船舶主船体结构设计的若干问题

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[摘 要]船体结构设计如同其它的工程设计一样，首先要知道设计应满足那些要求，采用什么方法进行设计。本文就船舶主船体结构设计的若干问题进行探讨。

[关键词]船体结构 设计 问题分析

中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）25-0035-01

一、大型集装箱船的市场状况

集装箱船属于布置型船舶，因箱位数大而取得明显的经济效益。1990年代前，最大箱位数不超过4730TEU。1995年以来，大型集装箱船得到了迅猛发展。目前10000TEU以上的超大型集装箱船也已在国外开发成功。这种发展趋势完全是适应世界航运界的迫切需求。在环球的三大主要航线（太平洋航线，大西洋航线和东亚）欧洲航线）上绝大多数依赖超巴拿马型集装箱船，而国际集装箱枢纽港也主要考虑接纳超巴拿马型集装箱船。通过近几年的技术改造和技术进步，过去认为集装箱船大型化的障碍）））装卸吊桥的跨距及主机功率已基本解决。船舶结构设计技术、制造工艺和材料选用问题已具备必要的技术储备。这样，为大型集装箱船的发展提供了广阔的前景。

二、大型集装箱船设计特点

（1）货舱开口大。为了在货舱内多装集装箱，甲板开口/船宽达80%以上，甚至达到93.2%。船舷的纵向甲板条十分狭小，船体总强度问题十分突出。

（2）航速高。航速一般在24kn以上，从而增大水动力对船体的作用。特别是首部结构，局部强度需认真校核。同时，大功率主机能诱发激振力，对防振设计提出更高要求。

（3）稳性要求高。与普通货船不同，满载航行时为满足稳性要求往往需装大量压载水。

（4）舱口变形大。狭小的甲板纵向条，大大削弱了船体刚性，因此在船体结构、舱口盖及绑扎桥的设计上应考虑大变形的影响。

（5）由于甲板开口大，舱口盖的跨距比常规船大。同时承受较长的集装箱载荷与船舶运动载荷，使舱口盖设计难度增大。

三、大型集装箱船结构设计探讨

3.1结构布置

大型集装箱船一般采用位于舷侧的抗扭箱和连续有效的舱口纵向围板以及双壳舷侧结构来保证总纵强度。在双壳的上部和下部采用纵骨架。机舱和上层建筑一般布置在船中偏后的位置。机舱采用横骨架较多，所以舱口围板和纵舱壁等纵向光顺过渡尤为重要。大型集装箱船的横舱壁通常分为水密舱壁和结构舱壁。结构舱壁起增加强度和作为导轨的支撑作用。大型集装箱船通常设有挡浪板，起着保护甲板上集装箱的作用。由于方形系数较小，两端船型较为尖瘦。为在舱内尽可能多布置集装箱，需要设置很多平台，并与相邻结构牢固连接。

3.2 总纵强度

由于开口极大，大型集装箱船总纵强度成为结构设计的最主要问题。大型集装箱船抗扭箱上部的板厚较厚，通常为50～60 mm，钢级采用屈服限高达355 N/mm2，甚至390 N/mm2的高强度钢。一般甲板板、舷顶列板、纵舱壁上列板、舱口围板及舷顶抗扭箱内的纵骨（扁钢）采用相同的板厚。

在对横剖面进行计算时，一般采用的中剖面模数比规范要求值适当增加，以满足在垂向弯矩、水平弯矩及扭矩综合作用下的强度。根据资料介绍，一般要给出5%的余量，但具体要根据应力计算来复核。在中部0. 55l（l为甲板开口长度）开口范围内，剖面模数值可比规范要求值增加5%。而在开口前后端增大8% ～10%。如果船首有明显外飘，船舶的波浪弯矩有所增大，则要求船体剖面模数作适当增加。

对于巴拿马型集装箱船，由于船宽受到限制，为保证最小稳性高度的要求，在装载状态下需带一定的压载水。集装箱船具有较小的方形系数，具有最大中拱静水弯矩。船中双层底内的附加压载水使设计的静水弯矩明显减小。对于超巴拿马型集装箱船，由于船宽不受限制，因而装载状态下附加压载水可大大减少，静水弯矩有所增加，总纵强度问题就更加突出。

3.3 箱形梁设计

上部横向箱形梁可使舱内及甲板上集装箱由于船舶运动对甲板所产生的应力控制在一定范围内，减少舱口变形。同时横向箱形梁的刚性又能对舱壁垂向扶强材上部提供有效支持，以限制横舱壁的变形。这种变形随着船型的加大矛盾越显突出，特别对9 000 TEU以上的船，其对导轨和绑扎要求更是一个挑战。下部的纵向箱形梁能增加双层底和双壳结构的连接刚性，同时又能提高抗扭刚度，从而能控制扭转应力和舱口变形。对于大型集装箱船，纵向箱形梁一般取集装箱高度，其端部与横舱壁下凳牢固相连。

3.4 扭转强度

船体的扭转刚性主要是与船体纵向抗扭箱（如双层底，双壳）及横向抗扭箱（如双层舱壁）有关，同时也与翘曲刚性及两端部的约束有关。此外，由纵向及横向甲板条所构成的甲板结构也能增加船体的扭转刚性，但对于大开口集装箱船而言，这个增加是次要的。

船体的翘曲刚性取决于机舱区域和首部封闭箱形结构的翘曲约束的有效度。若机舱有足够长度，且机舱上甲板开口不大，则能提供有效的翘曲约束。但对于首部船体结构，其翘曲刚性通常比中部小，从而降低了翘曲约束的有效度。在首部区域设置有效的纵向箱形结构，可对该区域的翘曲刚性进行某些补偿。与首尖舱舱壁相邻的开口外纵向甲板条的宽度加大，也可提高首部翘曲约束的有效度。

大型集装箱船的扭转强度计算是结构分析的焦点。这主要是因为结构的扭转应力计算较为复杂，涉及整船结构设计。大型集装箱船的强度校核需引进全船有限元分析，这不同于一般大型船舶的三舱段分析。

3.5 疲劳强度

由于大型集装箱船在不同方向浪的作用下应力变化较大，指南同时对大型集装箱船的角隅疲劳强度分析提供了强制要求。特别是机舱前端的舱口角隅，其受到波浪弯矩和扭转明显，而且结构在此处变化明显。

船首的舱口角隅是又一个疲劳关键点。因此处由于线型变化，纵舱壁不连续，波浪弯矩较大。

3.6 其他应注意的问题

大型集装箱船的尾部振动主要包括尾部振动和机器处所的振动，各船级社发表了很多指导性文件，在设计时可以参考。另外首部上浪冲击由于高航速也显得突出，可以根据规范进行计算分析。

四、大型集装箱船结构制造探讨

在船厂设施固定的情况下，要想提高单船利润，必须加快造船周期，提高设施利用率。对于大型集装箱船，因其尖瘦的线型和复杂的结构给制造提出了新要求。

（1）缩短坞期是制造的首要问题。为此应对船体结构制造进行充分策划，利用计算机模拟技术，对分段划分和制造进行分析。对全船的大量分段进行焊接设计。对坞内总段吊装进行优化，减少吊装时间。

（2）大力推行分段阶段的预舾装和预涂装。大型集装箱船的压载舱空间狭小，首尾过渡区域很多部位仅有1m宽，分段翻身后将很难进入施工，而且危险性极大。为此需要花大力气对壳舾涂一体化进行设计。

（3）大型集装箱船对船坞快速搭载也提出了挑战。由于槽形舱壁是一个独立区域，且不受线型影响，所以可将双层底和舱壁作为两个独立的总段先行制造，最后将舷侧分段靠上后总组。

（4）对关键对准连接节点进行监控。大型集装箱船与油船和散货船相比，高应力区多而复杂。

（5）大型集装箱船另一个突出问题就是关键疲劳节点的施工质量问题。典型的如舱口围板的前端终止点、纵向舱口围板开孔等。

参考文献

[1] 王运龙，纪卓尚，林焰.散货船现状及其发展趋势[J].船舶工程.2006（01）

[2] 郑洲榕.59米拖船船体结构设计及若干问题研究[J].机电技术.2005（02）