集裝箱船船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究

1、 集裝箱船船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究 集裝箱船是目前航運(yùn)界三大主力船型之一，隨著世界經(jīng)濟(jì)的全球化，國(guó)際貿(mào)易需求量不斷擴(kuò)大，各國(guó)集裝箱載運(yùn)量不斷上升，集裝箱運(yùn)輸不斷朝著集約化、大型化的方向發(fā)展。自世界上第一艘改裝集裝箱船于1957年問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，已從1000箱以下的第一代集裝箱船發(fā)展為8000箱以上的第六代超大型集裝箱船，甚至18000箱以上的集裝箱船也已投入運(yùn)營(yíng)。根據(jù)最新的船舶定制和建造數(shù)據(jù)，目前國(guó)內(nèi)外各主要航運(yùn)公司均在建造萬(wàn)箱以上集裝箱船。與其他貨運(yùn)船型相比，集裝箱船具有獨(dú)特的線(xiàn)型、大開(kāi)口結(jié)構(gòu)以及較高的航速等特點(diǎn)，因此對(duì)這種船的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要特別關(guān)注。二、集裝箱船船體結(jié)

2、構(gòu)極限強(qiáng)度的重點(diǎn)2.1水動(dòng)力砰擊對(duì)總強(qiáng)度與局部強(qiáng)度的影響超大型集裝箱船具有較大的首外飄以及較平坦的尾部線(xiàn)型等特點(diǎn)，并且航速較高，在惡劣海況下，由于自身的大幅搖蕩運(yùn)動(dòng)，很容易發(fā)生首尾底部以及首部舷側(cè)外飄區(qū)域的水動(dòng)力砰擊現(xiàn)象。瞬間而劇烈的船舶砰擊會(huì)使船體發(fā)生強(qiáng)烈的顫振現(xiàn)象，使船體梁非線(xiàn)性波浪彎矩增加而導(dǎo)致總強(qiáng)度喪失。另外，砰擊最直接的作用是對(duì)局部船體的猛烈沖擊而導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)的損傷破壞，嚴(yán)重的甚至危及船舶航行安全和船員生命安全。因此，對(duì)超大型集裝箱船的船體水動(dòng)力砰擊問(wèn)題無(wú)論從總強(qiáng)度還是局部強(qiáng)度上都應(yīng)給予充分的關(guān)注。目前，民船規(guī)范通常對(duì)集裝箱船首底及首部舷側(cè)大外飄區(qū)域的砰擊載荷及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)提出了要求，但

3、根據(jù)國(guó)際船舶力學(xué)會(huì)議ISSC2009及ISSC2012的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)不同船級(jí)社規(guī)范對(duì)船底砰擊及外飄沖擊下的構(gòu)件尺寸要求有很大的差別。因此，對(duì)萬(wàn)箱以上的超大型集裝箱船的現(xiàn)有規(guī)范適用性問(wèn)題，必須針對(duì)局部水動(dòng)力砰擊問(wèn)題進(jìn)行深入研究，以確定合理的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算校核方法，并完善現(xiàn)有規(guī)范體系。另外，對(duì)大型集裝箱船尾部結(jié)構(gòu)的砰擊問(wèn)題，目前規(guī)范還沒(méi)有涉及，需在研究中予以解決。2.2波激振動(dòng)與顫振導(dǎo)致的船體疲勞與砰擊現(xiàn)象中的船體梁顫振不同，波激振動(dòng)是在具有與船體梁一階振動(dòng)頻率相近的波浪成分持續(xù)激勵(lì)作用下的船體梁諧振現(xiàn)象。由于船體結(jié)構(gòu)是一個(gè)小阻尼系統(tǒng)，諧振現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，波激振動(dòng)導(dǎo)致的船體應(yīng)力的衰減非常緩慢，從

4、而導(dǎo)致嚴(yán)重的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題。低海況下，大型船舶的船體容易激起線(xiàn)性的波激振動(dòng)；在中高海況下，船體又可能會(huì)出現(xiàn)非線(xiàn)性波激振動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)砰擊引起的顫振也往往會(huì)隨著海況的增大而頻繁發(fā)生。如果砰擊事件頻繁發(fā)生，將對(duì)區(qū)分波激振動(dòng)還是顫振帶來(lái)很大的困難。對(duì)砰擊引起的顫振來(lái)說(shuō)，往往是由于惡劣的海況所致，因而人們更傾向于關(guān)注其引起的船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度問(wèn)題。而大型船舶研究波激振動(dòng)現(xiàn)象往往也需關(guān)注其引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷。隨著集裝箱的大型化，以及高強(qiáng)度鋼的大量使用導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)的柔性增加，考慮到集裝箱船本身的航速較高，波激及砰擊振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生概率顯著增大，由此導(dǎo)致的疲勞效應(yīng)顯著增加，因此在評(píng)估集裝箱船的疲勞強(qiáng)度時(shí)，需要對(duì)波

5、激及砰擊振動(dòng)引起的疲勞損傷特別關(guān)注。目前，民船規(guī)范對(duì)船體梁強(qiáng)度的處理基于IACS的統(tǒng)一強(qiáng)度要求URS11，其中并沒(méi)有包含顫振與波激振動(dòng)導(dǎo)致的船體波浪載荷的增加以及船體疲勞強(qiáng)度問(wèn)題。因此，對(duì)超大型化的集裝箱船船體顫振與波激振動(dòng)問(wèn)題，需要船級(jí)社和研究機(jī)構(gòu)共同努力解決。目前美國(guó)船級(jí)社（ABS）已就集裝箱船的顫振與波激振動(dòng)的預(yù)報(bào)及強(qiáng)度評(píng)估明確給出了相關(guān)的指導(dǎo)性文件，中國(guó)船級(jí)社（CCS）的相關(guān)研究工作也在進(jìn)行中。2.3固定航線(xiàn)對(duì)系固慣性載荷的影響目前，集裝箱船的裝箱量是根據(jù)全球無(wú)限航區(qū)的海況條件進(jìn)行配載和系固，海況條件是可能遭遇的最?lèi)毫忧闆r，而實(shí)際操作情況下，集裝箱船基本為班輪運(yùn)輸，航線(xiàn)相對(duì)固定，如亞洲

6、經(jīng)太平洋到美國(guó)西海岸，亞洲經(jīng)地中海到歐洲的航線(xiàn)等，海況條件也相對(duì)可以預(yù)報(bào)，比原設(shè)計(jì)情況下遭遇的海況和波浪條件要好，因此作用在集裝箱上的慣性載荷有減少的可能。所以在其他結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、航行視線(xiàn)要求能滿(mǎn)足的前提條件下，如何根據(jù)特定航線(xiàn)海況條件，制定更靈活的集裝箱裝載和系固方案，使得現(xiàn)有集裝箱船在不過(guò)多改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，能多裝載集裝箱或增加集裝箱的箱重，成為在目前航運(yùn)市場(chǎng)下的一個(gè)提高集裝箱船運(yùn)輸效能的較好方法。由于航運(yùn)市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，航運(yùn)公司會(huì)提出需求，希望在原有裝箱量的基礎(chǔ)上增加裝箱量或提高裝載量。因此，日本船級(jí)社（NK）和德國(guó)船級(jí)社（GL）等為了爭(zhēng)取客戶(hù)，紛紛提出固定航線(xiàn)下集裝箱船增加裝箱量的評(píng)估服

7、務(wù)。中國(guó)船級(jí)社（CCS）為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，提高服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)能力，近期也開(kāi)展了固定航線(xiàn)系固計(jì)算方法研究。三、對(duì)集裝箱船船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要注意的事項(xiàng)在船舶的全生命周期內(nèi)，船體結(jié)構(gòu)需要承擔(dān)多種載荷的作用。船體的設(shè)計(jì)載荷考慮了船舶可能遭遇到的大部分載荷，但某些極端載荷超出了設(shè)計(jì)載荷的考慮范圍。過(guò)去，船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是基于許用應(yīng)力法，再采用簡(jiǎn)化公式校核屈曲強(qiáng)度?，F(xiàn)在看來(lái)，這種線(xiàn)彈性的設(shè)計(jì)方法很難確定船體結(jié)構(gòu)的真實(shí)安全冗余度，而基于極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法受到越來(lái)越廣泛地關(guān)注。極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)需要明確考慮各種極限載荷工況、材料的彈塑性大變形、結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷和焊接殘余應(yīng)力、結(jié)構(gòu)的邊界條件等等。極限狀態(tài)設(shè)

8、計(jì)能夠確定結(jié)構(gòu)失效時(shí)的極限強(qiáng)度，比許用應(yīng)力法給出的安全系數(shù)更加合理、更加準(zhǔn)確。計(jì)算船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的主要方法包括：理想結(jié)構(gòu)單元法、逐步崩潰法和非線(xiàn)性有限元法等等。一般通過(guò)載荷位移曲線(xiàn)的極值來(lái)確定船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。隨著船體結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度鋼的廣泛應(yīng)用，船體鋼板的厚度明顯減薄，船舶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平比過(guò)去明顯提高。相比普通鋼，高強(qiáng)度鋼僅僅是屈服強(qiáng)度有所提高，它們的抗疲勞、抗腐蝕的能力并沒(méi)有相應(yīng)地提高。因此需要評(píng)估裂紋和腐蝕為代表的破壞因素的消極影響，分析含損傷的船舶結(jié)構(gòu)的剩余極限強(qiáng)度。四、結(jié)束語(yǔ)集裝箱船是現(xiàn)階段重要的發(fā)展船舶，因?yàn)榧b箱船具有強(qiáng)大的運(yùn)輸性并且運(yùn)載量極大，因此此種船只的制造與研發(fā)被廣泛重視。由于集裝箱船的運(yùn)載量特別大，因此船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度在集裝箱船之中發(fā)揮著重要作用，它可以作為衡量集裝箱船相關(guān)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，所以保障集裝箱船得以發(fā)展的重要條件就是對(duì)船體極限強(qiáng)度進(jìn)行更深層次的研究與發(fā)展，從而保障集裝箱船的發(fā)展與創(chuàng)新。Reference：1高本國(guó).船體極限強(qiáng)度與破損