大型集装箱船船体结构设计分析_金卫东.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言现如今，不同国家和地区之间的商品及经济贸易往来日益频繁，各类商品的交易数量日益增加。各国家对大型集装箱船舶的需求量也迅速增加，对该类型船舶的质量要求持续增高。利用大型集装箱船舶运载货物，可以最大限度地实现重量大、数量多的商品在不同国家和地区之间的货物运输。作为货物运输的重要形式，海上运输的船舶具有多种类别，大型集装箱船舶作为使用率较高的运输工具，已经成为了海上运输的首要方式，是许多国家开展海上贸易的首选。大型集装箱船舶还可称为布置性船舶，该类船舶中集装箱分布较多，且具有较高的装载量，可以负载更多不同种类的商品，按照实际情况对货品进行最优化布置，能够一次性运输更大重量的货物，为相关企业带来较大的经济效益1。虽然我国集装箱船舶研究的起步时间较晚，但是研发步伐持续加快，在关键技术方面也取得了一些重大突破，各方面都在快速赶超日韩等世界先进造船国家的步伐。1 大型集装箱船设计的主要特征随着世界经济融合步伐的持续加快，各国贸易对集装箱船舶的需求量更大。因为集装箱船所具备的独特优势，使其利用频次不断地增加，成为各国海洋运输的主要形式。大型集装箱船的制造对专业技术的要求比较高，大型集装箱船船体结构设计分析金卫东（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江苏 南京 210015）摘 要：经济全球化的加速，使海洋运输产业快速发展，也为集装箱运输提供了良好的发展环境。在此背景下，建造大型集装箱船已成为趋势。与普通的杂货船相比，集装箱船的货品运输主要是以单元形式展开，具有航速快、运输便捷、以及安全性高的特点，需要以较强的结构稳定性作为保障。为了保证大型集装箱船舶的建造质量与效率，必须要全面做好前期的船体结构设计。本文主要从船体结构的专业角度出发，分析大型集装箱船船体结构设计所具备的主要特征，以期为大型集装箱船的建造提供理论参考，同时为相关人员的工作开展提供一些助益。关键词：大型集装箱船；船体结构；箱形梁设计；疲劳强度中图分类号：U674.13+1 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.010引用格式 金卫东.大型集装箱船船体结构设计分析 J.船舶物资与市场,2023,31(3):28-30.但制造成果的附加值也非常高，对此大型集装箱船的制造方式受到更多船舶生产制造企业的关注。相关企业在控制成本的同时，生产出更多优质的大型集装箱船产品，极大程度地提升了船舶企业在市场中的竞争能力。据相关调查分析可得，大型集装箱船的设计特点主要包含以下方面：1）一般来说，大型集装箱船的货舱开口通常都会比较大，这也是满足现实需要。为了从根本上提高集装箱船的整体容量，往往在开展货舱设计的过程中，将货舱的开口设计的比较大2。根据相关数据统计，大部分大型集装箱船舶的货舱都占到船体本身宽度的 80%以上，甚至有些货舱的开口占船体宽度的比例达到了 90%以上。因此，在这样的情况下，船体纵向甲板条所占据的空间就非常有限，纵向甲板条十分狭窄。船体总强度的问题值得相关人员深入研究，以此寻找出较为合理的优化方式，提升船舶运行过程中的稳定性能。2）为了保证船舶运行过程中的稳定性和安全性，大型集装箱船舶的速度并不快，船速通常保持在较为适中的数值。而以往大型集装箱船的装卸速度都非常快，港口停靠的时间比较短，船体的航速大约在 24 km/h 以上，稳而快的船速可以加强水动力对船体的助推作用。但是近年来大型集装箱船制造企业出于经济方面的考虑，为了节省更多的能源，将大型集装箱船的航速控制在 18 kn 左右的数值。收稿日期：2022-12-15作者简介：金卫东（1984-），男，本科，工程师，研究方向为船舶工程（船体）技术及项目管理。第 3 期 29 3）大型集装箱船对稳定性要求比较高。和一般的干杂货船不同，大型集装箱船是出于结果稳定性的考虑，需要重点保证箱船运输稳定。为了实现稳性目标，大型集装箱船往往会装载大量的压载水，以此提升船舶在航行过程中的安全性，减小在货物和财产方面产生损失的可能性，维护船上人员的生命安全3。4）大型集装箱船的船体刚性一般来说都比较弱。因为集装箱船自身结构的特殊性，大型集装箱船的货舱开口非常大，甲板的纵向条相对来说比较狭窄，船体的刚性不能得到完全的保证。因此，设计人员需要把船体的结构、舱口盖及其他构件发生形变的可能性考虑在内。2 大型集装箱船结构分析在海洋产业迅速发展与船舶制造技术水平不断提升的背景下，大型集装箱船的设计建造将会更加频繁，将会有更多产品投入运行，并且为海洋运输产业的发展提供保障。为了提升大型集装箱船的设计质量，需要对其船体结构的设计制造进行深度分析，进而提出优化方案。但大型集装箱船船体结构设计本身具有复杂性，在研究的过程中可能会产生许多问题，进而阻碍研究进程。对此需要设计者更加熟悉每一处的结构细节，并且以新理念和新手段去加大研究力度，进而获得有效成果。下面主要是对大型集装箱船的结构展开分析，分别从整体结构、疲劳强度、总纵强度、扭转强度、箱形梁设计等方面展开论述。2.1 整体结构分析提升大型集装箱船舶总纵强度的方法，主要是通过在舰侧设立抗扭箱与双壳舰侧结构，在舱口设计舰口纵向围板。为了保证双壳舰侧结构的稳定性，还需要在双壳舰侧结构内部使用极具稳定性的纵骨架结构4。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，在管弄处将间距设为两档肋距，在抗扭箱与舱口围板处则设为八档肋距，其余部分都设置为四档肋距。从大型集装箱船内部各组成部分的相对位置来看，机舱和上层建筑主要分布在船中部稍微靠后一点的位置，机舱内主要采用的是横向的骨架结构。从舱壁的构成要素来看，大型集装箱的舱壁主要由水密舱壁和结构舱壁等部分构成，结构舱壁可以起到很强的支撑作用，提高船体结构本身的稳定性，有效实现作为导轨的作用。同时，相关工作人员为了提高大型集装箱的防波浪能力，还需要在甲板的两侧设置阻挡波浪的挡浪板。挡浪板一般具有“又瘦又尖”的端口，可以让船体在航行的过程中更加安全。图 1 为某型号集装箱船总布置的侧面图，可以看出，大型集装箱船的整体结构比较复杂的，需要在设计的过程中考虑周全，才能实现结构设计的持续优化。2.2 疲劳强度分析疲劳强度是大型集装箱船舶结构设计中需要仔细考虑的一项内容。当船体出现裂纹等现象时，这些现象很可能是由于船舶使用率超过疲劳强度所引起的，使船舶在运行过程中产生一系列安全问题。出现这种情况的船舶应该立刻停止运行，并由相关人员负责排查问题原因，找出问题点，进行及时维修，并让工作人员对出现问题的原因进行高效处理。若想长久地降低船舶的疲劳强度，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全面的考察，才能更好地减少后期船舶运行过程中出现的问题，提高大型集装箱船舶的使用年限，保证其正常运行5。通过实际工作发现，由于大型集装箱船舶在运行过程中会受到不同方向作用力的影响，工作人员需要综合考虑整体情况，以此对船舶整体的疲劳强度进行考察，并且工作人员需要结合船舶其他部位的实际受弯曲情况，对相应的疲劳强度上限进行更加清晰地了解。在一般的情况下，弯曲较为明显的部位疲劳强度也会越大。反之，受弯曲不是非常明显的部位疲劳强度一般都比较小。2.3 总纵强度问题船舶制造企业受经济因素影响，舱口的开口设计往往较大，大型集装箱船舶的总纵强度安全问题成为相关设计工作者需要去探究并解决的难点。一般情况下，大型集装箱船舶抗扭箱的上部甲板较厚，材质也较好，一般厚度在 5060 mm 之间6。船舶其他部位的厚度大体图 1 某型号集装箱船总布置侧面图金卫东：大型集装箱船船体结构设计分析船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 30 上具有一致性，例如大型集装箱船的甲板，纵舱壁上列板等，这些部件的钢板厚度具有较高的一致性。如果想要提升船舶整体的总纵强度，就需要设计工作者提高船体结构抵抗纵向弯曲的能力，让船舶整体在受到船体的重力、浮力以及其他力的影响时，自身形成一个抵抗外在的作用力，以此减少外在因素对船舶整体运行的影响。2.4 扭转强度的计算大型集装箱船的扭转强度计算是船体结构分析的重点工作。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全面地分析与考量，相应的工作人员可以在后期运算船体的整体结构时，降低相应的工作难度。如果没有考虑扭转强度，后期工作将会出现很多问题。一般来说，大型集装箱船扭转强度的刚性，与船体的纵向抵抗箱和横向抵抗箱有着直接联系。同时，扭转强度会受到翘曲刚性的影响，船体两端对扭转强度也有较强的约束能力。要想对船舶的扭转强度进行考察，可以通过分析其他环节的工作情况，来对这一工作环节进行考察，但必须要考虑多重因素的影响才能做好这一项计算工作7。2.5 箱形梁的设计对于大型集装箱船来说，上部箱形梁的设计在船体的结构中显得比较重要，是船体设计工作者不得不重视的一项内容。上部箱形梁可以使舱内或者甲板上的集装箱在船体航行过程中对甲板产生的应力进行有效地控制，减小舱口变形的可能性，降低变形量的数值，提高船舶运行的安全性。与此同时，横向箱形梁还具有其他重要功能，例如可以为舱壁提供有效的支撑力及降低横舱壁变形的可能性。大型集装箱船下部的纵向箱形梁也有非常重要的作用，纵向箱形梁能够有效地满足双层底和双层壳结构的刚性要求，进一步提高船体抵抗变形的能力，减小大型集装箱船出现安全事故的可能性，使大型集装箱船舶的行驶更具安全性8。总体而言，船体设计工作者如果在大型集装箱船箱形梁的设计过程中综合考量部件与箱形梁的整体关系，可以从根本上提升整个船体的防变抗压能力，减少船体的结构性损失，提高大型集装箱船运行过程的安全性。这也是广大船体设计工作者必须要去深刻思考的问题。3 结语船体设计人员需要深刻理解并掌握大型集装箱船舶结构，对大型集装箱船舶的制造技术进行较全面地了解，基于此才能更高效地投入到设计工作中。我国大型集装箱船舶技术的实际水平与发达国家还存在一定差距，研究人员可通过了解船舶结构的基本知识，对大型集装箱船舶中可能存在的问题进行深度分析，同时使船舶企业能够及时跟进相应人才的培养。由此我国的大型集装箱船舶技术水平将会显著提升，彰显出较强的综合技术创新能力。本文主要通过探讨大型集装箱船舶设计所具备的主要特点，并就大型集装箱船的结构展开相关分析，进而得出大型集装箱船制造方式的优化方向，希望为我国大型集装箱船体结构设计制造的发展提供参考。参考文献：1 胡璐,吕志昊.超大型集装箱船船体精度管理研究 J.科学与信息化,2021(17):149.2 张阳,魏雷,于洋.超大型集装箱船船体生产设计标准化工时研究 J.船舶与海洋工程,2022,38(2):65-69.3 丁仕风,周利,周亚军.大型集装箱船在斜浪工况下的扭矩特征研究及结构强度分析 J.船舶力学,2021,25(6):798-807.4 王佩瑜.大型集装箱船船体结构设计制造分析 J.内燃机与配件,2018(12):60-62.5 陈磊,韩钰,陈乐昆,等.IACS 统一要求对超大型集装箱船结构设计的影响 J.船海工程,2018,47(3):64-68.6 吴小峰,张汇平.8530 箱集装箱船船体结构设计优化 J.沪东中华技术情报,2005(2):14-20.7 韩晨健,王纪祥.超大型集装箱船舱口围结构装焊关键技术研究 J.中国水运（下半月）,2020(1):5-7.8 王有成.大型集装箱船船体结构设计制造 J.船舶物资与市场,2019(11):49-50.