集裝箱船艙口蓋結(jié)構(gòu)強度計算分析

趙欣,朱庭國,高茜

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

集裝箱艙口蓋的結(jié)構(gòu)強度對于貨運安全乃至海上人員安全都至關(guān)重要。集裝箱船艙口蓋一般采用吊離式艙口蓋,吊離式艙口蓋借助于鋼絲繩、套環(huán)、卸扣、眼板等索具,由船上或岸上起重機吊離,可放于船上或碼頭上[1]。隨著船舶的大型化和艙口蓋功能的多樣化,艙口蓋的結(jié)構(gòu)強度問題越來越受到設(shè)計方、建造方及相關(guān)學(xué)者的重視[2-6]?？紤]以我司自主研發(fā)的9 200 TEU集裝箱船為基礎(chǔ),以中間典型貨艙的艙口蓋為對象,從結(jié)構(gòu)形式、規(guī)范計算和有限元直接計算三方面入手開展艙口蓋結(jié)構(gòu)強度計算分析,根據(jù)蓋板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平和屈曲安全因子,評估20 ft、40 ft及混裝三種裝載情況下各工況對艙口蓋結(jié)構(gòu)強度的影響,為后續(xù)自主研發(fā)設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 艙口蓋結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)載荷和用途情況,艙口蓋結(jié)構(gòu)類型一般分為:敞開式框架結(jié)構(gòu)、半箱體半敞開式結(jié)構(gòu)和密閉箱體結(jié)構(gòu)[7],敞開式結(jié)構(gòu)多用于載荷較小的集裝箱船和散貨船,半箱體半敞開式結(jié)構(gòu)多用于載荷較大的集裝箱船,密閉箱體結(jié)構(gòu)多用于甲板載貨的散貨船、重吊船等。

艙口蓋由蓋板結(jié)構(gòu)、止跳裝置、支撐塊、限位裝置組成,見圖1。蓋板結(jié)構(gòu)又分為頂板、端板、邊板、主要支撐構(gòu)件(縱桁和橫梁)和加強骨材等。

圖1 艙口蓋蓋板結(jié)構(gòu)組成

為了限制航行過程中艙口蓋和船體產(chǎn)生的垂向相對位移,同時保證密性要求,止跳裝置必不可少。由于集裝箱載荷是通過集裝箱腳傳遞到艙口蓋,再經(jīng)由支撐塊傳遞到艙口圍上,因此支撐塊通常設(shè)置在集裝箱集裝箱腳對應(yīng)的艙口蓋底板下緣。

限位裝置主要分為定位銷和橫向限位裝置兩種。定位銷可同時承受縱向和橫向載荷,一般布置在艙口蓋艏端中部,根據(jù)截面形狀的不同又可以分為圓形定位銷和方形定位銷。橫向限位裝置只能承受橫向載荷,一般布置在艙口蓋艉端中部。

2 規(guī)范計算

根據(jù)UR S21A[8]的規(guī)范要求,艙口蓋的規(guī)范計算載荷主要由垂向露天載荷PH和水平露天載荷PA組成。垂向露天載荷主要由規(guī)范船長和艙口蓋縱向位置決定,水平露天載荷則由規(guī)范船長、方形系數(shù)、艙口蓋縱向位置及計算結(jié)構(gòu)位置決定。由于目標(biāo)船型9 200 TEU規(guī)范船長大于250 m,因此對于無保護的艏端板PAmin=50 kN/m2,其余位置PAmin=25 kN/m2。

頂板規(guī)范要求的凈板厚與垂向露天載荷、骨材間距及材質(zhì)屬性有關(guān),同時板厚取值不能小于6 mm。前后端板和兩側(cè)邊板的凈板厚則與水平露天載荷、骨材間距及材質(zhì)屬性有關(guān),且板厚取值不能小于5 mm。對于縱桁和橫梁等主要支撐構(gòu)件來說,腹板凈板厚僅與骨材間距有關(guān),且取值不能小于5 mm。通常在縱桁之間布置一定數(shù)量的加強骨材,規(guī)范中應(yīng)用垂向露天載荷,從凈剪切面積和凈剖面模數(shù)兩方面對骨材尺寸進行驗證。

3 有限元直接計算

應(yīng)用有限元軟件建立典型貨艙艙口蓋的有限元模型見圖2。

圖2 艙口蓋有限元模型

端板、邊板及主要支撐構(gòu)件腹板高度至少含有3個單元,面板盡量用板單元表達。對于支撐塊、限位裝置和止跳裝置的局部加強應(yīng)在模型中進行簡化模擬,模型所有單元長寬比例不大于1∶4,對于所有計算工況模型結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)采用凈尺寸,一般來說腐蝕余量取值為1.0。

3.1 加載工況

針對艙口蓋結(jié)構(gòu)進行有限元直接計算時主要采用垂向露天載荷和集裝箱載荷。垂向露天載荷在規(guī)范計算時已經(jīng)求得結(jié)果,集裝箱載荷則需在考慮船舶縱搖、垂蕩和橫搖等運動狀態(tài)時,以集裝箱堆垛最大設(shè)計堆重為基礎(chǔ)進行計算。

集裝箱船常規(guī)裝載方式中艙口蓋上方主要堆放20和40 ft集裝箱,裝載狀態(tài)分為:20 ft裝載、40 ft裝載及混裝裝載。由于該船型應(yīng)用3層綁扎橋結(jié)構(gòu),因此混裝裝載時艙口蓋最下方3層為20 ft集裝箱,其余為40 ft集裝箱。3種裝載狀態(tài)的堆垛最大設(shè)計堆重分別為:90、160和220 t。

1)垂向工況。由縱搖和垂蕩引起,載荷作用于集裝箱腳處,垂向工況的集裝箱載荷見表1。

表1 垂向工況的集裝箱載荷

(1)

式中:aV為垂向加速度;M為集裝箱堆垛最大設(shè)計重量。

2)橫傾工況。由縱搖、垂蕩和橫搖引起,載荷作用于集裝箱腳處。

(2)

(3)

BY=2.4×M

(4)

式中:hm為集裝箱堆垛重心高度;b為集裝箱腳中心線間距離,一般取值為2.259 m。

參考船級社規(guī)范[9]給出集裝箱腳在垂向拉/壓時的載荷極限值:

Ftension=250 kN;Fcompression=942 kN。

為了最大程度保證艙口蓋結(jié)構(gòu)強度的安全性,綜合相關(guān)設(shè)備廠商的設(shè)計資料,在垂向極限拉力的基礎(chǔ)上留有10%的安全裕度,在垂向極限壓力的基礎(chǔ)上增加最下層集裝箱的慣性力,因此橫傾工況中AZ和BZ取值如下。

AZ≤Ftension×1.1

(5)

BZ≤Fcompression+

(6)

橫傾工況下集裝箱載荷最終取值見表2。

表2 橫傾工況的集裝箱載荷

3)部分裝載工況

除上節(jié)所述的垂向工況和橫傾工況之外,實際營運過程中還可能出現(xiàn)非均勻裝載狀態(tài),如特定集裝箱堆垛位置空載狀態(tài)。部分裝載工況一般應(yīng)用橫傾工況的集裝箱載荷,主要分類見表3。

表3 部分裝載工況

綜合上述載荷及工況類別,有限元直接計算所需工況匯總見表4。

表4 工況列表

根據(jù)艙口蓋四周舾裝件的固定情況,在其相應(yīng)位置施加邊界約束。定位銷可同時限制縱向和橫向位移,橫向限位裝置僅限制橫向位移,支撐塊和止跳裝置限制垂向位移。值得注意的是,在有限元直接計算開始之前需根據(jù)支撐塊和止跳裝置的受力情況判斷其是否起到約束作用,若受力結(jié)果與實際情況相反,該位置應(yīng)不作為邊界條件。

3.2 結(jié)果評估

按照UR S21A的規(guī)范要求,主要將艙口蓋頂板、端板、邊板、主要支撐構(gòu)件及面板作為評估對象。露天工況下基于凈尺寸的等效應(yīng)力σV應(yīng)不大于0.9ReH,其他工況中等效應(yīng)力σV應(yīng)不大于0.8ReH。

其中:ReH為材料的屈服應(yīng)力,355 N/mm2,因此露天工況應(yīng)力衡準(zhǔn)值為284 N/mm2,其他工況應(yīng)力衡準(zhǔn)值均為319 N/mm2。

在露天工況中各項結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果均小于150 N/mm2,該工況對整體結(jié)構(gòu)強度影響較小。各項結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果的影響工況見表5。

表5 各項結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

由此可得:具有決定性影響的工況載荷類別為20 ft集裝箱載荷和混裝集裝箱載荷,裝載工況為橫傾滿載和部分裝載。對于中間集裝箱腳來說,20 ft集裝箱載荷最大,主要影響橫梁腹板及中間面板的結(jié)構(gòu)尺寸;綜合比較整體載荷,橫傾工況下混裝集裝箱載荷值最大,艙口蓋頂板及四周結(jié)構(gòu)局部區(qū)域均不滿足衡準(zhǔn)要求,需要局部采用增加板厚方式進行加強。應(yīng)用40 ft集裝箱載荷進行計算的裝載工況中各項結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果均小于319 N/mm2,滿足規(guī)范要求。

采用類似結(jié)構(gòu)共同規(guī)范[10]的閉合公式法進行屈曲強度評估,同時考慮屈曲板格中平均正應(yīng)力及剪切應(yīng)力的影響,露天工況中屈曲安全因子S取值0.8,集裝箱載荷工況中屈曲安全因子S取值0.9。

應(yīng)用高強度鋼是提高艙口蓋強度的有效方法,但隨著高強度鋼應(yīng)用幅度提高,使得蓋板結(jié)構(gòu)尺寸隨之減小,造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的可能性就會增大。在上述計算工況中蓋板結(jié)構(gòu)最大變形值來源于20 ft集裝箱載荷橫傾工況,主要集中在艙口蓋中部區(qū)域,因此在屈曲強度計算校核中,頂板、邊板和縱桁腹板中部局部板格屈曲安全因子大于0.9,需通過設(shè)置加強筋的方法進行改善。屈曲校核結(jié)果見圖3。

圖3 屈曲校核結(jié)果

4 結(jié)論

1)集裝箱載荷作為艙口蓋有限元直接計算的重要因素,直接影響蓋板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果,從而影響艙口蓋結(jié)構(gòu)重量及建造成本,應(yīng)在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上著重考慮集裝箱腳在拉/壓狀態(tài)下的極限承載能力,保證載荷取值的合理性。

2)頂板、端板和邊板作為艙口蓋的外圍結(jié)構(gòu),主要由混裝集裝箱載荷的橫傾工況決定,艙口蓋中部箱腳主要受20 ft集裝箱載荷影響,導(dǎo)致中部面板應(yīng)力結(jié)果不滿足衡準(zhǔn)要求,同時板格存在失穩(wěn)問題,需要額外加強。

3)規(guī)范計算應(yīng)用露天載荷確定蓋板結(jié)構(gòu)的初步尺寸,但頂板、端板、邊板、主要支撐構(gòu)件及面板尺寸均由有限元直接計算決定。