集装箱船船体结构极限强度研究

集装箱船船体结构极限强度研究

发表时间：2018-04-02T14:59:18.193Z 来源：《红地产》2017年7月作者：王振伟[导读] 随着社会的发展以及国民安全意识的提升，人们对船舶的安全要求逐渐提高，因此船体结构的极限强度问题渐渐出现在大众的视线之中。

一、集装箱船概述

集装箱船是目前航运界三大主力船型之一，随着世界经济的全球化，国际贸易需求量不断扩大，各国集装箱载运量不断上升，集装箱运输不断朝着集约化、大型化的方向发展。自世界上第一艘改装集装箱船于 1957 年问世以来，经过五十多年的发展，已从1000 箱以下的第一代集装箱船发展为 8 000 箱以上的第六代超大型集装箱船，甚至 18 000 箱以上的集装箱船也已投入运营。根据最新的船舶定制和建造数据，目前国内外各主要航运公司均在建造万箱以上集装箱船。与其他货运船型相比，集装箱船具有独特的线型、大开口结构以及较高的航速等特点，因此对这种船的船体结构强度进行设计时需要特别关注。

二、集装箱船船体结构极限强度的重点

2.1 水动力砰击对总强度与局部强度的影响超大型集装箱船具有较大的首外飘以及较平坦的尾部线型等特点，并且航速较高，在恶劣海况下，由于自身的大幅摇荡运动，很容易发生首尾底部以及首部舷侧外飘区域的水动力砰击现象。瞬间而剧烈的船舶砰击会使船体发生强烈的颤振现象，使船体梁非线性波浪弯矩增加而导致总强度丧失。另外，砰击最直接的作用是对局部船体的猛烈冲击而导致局部结构的损伤破坏，严重的甚至危及船舶航行安全和船员生命安全。因此，对超大型集装箱船的船体水动力砰击问题无论从总强度还是局部强度上都应给予充分的关注。目前，民船规范通常对集装箱船首底及首部舷侧大外飘区域的砰击载荷及结构加强提出了要求，但根据国际船舶力学会议 ISSC2009 及 ISSC2012 的对比研究，发现不同船级社规范对船底砰击及外飘冲击下的构件尺寸要求有很大的差别。因此，对万箱以上的超大型集装箱船的现有规范适用性问题，必须针对局部水动力砰击问题进行深入研究，以确定合理的结构强度计算校核方法，并完善现有规范体系。另外，对大型集装箱船尾部结构的砰击问题，目前规范还没有涉及，需在研究中予以解决。

2.2 波激振动与颤振导致的船体疲劳与砰击现象中的船体梁颤振不同，波激振动是在具有与船体梁一阶振动频率相近的波浪成分持续激励作用下的船体梁谐振现象。由于船体结构是一个小阻尼系统，谐振现象持续时间较长，波激振动导致的船体应力的衰减非常缓慢，从而导致严重的疲劳强度问题。低海况下，大型船舶的船体容易激起线性的波激振动；在中高海况下，船体又可能会出现非线性波激振动现象，同时砰击引起的颤振也往往会随着海况的增大而频繁发生。如果砰击事件频繁发生，将对区分波激振动还是颤振带来很大的困难。对砰击引起的颤振来说，往往是由于恶劣的海况所致，因而人们更倾向于关注其引起的船体结构的极限强度问题。而大型船舶研究波激振动现象往往也需关注其引起的结构疲劳损伤。随着集装箱的大型化，以及高强度钢的大量使用导致船体结构的柔性增加，考虑到集装箱船本身的航速较高，波激及砰击振动现象的发生概率显著增大，由此导致的疲劳效应显著增加，因此在评估集装箱船的疲劳强度时，需要对波激及砰击振动引起的疲劳损伤特别关注。目前，民船规范对船体梁强度的处理基于 IACS 的统一强度要求 UR S11，其中并没有包含颤振与波激振动导致的船体波浪载荷的增加以及船体疲劳强度问题。因此，对超大型化的集装箱船船体颤振与波激振动问题，需要船级社和研究机构共同努力解决。目前美国船级社（ABS）已就集装箱船的颤振与波激振动的预报及强度评估明确给出了相关的指导性文件，中国船级社（CCS）的相关研究工作也在进行中。

2.3 固定航线对系固惯性载荷的影响目前，集装箱船的装箱量是根据全球无限航区的海况条件进行配载和系固，海况条件是可能遭遇的最恶劣情况，而实际操作情况下，集装箱船基本为班轮运输，航线相对固定，如亚洲经太平洋到美国西海岸，亚洲经地中海到欧洲的航线等，海况条件也相对可以预报，比原设计情况下遭遇的海况和波浪条件要好，因此作用在集装箱上的惯性载荷有减少的可能。所以在其他结构强度、航行视线要求能满足的前提条件下，如何根据特定航线海况条件，制定更灵活的集装箱装载和系固方案，使得现有集装箱船在不过多改变原有结构基础上，能多装载集装箱或增加集装箱的箱重，成为在目前航运市场下的一个提高集装箱船运输效能的较好方法。由于航运市场的激烈竞争，航运公司会提出需求，希望在原有装箱量的基础上增加装箱量或提高装载量。因此，日本船级社（NK）和德国船级社（GL）等为了争取客户，纷纷提出固定航线下集装箱船增加装箱量的评估服务。中国船级社（CCS）为了适应市场需求，提高服务竞争能力，近期也开展了固定航线系固计算方法研究。

三、对集装箱船船体结构极限强度进行设计时要注意的事项

在船舶的全生命周期内，船体结构需要承担多种载荷的作用。船体的设计载荷考虑了船舶可能遭遇到的大部分载荷，但某些极端载荷超出了设计载荷的考虑范围。过去，船舶结构的设计主要是基于许用应力法，再采用简化公式校核屈曲强度。现在看来，这种线弹性的设计方法很难确定船体结构的真实安全冗余度，而基于极限状态的设计方法受到越来越广泛地关注。极限状态的设计需要明确考虑各种极限载荷工况、材料的弹塑性大变形、结构的初始几何缺陷和焊接残余应力、结构的边界条件等等。极限状态设计能够确定结构失效时的极限强度，比许用应力法给出的安全系数更加合理、更加准确。计算船体结构极限强度的主要方法包括：理想结构单元法、逐步崩溃法和非线性有限元法等等。一般通过载荷位移曲线的极值来确定船体结构的极限强度。随着船体结构高强度钢的广泛应用，船体钢板的厚度明显减薄，船舶结构的应力水平比过去明显提高。相比普通钢，高强度钢仅仅是屈服强度有所提高，它们的抗疲劳、抗腐蚀的能力并没有相应地提高。因此需要评估裂纹和腐蚀为代表的破坏因素的消极影响，分析含损伤的船舶结构的剩余极限强度。

四、结束语

集装箱船是现阶段重要的发展船舶，因为集装箱船具有强大的运输性并且运载量极大，因此此种船只的制造与研发被广泛重视。由于集装箱船的运载量特别大，因此船体结构的极限强度在集装箱船之中发挥着重要作用，它可以作为衡量集装箱船相关数据的标准，所以保障集装箱船得以发展的重要条件就是对船体极限强度进行更深层次的研究与发展，从而保障集装箱船的发展与创新。

参考文献：

[1] 高本国 . 船体极限强度与破损剩余强度非线性有限元分析 [D]. 武汉理工大学，2012.

[2] 师桂杰 . 集装箱船船体结构极限强度研究 [D]. 上海交通大学，2011.

[3] 刘维勤 , 宋学敏 , 吴卫国 , 铃木克幸 . 基于一个二维水弹塑性方法和极限强度评估的集装箱船结构优化研究（英文）[J]. 船舶力学，2017(06).