1、第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.集装箱船舱口盖结构强度计算分析赵欣朱庭国高茜(上海外高桥造船有限公司上海)摘 要:针对集装箱船舱口盖的结构强度问题从规范计算和有限元直接计算两方面入手根据 和船级社规范结合营运装载特点应用露天载荷和集装箱载荷重点评估盖板结构的应力水平和屈曲安全因子计算结果表明舱口盖结构尺寸主要由混装集装箱载荷和 集装箱载荷工况决定局部板格屈曲结果不满足衡准要求提出的加强方案可有效提高舱口盖结构强度关键词:集装箱船舱口盖结构强度中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:第一作者:赵欣()女硕士工程师研究方向:船体结构强度分析 集装箱舱口盖的结构
2、强度对于货运安全乃至海上人员安全都至关重要 集装箱船舱口盖一般采用吊离式舱口盖吊离式舱口盖借助于钢丝绳、套环、卸扣、眼板等索具由船上或岸上起重机吊离可放于船上或码头上 随着船舶的大型化和舱口盖功能的多样化舱口盖的结构强度问题越来越受到设计方、建造方及相关学者的重视 考虑以我司自主研发的 集装箱船为基础以中间典型货舱的舱口盖为对象从结构形式、规范计算和有限元直接计算三方面入手开展舱口盖结构强度计算分析根据盖板结构的应力水平和屈曲安全因子评估 、及混装三种装载情况下各工况对舱口盖结构强度的影响为后续自主研发设计提供技术支撑 舱口盖结构组成根据载荷和用途情况舱口盖结构类型一般分为:敞开式框架结构、半
3、箱体半敞开式结构和密闭箱体结构敞开式结构多用于载荷较小的集装箱船和散货船半箱体半敞开式结构多用于载荷较大的集装箱船密闭箱体结构多用于甲板载货的散货船、重吊船等舱口盖由盖板结构、止跳装置、支撑块、限位装置组成见图 盖板结构又分为顶板、端板、边板、主要支撑构件(纵桁和横梁)和加强骨材等图 舱口盖盖板结构组成为了限制航行过程中舱口盖和船体产生的垂向相对位移同时保证密性要求止跳装置必不可少 由于集装箱载荷是通过集装箱脚传递到舱口盖再经由支撑块传递到舱口围上因此支撑块通常设置在集装箱集装箱脚对应的舱口盖底板下缘限位装置主要分为定位销和横向限位装置两种 定位销可同时承受纵向和横向载荷一般布置在舱口盖艏端中
4、部根据截面形状的不同又可以分为圆形定位销和方形定位销 横向限位装置只能承受横向载荷一般布置在舱口盖艉端中部 规范计算根据 的规范要求舱口盖的规范计算载荷主要由垂向露天载荷 和水平露天载荷 组成 垂向露天载荷主要由规范船长和舱口盖纵向位置决定水平露天载荷则由规范船长、方形系数、舱口盖纵向位置及计算结构位置决定由于目标船型 规范船长大于 因此对于无保护的艏端板 /其余位置 /顶板规范要求的净板厚与垂向露天载荷、骨 年第 期赵欣等:集装箱船舱口盖结构强度计算分析船海工程第 卷材间距及材质属性有关同时板厚取值不能小于 前后端板和两侧边板的净板厚则与水平露天载荷、骨材间距及材质属性有关且板厚取值不能小于
5、 对于纵桁和横梁等主要支撑构件来说腹板净板厚仅与骨材间距有关且取值不能小于 通常在纵桁之间布置一定数量的加强骨材规范中应用垂向露天载荷从净剪切面积和净剖面模数两方面对骨材尺寸进行验证 有限元直接计算应用有限元软件建立典型货舱舱口盖的有限元模型见图 图 舱口盖有限元模型端板、边板及主要支撑构件腹板高度至少含有 个单元面板尽量用板单元表达 对于支撑块、限位装置和止跳装置的局部加强应在模型中进行简化模拟模型所有单元长宽比例不大于 对于所有计算工况模型结构尺寸应采用净尺寸一般来说腐蚀余量取值为.加载工况针对舱口盖结构进行有限元直接计算时主要采用垂向露天载荷和集装箱载荷 垂向露天载荷在规范计算时已经求得
6、结果集装箱载荷则需在考虑船舶纵摇、垂荡和横摇等运动状态时以集装箱堆垛最大设计堆重为基础进行计算集装箱船常规装载方式中舱口盖上方主要堆放 和 集装箱装载状态分为:装载、装载及混装装载 由于该船型应用 层绑扎桥结构因此混装装载时舱口盖最下方 层为 集装箱其余为 集装箱 种装载状态的堆垛最大设计堆重分别为:、和 )垂向工况 由纵摇和垂荡引起载荷作用于集装箱脚处垂向工况的集装箱载荷见表 .()()式中:为垂向加速度 为集装箱堆垛最大设计重量表 垂向工况的集装箱载荷位置 集装箱 集装箱 混装装载中间集装箱脚/端部集装箱脚/)横倾工况 由纵摇、垂荡和横摇引起载荷作用于集装箱脚处.()(.)().()(.)
7、().()式中:为集装箱堆垛重心高度 为集装箱脚中心线间距离一般取值为.参考船级社规范给出集装箱脚在垂向拉/压时的载荷极限值:为了最大程度保证舱口盖结构强度的安全性综合相关设备厂商的设计资料在垂向极限拉力的基础上留有 的安全裕度在垂向极限压力的基础上增加最下层集装箱的惯性力因此横倾工况中 和 取值如下 .().().(.)()横倾工况下集装箱载荷最终取值见表)部分装载工况除上节所述的垂向工况和横倾工况之外实 年第 期赵欣等:集装箱船舱口盖结构强度计算分析船海工程第 卷表 横倾工况的集装箱载荷位置 集装箱 集装箱 混装装载中间集装箱脚/端部集装箱脚/际营运过程中还可能出现非均匀装载状态如特定集装
8、箱堆垛位置空载状态 部分装载工况一般应用横倾工况的集装箱载荷主要分类见表 表 部分装载工况横倾方向左舷右舷 舱口盖由舱口围板支撑且最外层集装箱堆垛由舱口盖和箱柱共同支撑 综合上述载荷及工况类别有限元直接计算所需工况汇总见表 表 工况列表类别工况载荷方向露天工况垂向露天载荷垂向工况(满载)集装箱载荷 集装箱载荷混装集装箱载荷横倾工况(满载)集装箱载荷 集装箱载荷混装集装箱载荷朝右舷朝左舷朝右舷朝左舷朝右舷朝左舷部分装载工况 集装箱载荷 集装箱载荷混装集装箱载荷朝右舷朝左舷朝右舷朝左舷朝右舷朝左舷 根据舱口盖四周舾装件的固定情况在其相应位置施加边界约束 定位销可同时限制纵向和横向位移横向限位装置仅
9、限制横向位移支撑块和止跳装置限制垂向位移 值得注意的是在有限元直接计算开始之前需根据支撑块和止跳装置的受力情况判断其是否起到约束作用若受力结果与实际情况相反该位置应不作为边界条件.结果评估按照 的规范要求主要将舱口盖顶板、端板、边板、主要支撑构件及面板作为评估对象 露天工况下基于净尺寸的等效应力 应不大于.其他工况中等效应力 应不大于.其中:为材料的屈服应力/因此露天工况应力衡准值为 /其他工况应力衡准值均为 /在露天工况中各项结构应力结果均小于/该工况对整体结构强度影响较小各项结构应力结果的影响工况见表 表 各项结构应力结果结构影响工况应力云图计算值/衡准值顶板混装集装箱载荷横倾工况/端板/
10、混装集装箱载荷横倾工况混装集装箱载荷部分装载工况/边板 集装箱载荷横倾工况混装集装箱载荷横倾工况/纵桁腹板 集装箱载荷部分装载工况/横梁腹板/面板 集装箱载荷横倾工况/由此可得:具有决定性影响的工况载荷类别为 集装箱载荷和混装集装箱载荷装载工况为横倾满载和部分装载 对于中间集装箱脚来说 集装箱载荷最大主要影响横梁腹板及中间面板的结构尺寸综合比较整体载荷横倾工况下混装集装箱载荷值最大舱口盖顶板及四周结构局部区域均不满足衡准要求需要局部采用 年第 期赵欣等:集装箱船舱口盖结构强度计算分析船海工程第 卷增加板厚方式进行加强 应用 集装箱载荷进行计算的装载工况中各项结构应力结果均小于/满足规范要求采用
11、类似结构共同规范的闭合公式法进行屈曲强度评估同时考虑屈曲板格中平均正应力及剪切应力的影响露天工况中屈曲安全因子 取值.集装箱载荷工况中屈曲安全因子 取值.应用高强度钢是提高舱口盖强度的有效方法但随着高强度钢应用幅度提高使得盖板结构尺寸随之减小造成结构失稳的可能性就会增大在上述计算工况中盖板结构最大变形值来源于 集装箱载荷横倾工况主要集中在舱口盖中部区域因此在屈曲强度计算校核中顶板、边板和纵桁腹板中部局部板格屈曲安全因子大于.需通过设置加强筋的方法进行改善 屈曲校核结果见图 图 屈曲校核结果 结论)集装箱载荷作为舱口盖有限元直接计算的重要因素直接影响盖板结构的应力结果从而影响舱口盖结构重量及建造
12、成本应在规范要求的基础上着重考虑集装箱脚在拉/压状态下的极限承载能力保证载荷取值的合理性)顶板、端板和边板作为舱口盖的外围结构主要由混装集装箱载荷的横倾工况决定舱口盖中部箱脚主要受 集装箱载荷影响导致中部面板应力结果不满足衡准要求同时板格存在失稳问题需要额外加强)规范计算应用露天载荷确定盖板结构的初步尺寸但顶板、端板、边板、主要支撑构件及面板尺寸均由有限元直接计算决定参考文献 朱德龙.现代货船舱口盖发展特点.上海造船():.肖洪波姚振汗陈映秋.散货船舱口盖剩余强度.中国造船():.赵永生顾敏童周庆华.货船多块折叠式舱口盖动力学仿真分析.船舶工程():.周昌盛谭家华.侧移式舱口盖传动装置的仿真优化.造船技术():.李辉向溢.应用.进行船舶舱口盖局部强度分析.广东造船():.杨赵华吴卫国.基于共同规范的散货船舱口盖结构强度分析.交通科技():.葛新波.超大型矿砂船舱口盖的结构强度研究.上海:上海交通大学.:.(.):.:
