田明浩
江南造船（集团）有限责任公司 上海市 201913
摘要：近年来，集装箱船的大型化趋势日益明显。现大型箱船为船为实例阐述集装箱船超大型化后给结构设计带来的挑战。介绍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：集装箱船；结构特点；建造方针
1.集装箱船的结构特点
（1）采用垂向直壁式结构，货舱口宽度几乎和货舱宽度一样大，舷边只留很小宽度的甲板边板；
（2）集装箱船货舱区域的舷侧都具有双层壳板，其货舱载货的有效宽度和货舱宽度差不多。内舷侧纵壁对甲板大开口造成的总纵强度的削弱做了补偿。此外，舷边舱还能提高船体的抗沉性和用作压载水舱；
（3）集装箱船甲板外飘、航速快，船体受到波浪的冲击力比较大，造成的冲荡应力也比较大，加上总纵合成应力也比较大，所以船体内结构所受的弯矩值也就大，所选取的构件尺寸也较大；
（4）为了装更多的集装箱，集装箱船通常设计成大的货舱开口和狭长的甲板条船舶，这使得船体的水平弯曲、扭转效应、横向强度在其总纵强度中所占的比例明显上升，舱口角隅处也会有明显的应力集中；
（5）为了获得更大的空间，装更多的集装箱，集装箱船的艏部线型往往外飘很严重，并且舷侧肋骨与外板夹角也很小。
2.超大型集装箱船的设计优化
针对超大型集装箱船自身的性能特点，考虑到船东对此类船型的营运要求，建议对超大型集装箱船进行全面的设计优化，达到优化船舶性能、提高装卸货效率、降低营运成本的目的。
2.1与总体性能计算有关的设计建议
通常认为集装箱装在货舱内要比装在甲板上安全；在初稳性和总纵强度计算时，一般考虑优先装满舱内箱位。这时会发现很多工况下出现超高的GM值，一些重箱均质装载工况下 GM 值甚至超过 5m，如表 1所示。
根据经验，实际营运时设计吃水工况的初稳心高应控制在 2m 左右是比较理想的状态，应避免出现过大或过小的极端 GM 值。GM 值过高，横摇加速度过大，将限制甲板上集装箱的装载；也会造成舱室设备的损坏和人员受伤。可以通过提高船舶重心高度将GM 值降低至合理范围内。
1）在装载计算时，可以通过调整舱内和甲板上的装箱比例来控制GM值。为了达到降低GM值的目的，应减小舱内装箱量，增加甲板上的装箱量，通过调整甲板上和舱内装箱的比例，将 GM 值调整至合理范围内。表 2 中给出了一些典型均质装载工况在调载前后的 GM 值的对比。
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由表 2 可知，通过装箱调整，GM 值的变化很显著，尤其是设计吃水和重箱均质装载的工况。12t/TEU均质装载时舱盖上最高可以装载至 10 层箱，这意味着40ft 集装箱堆载可达 240t。舱盖上实际装载是否可以达到堆重 240t 还需要视该型船所采用的货物绑扎系
统的绑扎能力而定，同时要保证用于舱盖结构设计的堆载大于装载的实际堆重。总之，典型均质装载计算虽然有别于实际装载工况，但应该包络所有实际载况，同时也需要考虑其合理性，要为绑扎计算选取提供合理的计算用 GM 值。
2）除上述的装载措施外，还可以考虑通过调整压载舱的分舱来提高压载水的重心高度，达到降低 GM值的目的。可以考虑提高压载舱的舱底高度，采用舷侧高位压载舱压载来提高船舶重心高度以减小 GM值。
2.2与集装箱箱位布置有关的优化
1）增加甲板上的装箱层数和箱位总量只要驾驶视线和空高允许，在提高货物绑扎设备能力的前提下，可以适当提高甲板上集装箱的装载层数。对于大型和超大型集装箱船来说，可以通过提高绑扎能力使甲板上安全装载至 11 层高。尽管超大型集装箱船 GM 值很高，稳性可能不会成为限制装箱的因素；但是吃水、载重量都会限制集装箱的装载量，“名义装箱量”可能无法成为实际的最大装箱量。建议引入“箱位总量”的概念，代替“最大装箱量”。换言之，将“名义装箱量”理解为全船的“箱位”总量，而不一定是该船的“最大装箱量”；“箱
位总量”是为了提高装箱灵活性而提供的所有箱位；每个箱位都有可能用得到，但是船上所有箱位装满的工况很少或几乎不存在。
2）甲板上设置 45ft 专用箱位甲板上考虑布置适当数量的专用 45ft 箱位，同时兼容20ft集装箱。20ft集装箱可以采用绑扎以提高20ft箱的装载堆重。由于 45ft 集装箱同 40ft 高箱一样都是干线运输用得最多的箱型，应该适当考虑增加 45ft 专用箱位，以满足船东对 45ft 集装箱的装载需要，提高集装箱装载的安全性。
3）适当增加甲板上冷藏箱插座在不增加最大冷藏箱装载量的情况下，适当增加甲板上冷藏箱插座数，以提高冷藏箱装载的灵活性。换言之，甲板冷藏箱装载箱位总数可以大于最大冷藏箱装载量，最大冷藏箱装载量则受船上配置的发电机容量的限制。
4）取消上甲板用于 20ft 集装箱的舷边站柱设计时可以考虑在上甲板两舷边的一列只设置
40ft 或 45ft 箱位，取消用于支撑 20ft 集装箱的舷边站柱；这样货舱区可以减少近一半的舷边站柱；在降低了空船重量和建造成本的同时，也保证了甲板上货物装载的安全性。
3.结束语
在营运时，影响集装箱船实际载箱能力的因素很多，包括稳性、结构强度（包括货舱盖板）、船体梁的弯矩和剪力分布、吃水、载重量、视线、营运航线、绑扎设备，以及海况等等，其中的任何因素都有可能限制船上集装箱的装载。船舶的设计优化就是设计时全船各项性能的妥协和折中过程；优化的目的是希望得到一条总体和结构性能优良，各项性能相当，技术性和经济性均衡，具有核心竞争力的优秀船型。
参考文献：
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