翘曲刚性及其两端部的约束等。其中船体的翘曲刚性的影响因素是机舱区域与箱形结构的翘曲约束有效度，当机舱足够长，并且机舱上的甲板开口不大时，就可以提供有效的翘曲约束，但首部船体的翘曲刚性一般比中部小，从而导致了翘曲约束有效度的降低[2]。另外，通过将有效纵向箱形结构设置在首部区域的方法，也可实现对其翘曲刚性的补偿。

（6）疲劳强度。在不同方向滚的作用下，大型集装箱船的应力变化通常较大，尤其是位于机舱前端的舱口角隅位置，因此处纵舱壁的不连续，导致其在波浪弯矩影响下扭转明显，同时结构变化也十分明显。另外，波浪诱导的船体垂向弯矩、斜浪诱导的波浪扭矩、波浪对局部结构的动压力以及货舱内货物的运动惯性力等因素也会对船体构件产生交变应力，导致纵骨疲劳。

2.超大型集装箱船控制要点

　　2.1双层底与舭部区域

　　超大型集装箱船位于双层底区域肋板扶强材与内底板及外板纵骨连接部位的根部由于长期受外部水动压力和纵向载荷的应力作用，容易产生疲劳损坏。因此大部分采用软址结构以降低局部应力，在船舶建造过程中应确保这些软址形状与设计一致，焊接时应注意焊道的起弧点和熄弧点应尽可能远离扶强材址端和根部。扶强材与纵骨间的角焊缝应成型光滑，包角焊成型良好，不应有咬边和切口等易造成应力集中加剧的焊接缺陷。

　　位于货舱内部的纵舱壁与舭部边舱连接区域由于长期受周期性外部水动压力、货物惯性载荷和船体梁载荷的合成应力作用，存在较大的应力集中，因此这些位置通常不应开孔。如确实因为工艺性问题不可避免地开设R孔，也应在施工结束后将开孔区域打磨光顺并加装扇形嵌入板封闭该孔，以避免该位置因为疲劳应力而发生损坏。

　　2.2舷侧与抗扭箱区域

　　为提高船舶整体经济效益，增加集装箱装载数量，集装箱船舷侧会存在大量的箱格结构。这些箱格结构会导致舷侧内部纵骨的不连续性。船舶的舷侧横隔板加强筋与舷侧外板纵骨及其内纵壁纵骨连接处的址端由于承受外部水动压力和船体梁总体载荷交替变化产生的应力，容易疲劳。实践中可在疲劳应力强烈的区域可采用全焊透的方式连接，以延长该区域的使用寿命。抗扭箱为集装箱船的特有结构型式，起到承受总纵弯曲和舱口位置抗扭曲的重要作用。横舱壁与抗扭箱连接处的应力较高，此处多采用深熔焊或全熔透的焊接型式以降低疲劳裂纹的产生。在实际施工中应注意甲板纵骨与主甲板的焊接，因此处多为厚板结构，所以定位焊必须具有足够的长度，否则焊接时候纵骨变形产生的应力较大，容易产生裂纹。

　　2.3主甲板与舱口围区域

　　集装箱船甲板面积有限，因此主甲板与舱口围区域多采用厚板结构，以确保船舶的总体强度。在舱口角隅处采用尽可能大的圆弧过渡并采用更高等级及厚度的钢材，以避免舱口角隅位置的应力集中。由于超大型集装箱船的舱口角隅范围往往很大，因此在角隅插入板上应避免任何开孔（如通风筒、空气管和测深管的开孔），并且保证舱口角隅处镶嵌板圆弧自由边倒角光滑圆整，必要时可以通过打磨进行修正。镶嵌板与主甲板焊接时应注意焊道的起弧点和熄弧点应尽可能远离角隅，焊道与母材之间应有良好的过渡，焊接完工后焊缝表面应打磨光顺以避免应力集中。集装箱船舾装施工量很大，在后续施工中应特别注意对舱口角隅位置的保护，避免舱口角隅的自由边在后续施工过程中损坏。

3.结束语

　　对大型集装箱船的研究是一项及其复杂的课题，在研究过程中可能会遇到很多意想不到的问题，尤其是在结构设计和建造工艺方面更是如此。因为大型集装箱船的船体结构有很多自身的特点，只有充分了解每个结构的细节，并不断分析研究，才有可能在结构设计方面取得一定的进步。而在大型集装箱船的建造方面，必须根据船厂自身的技术能力，在生产设计和实际施工中不断进行探索和总结经验，才能制定出有效的建造工艺，从而实现大型集装箱船的高效建造。

　　参考文献

　　[1]韩钰，杨旭.4250TEU集装箱船的结构设计[J].船舶，2019（5）.

　　[2]白建伟，李国培，顾永宁等.集装箱船整船有限元结构分析[J].船舶工程，2010（5）.

　　[3]唐昌.1600TEU集装箱船的结构设计[J].上船科技，2020（2）.