ＮＡＶＡＬＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥＡＮＤ ＯＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ船舶与海洋工程２０１５年第３１卷第４期（总第１０４期） ＤＯＩ：１０．１４０５６￣．ｃｎｋｉ．ｎａｏｅ．２０１５．０４．００３ 超大型集装箱船的结构设计 韩钰，陈 磊，王伟飞，虞赉 （中国船舶及海洋工程设计研究院，上海２０００１１） 摘要：近年来，集装箱船的大型化趋势日益明显。ＭＡＲＩＣ积极研发符合市场需求的超大型集装箱船，在２０１３年 成功获得了１８０００ＴＥＵ超大型集装箱船的实船设计任务。并以此船为实例阐述了集装箱船超大型化后给结构设计 带来的挑战。介绍了一种利用全船有限元直接加载规范载荷校核合成应力的计算方法，通过加集中力来拟合船体 梁所受到的弯矩、扭矩包络线。与薄壁梁理论相比，该方法的合成应力计算结果更精确，有利于优化设计。在超 大型集装箱船的舱段有限元与全船有限元分析中，规范的垂向波浪弯矩值往往比实际值小，这时需要采用直接载 荷预报的垂向波浪弯矩值进行分析。超大型集装箱船的航速较高，显著的艏部外飘，并且一阶固有频率比常规船 型低，容易引起颤振（ｗｈｉｐｐｉｎｇ）和弹振（ｓｐｒｉｎｇｉｎｇ）。应用水弹性分析，探讨了颤振和弹振对于超大型集装箱船结 构的极限强度和疲劳强度的影响。 关键词：结构设计；超大型集装箱船；水弹性；颤振；弹振；极限强度；疲劳强度 中图分类号：Ｕ６７４．１３ １．０２ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９５．４０６９（２０１５）０４．００１０．０８ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｈｉｐ ｓｉｚｅ ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｅｖｉｄｅｎｔ．ＭＡＲＩＣ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｃｔｉｖｅｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｈｉｐｓ ｉｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｍａｒｋｅｔ ｄｅｍａｎｄ，ａｎｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｔｔａｉｎｅｄ ａ ｒｅａｌ ｓｈｉｐ ｄｅｓｉｇｎ ｔａｓｋ ｏｆ １８０００ＴＥＵ ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｈｉｐ ｉｎ ２０１３．Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｉｓ ｓｈｉｐ ａｓ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｔｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｄｕｅ ｔｏ ｕｌｒａ ｌａｒｇｅ ｃｏｎｔａｉｔｎｅｒ ｓｈｉｐｓ．Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｈｕｌｌ ｇ￣ｄｅｒ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｎｏｍｉｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｎｏｄａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｅｎｖｅｌｏｐｅｓ ｏｆ ｈｕｌｌ ｇｉｒｄｅｒ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｏｒｓｉｏｎ ｍｏｍｅｎｔｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｂｅａｍ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｇｏｏｄ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｄｕｒｉｎｇ ｃａｒｇｏ ｈｏｌｄ ａｎｄ ｇｌｏｂａｌ ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｅｓ，ｔｈｅ ｒｕｌｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗａｖｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ａｒｅ ｕｎｄｅｒｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｆｏｒ ＵＬＣＳ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｗａｖｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ．ＵＬＣＳ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ，ｌａｒｇｅ ｂｏｗ ｆｌｒｅ，ａｎｄ ｌａｏｗｅｒ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｉｆｒｓｔ ｈｕｌｌ ｇｉｒｄｅｒ ｍｏｄｅ ｔｈａｎ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｈｉｐｓ，ｔｈｕｓ ｉｓ ｍｏｒｅ ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ ｔｏ ｗｈｉｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｒｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｙｄｒｏ—ｅｌａｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆｗｈｉｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｒｉｎｇｉｎｇ ｏｎ ＵＬＣＳ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｕｌｔｒａ ｌａｒｇｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｈｉｐ；ｈｙｄｒｏ—ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ；ｗｈｉｐｐｉｎｇ；ｓｐｒｉｎｇｉｎｇ；ｕｌｔｉｍａｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ０ 引言 随着达飞的１６０００ＴＥＵ和马士基的１８０００ＴＥＵ超大型集装箱船的连续交付运营，超大型集装箱船（通 常指船长＞３５０ｍ的集装箱船Ｕｌｔｒａ Ｌａｒｇｅ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ Ｓｈｉｐ，ｆＵＬＣＳ））近年逐渐成为热门船型。中国船舶及 海洋工程设计研究院（ＭＡＲＩＣ）于２０１３年获得３艘１８０００ＴＥＵ超大型集装箱船的实船订单，该船入级ＢＶ 船级社。其主要参数见表１。 表１主要参数 单位：ｍ 收稿日期：２０１４—０７—１４ 第一作者简介：韩钰，男，高级工程师，１９８０年生。２０００年毕业于华中科技大学，现从事船体结构设计工作。 韩钰，等：超大型集装箱船的结构设计 超大型集装箱船有着其他集装箱船甚至大型集装箱船（３００ｍ＜船长＜３５０ｍ的集装箱船Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ Ｓｈｉｐ，ｆＶＬＣＳ））所没有的显著特点，这些特点将影响和制约着结构设计。 １ 总强度 超大型集装箱船有着显著的大开口特性，并伴随着很大的中拱弯矩。在中横剖面设计过程中，在满足 总纵弯曲强度的同时，剖面最小惯性矩的要求也不可忽视。 对于计算船长＞３５０ｍ的船舶，ＢＶ和大部分船级社的要求和ＩＡＣＳ ＵＲＳ１ １是一致的，只有ＧＬ在波浪 系数Ｃ的选取上与其他船级社略有差异。 下式为ＢＶ和ＩＡＣＳ的波浪系数公式，式中 为结构计算船长： Ｃ＝１０．７５ Ｃ＝１０．７５－３００ ３５０ｍ （Ｌ－１５３０５０］… ／ ＞３５０ｍ［１］ Ｌ＞３５０ｍ［２］ 下式为ＧＬ的波浪系数公式，式中 为结构计算船长： Ｃ：ｌ０．７５ 对比两者的公式可以发现，ＧＬ对于计算船长大于３５０ｍ，波浪系数没有折减。 由于集装箱船大开口的特点，在满足总纵强度的前提下，还必须进行弯扭合成应力的校核。各个船级 社对于船体梁载荷概率水平也不一样，大部分船级社在合成应力校核时基于１０一，ＧＬ基于ｌ０～。各个船级 社对于弯扭合成应力计算中的扭矩公式，各个应力分项的系数，合成应力的方法以及应力的衡准都略有差 异。 ＢＶ的Ｍａｒｓ２０００软件，提供了基于薄壁梁理论的弯扭合成应力的计算方法，将整个船体从机舱前端壁 至防撞舱壁之间的货舱区域模拟成一根变截面梁。考虑到双岛的影响，计算中分成上建前和上建后两个模 型，两个模型中对于上建的约束作了不同的处理，最后分别计算各个剖面由于扭矩引起的翘曲应力。 一般来说，最大扭矩发生在船舶斜浪航行的海况下，垂向波浪弯矩是不可能与水平弯矩和扭矩同时达 到最大值的。在计算合成应力时，ＢＶ规范取４０％的最大垂向波浪弯矩值。表２为ＢＶ弯扭合成应力的组 合系数。 表２ ＢＶ规范计算合成应力时弯矩组合系数 对于超大型集装箱船特别是双岛型船型，薄壁梁理论的计算结果， 有时会导致船体舭部等合成应力较 高的区域板厚增加很多。考虑这些区域的外板为双曲面的板材， 太厚的板不利于加工，同时为了优化设计，则可以采用直接在全 船有限元模型上直接加载规范载荷进行弯扭合成应力分析。 根据表２，集装箱船全船有限元合成应力分析中加载的载荷， 主要考虑垂向弯矩、水平弯矩和扭矩，其中垂向弯矩包括静水弯 矩和波浪弯矩，扭矩包含静水扭矩和波浪扭矩。全船有限元模型 中，在沿船长方向的一系列纵向节点上仅加载节点力或力偶，通 过编程计算各个节点力、力偶的大小来模拟船体梁载荷沿船长的 晰 分布。最终依据表２的组合系数将各个分项合成，进行应力校核【３】。 图１扭矩施加示意 这种方法不仅可以看单个弯矩在船体梁上的纵向应力分项，对于合成的纵向应力也是一目了然。其结 韩钰，等：超大型集装箱船的结构设计 １５ ４颤振和弹振 超大型集装箱船由于船长＞３５０ｍ，一阶自然频率通常＜０．５Ｈｚ，船体的刚度相对较低，并且有较大的 艏部外飘；集装箱船的航速较高，与波浪的遭遇频率较易于接近船体自振频率，容易引起颤振和弹振。 颤振（Ｗｈｉｐｐｉｎｇ）是由于冲击载荷，造成船体梁瞬间的响应，使船体总纵弯矩增加。一般情况下，颤 振是由艏部拍击、船首底砰击产生的，但有时船尾部砰击也会引起强烈的颤振。通常情况下，颤振响应由 于阻尼的影响在波浪的几个周期内会迅速衰减［６］，颤振持续的时间较短，一般为０．５～２ Ｓ【７ Ｊ，但对船体梁的 极限强度影响较大。 弹振（Ｓｐｒｉｎｇｉｎｇ）是由波浪引起的船体梁振动响应。当船体梁固有频率与波浪遭遇频率接近时更易产 生。相对于颤振而言，弹振响应所持续的时间会更长，对船体结构的疲劳强度影响较大。 颤振分析是基于非线性水弹性方法，在时域中进行，航速取５１（１１，基于北大西洋波浪散布图谱，１０ 载荷概率水平［５］。通过计算，各个剖面的垂向波浪弯矩的设计值见图７。船体剖面的极限强度由Ｍａｒｓ２０００ 软件得到，不同于常规规范极限强度校核，用于颤振极限强度校核时，船体构件只扣除１／２腐蚀余量。根 据规范要求，还需要考虑１．１的安全系数。船体梁极限强度校核见图８。 －．ｏ．－线型中拱一非线性中垂 —一线型中垂 一非线性中垂 一非线性中拱（含砰击压力）－－ｏ．－非线性中垂（含砰击压力） ，Ｊ 一 ＝＝ ？＿－－＇ ． ・．． 拿 堇 舯 ／． ． ｌ ‘ 、 １ ）Ｏ １ ；０ ２Ｉ ｌＯ ２ ；０ ３１ ３： ０ ４Ｉ ． ， ／。 ／ 。厦 ＼、＝＝ ■＿一一 ＝：； ‘ 位置 图７线性、非线性垂向波浪弯矩长期预报值 超大型集装箱船由于船体固有频率较低，弹振对于构件疲劳寿命的影响显而易见。弹振的响应在垂向 波浪弯矩的２阶振动时达到最大 】。有研究表明， 弹振能减少构件、节点的疲劳寿命平均达 ３０％￣４０％；对个别关键节点，弹振对疲劳寿命的影 —◆一船体梁中拱极限强度＋船体梁中垂极限强度 ＋垂向弯矩中拱极限值—÷÷－垂向弯矩中垂极限值 响更大，有的甚至达到７０％。由于颤振发生的瞬时 ｌ — 晕 ： ・性，颤振对于疲劳的影响，业内尚存在不同意见， 该船节点的疲劳寿命分析仅考虑弹振的影响。 弹振发生的海况没有颤振恶劣，所以速度的影 堇 钟 匠 ） ５０ ｌ００ １５０ ２００ ．．＼２５０ × １ ３００ ． ３： ＼一一二 ……一．・ＪｒＩ一 响更明显。弹振分析是基于线性水弹性方法，在频 域中进行，航速取０．６倍的最大航速，基于全球波 浪散布图谱Ｌ７ Ｊ。 位置 图８船体梁的极限强度校核（极限弯矩已包含安全系数） 弹振计算包含由于船体结构振动而引起的变 形。在进行水弹性弹振计算时，先要进行模态分析， 在得到船体梁的振型之后，将振型投射到水动力网格 １６ 船舶与海洋工程２０１５年第４期 上进行水弹性波浪载荷计算，之后将波浪载荷与结构的动态响应进行组合，得到最终的结果。分别计算了 船体梁前五阶干模态和湿模态，计算结果见表７。 袁７各阶模态干模态和湿模态的固有频率／（。）－Ｓ。 该船有ＢＶ船级社的ＷｈｉＳｐ２船级符号，根据规范要求，需要满足疲劳寿命２８ａ（考虑线性弹振的影 响）。选取约１２２个典型节点，节点覆盖整船所有疲劳关键区域。分别计算了各个节点的准静态（不考虑 弹振的影响）和水弹性（考虑弹振的影响）的疲劳寿命。 部分节点的热点应力传递函数见图９。图中曲线分别为不计弹振效应（刚体准静态）的应力传递函数、 弹振效应引起的应力传递函数以及合成的应力传递函数。从结果可以看出，在高频区域，弹振效应引起的 应力响应与刚体应力响应相比，增Ｄｌ：ｌｔｂ－常显著。图ｌ０中还显示了在疲劳谱分析计算时，各个浪向和海况 对节点总的疲劳累积损伤的贡献。基于这结果，对于疲劳寿命没有达到要求的节点需要进行节点设计改进 的时候，可以通过利用某一浪向下的设计波进行检验不同的设计方案，以减小计算量并快速得到可满足疲 劳寿命要求的节点形式。 １４０ ＋合成值 １２０ ＿＊弹插 贡献值 Ｘ刚体准静态值 ｉ 『、 １００ 专 砉 墨 ４０ 广７ ／ ‘ ／｜ 一 ｉ １．８ ２０ ， ．｜ｊ ＼ 。．警—■ ．０ Ｉ—．■ —，一 ｒ —． 入× ０４ ０．６ ０．８ １．０ １．２ １．４ １．６ 波浪频率／ｆ。１ Ｓ。 图９ ＦＲ８４一Ｆｒ９４机舱甲板开口处热点应力传递函数 在结构设计过程中，对于疲劳寿命无法满足要求的节点，须作改进优化，再重新计算，直到疲劳寿命 满足要求为止。但是，基于弹振的疲劳谱分析方法计算量巨大，成本极高而且非常耗时，无法进行大量方 案的对比计算。所以需要找到合适的简化方法来考察节点的疲劳强度特性，如节点应力水平和应力集中系 数等。机舱区域“Ｔ”型平台的前后节点都处于结构形式的突变处，应力集中现象较为严重，普通的节点 形式很难满足疲劳寿命要求。 由于这两个节点分别处于机舱与前后货舱的交界处，位于纵舱壁和横舱壁的交点，扭矩对此类节点的 疲劳强度起决定性的作用，所以可以利用以扭矩为主的６０ｏ和１２０。浪向下的设计波，来计算两个节点处的 应力水平与应力分布。在计算时采用了子模型的方法，无需对整船模型重新计算。先定义子模型边界上与 全船模型上的主从节点，将全船模型的变形传递到子模型上作为边界条件进行计算。结果见下表。 韩钰，等：超大型集装箱船的结构设计 １７ 圆弧＋椭圆弧 ３６３．７ ３５７．９ ３４２．１ ８ ９ １４ 圆弧＋椭圆（加局部桁材） 圆弧＋圆弧 圆弧＋椭圆弧 圆弧＋圆弧 ６ 圆弧＋圆弧 ３００．４ ２９７．９ １９ １９ ２９８．２ ２８ 由表８可知，随着热点应力的降低，疲劳寿命一般会提高。但这并不绝对，如节点１中的方案４～方案 ６。热点应力只能代表特定海况单一浪向下的应力值，由图１０可知，对疲劳起贡献作用的是一定范围内的 海况和浪向的组合。 最终所有节点的疲劳寿命均达到２８ａ（含弹振的影响），若仅考虑刚体结构响应（不含弹振的影响）， 上述节点１、节点２的疲劳寿命均远远大于４０ａ，由此可见，弹振对于关键区域节点的疲劳寿命影响非常 大。 颤振和弹振的分析计算过程中，依据它们各自不同的现象起源，假定它们不会同时出现【７ Ｊ，分别进行 计算而不考虑它们之间的影响。通常，颤振影响船体的极限承载能力，弹振对结构的疲劳寿命影响较大。 ５结语 １８０００ＴＥＵ是国内第一艘自主研发设计的超大型集装箱船，除常规的结构分析计算外，还进行了基于 水弹性的颤振和弹振分析，各项技术指标达到设计要求。 超大型集装箱船由于相对较高的航速，大开口，且Ｌ＞３５０ｍ，并伴有明显的艏部外飘，因此一阶固 有频率很低，与遭遇的波浪频率接近，容易产生颤振和弹振现象，易对船体结构造成破坏。相对于其他集 装箱船乃至大型集装箱船，超大型集装箱船的结构设计中应注意以下几点： １１在总强度计算中，有时需要通过直接计算来优化构件尺寸； ２ 舱段和全船有限元有时仅仅依据规范的弯矩值不能满足设计要求，需要采用线性或非线性载荷分析 的弯矩值； ３）颤振和弹振对于超大型集装箱船的影响非常明显，对船体结构的极限强度和疲劳强度的影响较大。 【参考文献】 ［１］ＢＶ．Ｒｕｌｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ ｓｈｉｐｓ［Ｓ］．２０１３． ［２】ＧＬ．Ｒｕｌｅｓ ｏｒｆ Ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｓ］．２０１３． ［３］ＤＮＶ．Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆＨｕｌｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ Ｓｈｉｐｓ［Ｓ］．２０１ １． ［４］ＢＶ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆＣｏｎｔａｉｎｅｒ ＳｈｉｐｓｉＳ］．２００８． ［５】ＢＶ．Ｕｌｔｒａ Ｌａｒｇｅ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ Ｓｈｉｐｓ［Ｓ］．２０１０． ［６］Ｎｉｇｅｌ Ｗｈｉｔｅ，Ｚｈｅｎｈｏｎｇ ｗａｎｇ，Ｙｏｎｇｗｏｎ Ｌｅｅ．Ｇｕｉｄａｎｃｅ Ｎｏｔｅｓ ｏｎ Ｗｈｉｐｐｉｎｇ ａｎｄ Ｓｐｒｉｎｇｉｎｇ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ［Ｒ］，ＩＭＤＣ．２０１２ 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