集装箱船船体结构极限强度研究

集装箱船船体结构极限强度研究

杜万里，殷东升，张洪亮，胡立明，王雪鹏，杨润，赵文龙

中国船舶集团青岛北海造船有限公司， 266520

摘要：与传统干杂货船相比，采用标准运输模块进行集装箱运输更加方便、高效、安全。因此，集装箱船逐渐取代了传统的干货船，成为海上运输的主力。从规模经济的角度看，船舶的基本尺寸越大，其经济效益越明显。20世纪90年代以来，集装箱船正式步入了规模化时期，随着对高强度的船舶设备、大功率舰船发电机等核心技术的逐步掌握，集装箱船逐渐发展壮大。由于近年全球经济运行状况的回升以及国际海事组织节能减排令的推行，超大型集装箱船将再次成为国际航运发展的重点。

关键词：大型集装箱船；结构强度；工艺研究

引言

随着经济全球化的进展，全球各国商品贸易额日益扩大，集装箱货轮以其效率、便利、安全等优点已形成了全球海运的主力军，同时为逐步减少货物运输成本，集装箱货轮日益向大型化和高速化发展，目前大型集装箱货轮已成为全球集装箱海运市场的最主力船舶类型。与此同时，由于中大型集装箱货轮所具备的高技术、高附加值等优点，也日益引起世界造船企业的高度关注，所以进行对大中型集装箱货轮的构造分析与制造工艺技术研究，对改善中国造船企业的造船技术水平，并进而增强其在全球造船市场上的综合竞争力，有着很大的现实意义。

1.水动力砰击对总强度与局部强度的影响

超大型集装箱船由于有着很大的首外飘和较平坦的尾部线体等特征，再加上飞行速度较高，在不良海况下，随着身体的大幅度摇荡运动，很易引起首尾下方和首部舷侧外飘地区的水动力砰击现象。瞬间突然而强烈的舰船砰击也会使舰船出现巨大的抖动现象，使舰船梁本构非线性波浪弯矩加大而造成整体结构刚度下降。此外，砰击问题最直接的影响是对局部整体舰船的强烈撞击而造成局部整体构件的损伤破裂，最严重的时候甚至威胁船舶航行安全性和乘员人身安全。所以，对于超大型集装箱船的船体水动力砰击问题，不管在整体强度或是局部强度上都应足够的重视。目前，中国民船标准中已经对集装箱货轮首底和首部舷侧向大连外国语学校翻译学院飘带下的砰击载荷和结构加强度给出了规定，同时也通过国外的船舶力学会议对ISSC2009和ISSC2012标准的比较分析，认为不同船级的标准中对船底在砰击和外飘冲击下的结构尺寸规定存在着较大的差异。所以，对万箱以上的超大型集装箱船的相关规范应用问题，需要针对局部的动力砰击现象加以研究，并制定适当的结构刚度分析与测试办法，完善现行的监管制度。另外，大型集装箱在船尾部撞击的问题并没有列入现行规定的范畴，应在研究中加以考虑。

2.波激振波和颤振所引起的船舶疲劳，和砰击事件中的船舶梁颤振等不同

低海况时，大功率舰艇的船体易于产生线性的波激振动；在中高海水情况下，船体可以出现非线性波浪震荡，撞击引起的颤振往往随着水文条件的上升而反复出现。一旦遇到频繁的撞击，则很难识别海浪产生的震荡与抖动。由于撞击引起的颤振往往是由于恶劣的海况造成的，因此往往比较重视撞击引起的船体结构极限强度。在超大型舰船的设计中，由于海浪导致的设计疲劳往往值得重视。而在超大型舰船中，波激振波问题则往往更应重视其所导致的设计疲劳损害。而由于集装箱的大型化，及高强度钢的大规模应用造成了船舶设计的柔性提高，同时考虑到由于大型集装箱货轮自身的飞行速度变化很快，因此波激及砰击振波问题的产生可能性大大增加，从而引起的设计疲劳影响也明显增大，所以在评价大型集装箱货轮的设计疲劳强度问题时，就必须对波激与砰击振波所导致的设计疲劳损害更加重视了。目前，我国民船标准对船舶梁材料的质量处理主要采用了IACS的统一质量要求标准URS11，但这里并没有涉及颤振和波激振波所引起的船舶波浪负荷的增加，及其船舶疲劳强度问题。所以，针对超大型化的大型集装箱货轮船舶颤振和波激振动问题，还需要中国船级社与有关部门共同研究。目前，中国船级社（ABS）已就集装箱船的颤振与波激振动的预测及强度评估确定提出了相应的指导性文件，中国船级社（CCS）的有关研究项目也还在开展中。

3.固定航线对系固惯性载荷的影响

目前，集装箱船的危险作业量是按照在无限航段的水文环境条件进行装车配载的系固，水文环境条件是可能遇到的最恶劣状态，在实际操作状态下，集装箱船一般采用班轮运输，路线比较稳定，包括欧洲人经印度洋到美洲的，欧洲人经地中海到欧洲人的航线等，水文环境条件也是比较可预测的，比水文条件、海浪条件在设计状态下所遇到的状况要好，因此惯性压力在容器上的应用存在下降的可能性。但在其他构造强度、航行视线等要求都能满足，在国际海运市场竞争激烈的情况下，海运费公司会发出要求，期望将箱数扩大到原来的基础上，或者将总体的货量提高到原来的水平。为此，日本国船级社（NK）和德意志船级社（GL）等出于寻求客户服务，相继提供稳定航道下集装箱船提高装箱量的评估服务。中国船级社（CCS）为顺应需求，进一步增强客户服务需求的售后服务能力，在近期又进行了稳定航道系固计算公式研发。

4.在对大型集装箱船船体构造的限制力度进行科学研究时要注意的问题

在造船的全部寿命内，船舶结构需要经受所有压力。船舶设计压力包括了造船所发生的所有压力，而部分极端压力超过了设计压力的范围。过去舰船的结构方式大多是基于许用应力法，然后再通过简化的方法校核屈曲强度。但现在来看，这种线弹性的结构设计方式很难确保船舶构造的真正安全冗余性，而基于极限压力的结构方式则得到了更加普遍的重视。极限状态的设置，必须充分考虑各种极限载荷情况、钢材的弹性塑力强大变化、构件的初始几何缺陷和焊接残余应力、以及构件的边界条件变化等。极限状态分析可以判断构件在失效后的极限承载力，比许用应力分析法所得出的安全系数值更为合理、也较为精确。估计船舶构造最大限制刚度的主要方法还有：理想构造单元法、渐进破坏法和非线性有限元法等。通常采用载荷位移曲线的极值来判断船舶构件的极限抗拉强度。由于船舶构件高强度钢材的应用，船舶钢材的厚度显著减少，造船构件的应力水平较过去明显增加。对比一般钢材，高强度钢只不过是屈服强度增加，其中的抗疲劳性能、抗蚀的强度却不会相应的增加。为此必须研究断裂和锈蚀所代表的损伤成分的消极影响，研究有损伤的船舶构件的残余极限稳定性。

结束语

对于超大型集装箱船的研制是一个极其复杂的问题，在探索过程中将会出现许多意想不到的困难，特别是在结构设计与制造技术领域更是如此。由于超大型集装箱货轮的船舶构造有很多自己的特征，因此只有全面掌握各种构造的细节，并作进一步的探讨，才有可能在结构设计领域获得一定的进展。而在超大型集装箱货轮的建设领域，则需要依靠船厂本身的工艺水平，在实际工程设计和现场施工过程中不断进行探讨和总结经验，才能制订出合理的建设方法，以便进行超大型集装箱货轮的高效施工。

参考文献：

[1]刘维勤,屈毫拓,黄宇,杨萌,宋学敏,王绪明. 集装箱船在波浪下的结构动态崩溃数值仿真研究[J]. 中国航海,2022,45(01):43-49.

[2]吴剑国,伍友军,李钧晖,吴嘉蒙,王璞. 船体梁约束扭转极限承载力计算的简化逐步迭代法[J]. 中国造船,2022,63(01):188-197.

[3]袁梦,蔡诗剑,王德禹. 三向载荷联合作用下的大型集装箱船结构可靠性研究[J]. 海洋工程,2020,38(06):33-41.

[4]Tanaka Fumiko,Kotajima Sho,Kawamura Yasumi,Okada Tetsuo. 考虑应变率相关性对材料性能影响的动载荷下集装箱船船体梁极限强度[J]. 中国舰船研究,2019,14(S2):32-38.