关于大型集装箱船船体结构设计的研究

关于大型集装箱船船体结构设计的研究

陈英杰

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摘要：经济全球化时代的来临，为集装箱运输提供了良好的发展环境。与此同时，运载力的提高，对集装箱船结构稳定性提出了更高的要求。本文主要探究了大型集装箱船船体结构设计要点以及极限强度设计方法，以供参考。

关键词：大型集装箱；船体结构；设计要点；极限强度设计

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，由于大型集装箱船所具备的高技术、高附加值等优点，也日益引起世界造船企业的高度关注，对大型集装箱船船体结构设计进行研究，对改善我国造船企业的造船技术水平，增强其在全球造船市场上的综合竞争力，具有非常大的现实意义。

一、大型集装箱船的特点

大型集装箱船的主要特点如下：第一，货舱开口大。大型集装箱船的甲板开口非常大，这样设计的目的主要是为了在货舱内装纳更多的集装箱，船舷的纵向甲板条比较狭窄，船体的强度比较大。第二，航速高。大型集装箱船的航速通常在24千米/小时以上，这样可以增大水动力对船体的作用，大功率主体会引发激振力，所以对大型集装箱船的防振性提出了更高的要求。第三，稳定性较高。大型集装箱船的稳定性比普通货船的高很多，在满载情况下航行为了满足稳定性的要求需要装大量的压载水。第四，舱口变形大。大型集装箱船的甲板纵向条比较狭小，这就降低了船体的刚性，所以在船体结构设计上应该充分考虑变形的影响。第五，甲板开口大，大型集装箱船舱口盖的跨距要比普通的船大，而且还需要承受较长的集装箱荷载与船舶运动荷载，这就增加了大型集装箱船舱口盖的设计难度。

二、大型集装箱船船体结构设计要点

1、整体结构设计

大型集装箱船提高总纵强度的方法主要是在舰侧设立抗扭箱，双壳舰侧结构，在舱口设计持续有效的舰口纵向围板。为了保证双壳舰侧结构的稳定性，还在双壳舰侧结构内使用了纵骨架。从船内各个分部的相对位置来看，机舱和上层建筑主要分布在船中部稍微靠后的位置，机舱内主要采用的是横向的骨架。从舱壁的构成组成要素来看，大型的集装箱的舱壁主要由水密舱壁和结构舱壁构成，结构舱壁能起到很强的支撑作用，提高船体本身的稳定性，承担起做好导轨的作用。同时，为了提高大型集装箱的防波浪的能力，还在甲板的两侧设有挡住波浪的挡浪板，让船体在航行的过程中更加安全。

2、船体骨架设计

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、总纵强度设计

因为大型集装箱船的开口比较大，所以其结构设计的最主要问题就是总纵强度。大型集装箱船抗扭箱上部的板比较厚，通常情况下，舷顶列板、舱口围板等部位的纵骨采用的板厚都是相同的。计算横剖面时通常采用的是比常规数值要大一些的中剖面模数，这样才能满足船舶在水平弯矩作用下的强度要求。如果大型集装箱船的船宽有限制，则应该在装载状态下携带一定体积的压载水，以便保持船舶的稳定性。如果大型集装箱的船宽不受限制，则不必在装载状态下加入太多的压载水，总纵强度问题会随着静水弯矩的增加而更加突出。

5、扭转强度设计

有关学者表明，大型集装箱船的扭转强度的计算，是结构分析的重点。在计算扭转强度时，船体的整体结构也被考虑在内。因此，如果对扭转强度进行了详细的考虑，相应的工作人员可以在后期运算船体的整体结构时，减少相应的工作难度。船舶扭转强度的刚性，主要和船体的纵向抵抗箱和横向抵抗箱有很大的关系，同时，它也会受到翘曲刚性的影响，船体两端的约束对它也有较强的约束能力。要想对船舶的扭转强度进行考察，也可以通过分析其他环节的工作情况，来对加强这一工作环节的考察。

6、疲劳强度设计

疲劳强度是船舶结构设计中需要仔细考虑的一项。当船舶本体上出现裂纹时，很可能是疲劳强度的原因，让船舶在运行的过程中出现问题。并且，出现这种问题的船舶应该立刻停止运行，进行维修，让工作人员对船舶的问题进行处理。只有在大型集装箱船舶的制作阶段对船舶的疲劳强度进行考察，才能更好的减少后期船舶运行过程中出现的问题，提高船舶的使用年限。通过分析发现，由于大型集装箱船舶在运行过程中受到不同方向上的作用力不同，工作人员需要综合各个情况，对船舶整体的疲劳强度进行考察。结合船舶其他部位的受弯曲的情况，工作人员也可以发现这个部位的疲劳强度情况。在一般的情况下，受弯曲较明显的部位，这个部位的疲劳强度也就越大。

三、大型集装箱船船体结构极限强度设计方法

在大型集装箱船舶的全生命周期内，船体结构需要承担多种载荷的作用。船体的设计载荷考虑了船舶可能遭遇到的大部分载荷，但某些极端载荷超出了设计载荷的考虑范围。过去，船舶结构的设计主要是基于许用应力法，再采用简化公式校核屈曲强度。现在看来，这种线弹性的设计方法很难确定船体结构的真实安全冗余度，而基于极限状态的设计方法受到越来越广泛地关注。极限状态的设计需要明确考虑各种极限载荷工况、材料的弹塑性大变形、结构的初始几何缺陷和焊接残余应力、结构的边界条件等。极限状态设计能够确定结构失效时的极限强度，比许用应力法给出的安全系数更加合理、更加准确。计算船体结构极限强度的主要方法包括：理想结构单元法、逐步崩溃法和非线性有限元法等。通常情况下，通过载荷位移曲线的极值来确定船体结构的极限强度。随着船体结构高强度钢的广泛应用，船体钢板的厚度明显减薄，船舶结构的应力水平比过去明显提高。相比普通钢，高强度钢仅仅是屈服强度有所提高，它们的抗疲劳、抗腐蚀的能力并没有相应地提高。因此，需要评估裂纹和腐蚀为代表的破坏因素的消极影响，分析含损伤的船舶结构的剩余极限强度。

四、结束语

当前，集装箱船朝着装载量大、航速快的方向发展，大型集装箱的出现不仅促进了航运业的发展，而且还给船厂带来了较大的经济效益，未来大型集装箱的发展前景非常光明。然而，大型集装箱船与普通货物的有诸多不同，需要对其船体的结构设计制造给予足够的重视，才能保证其结构设计的稳定性与安全性。

参考文献

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