（载运工具运用工程专业论文）集装箱船总纵强度特征和校核的研究.pdf

摘要 集装箱船因其运输能力强、经济性好，已经成为海上货物运输的主要工具之。 集装箱船正朝着多箱位、大型化方向发展，而用来建造集装箱船的材料并没有得 到太大的改进，这就给保证海上集装箱货物安全运输带来了一定的困难，集装箱 船的强度问题也因此受到航海界的普遍关注。 集装箱船的自身结构特征及积载特点，使其总纵强度校核与其他普通货船有所 不同。由于采用大开口的货舱结构，集装箱船的抗扭刚度相对其他普通货船较易 损坏，因此在作强度分析时，必须考虑扭转引起的翘曲应变，并将其与船体弯曲 应力迭加合成来校核船体总纵强度，以检验是否满足强度标准。集装箱船纵向强 度是否满足要求，主要取决于船体各段载荷不均匀分布及其对船长方向弯矩的累 积。扭转变形主要取决于货舱和甲板以上进行货物配载和装卸是否左右对称，及 集装箱船在波浪中的运动状态等影响因素。 首先，本文就集装箱船的发展状况进行了回顾和综述，并对其频繁出现的海难 事故进行了分析总结。 其次，本文对集装箱船的总纵弯曲强度进行了分解和讨论。主要内容包括：船 体载荷的分析，剖面模数的计算，不同状态下弯矩的讨论。 再次，本文对集装箱船的扭转强度校核进行了研究。分析了集装箱船的扭转变 形机理，讨论了当前扭转强度的计算方法，并对公式进行推导，以改进在实际生 产中集装箱船的强度校核。 最后，本文结合一艘5 0 0 t e u 集装箱船进行实例计算，用改进的计算方法进行 强度校核。并对计算结果进行了分析和讨论。 关键字：集装篇船；波浪载荷；扭转强度；强度校榱 r e s e a r c ho nc h a r a c t e ra n d c h e c k i n g o fw h o l es t r e n g t h o fc o n t a i n e rs h i p a b s t r a c t c o n t a i n e rs h i p sh a v eb e c o m eam e a n so fc o n v e y a n c ea ts e a ，b e c a u s eo fi t sg r e a t t r a n s p o r t a t i o na b i l i t ya n dg r e a te c o n o m y c o n t a i n e rs h i p sa r et r e n d i n gt om u l t i - v e s s e l a n db e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r b u ts t e e l su s e dt ob u i l ds h i p sh a v en o tb e e ni m p r o v e d g r e a t l y , w h i c hg i v e sh i d d e nt r o u b l et os a f et r a n s p o r t a t i o no fc o n t a i n e rs h i p sa ts e a s o m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ei n t e n s i o nt r o u b l eo fc o n t a i n e rs h i p si nn a v i g a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co fc o n t a i n e rs h i p s s t r u c t u r ea n dl o a d i n gm a k e st h e i rw h o l e s t r e n g t hd i f f e r e n tw i t hg e n e r a ls h i p s c o n t a i n e rs h i p s t r e n g t ho fa n t i w r e s ti sk i l l e d m o r ee a s i l yt h a ng e n e r a ls h i p s b e c a u s eo fa d o p t i o nl a r g eh a t c hs t r u c t u r e s oe v o c a b l e w a r ps t r e s so fw r e s tm u s tb e e nt h o u g h to f , w h e nw h o l es t r e n g t hi sa n a l y z e d a n dt h e w a r ps t r e s ss h o u l db e e na d d e dt ob e n ds t r e s s t oc h e c kw h o l es t r e n g t h ，i no r d e rt o e s t i m a t ew h e t h e ri tm e e t s s t r e n g t hc r i t e r i o n w h e t h e rl o n f f i t u d i n a ls t r e n g t hm e e t s r e q u i r e m e n to f c o n t a i n e rs h i p sl i e s m o s t l y o nw h e t h e rd i s t r i b u t i o no fl o a di s s y m m e t r i c a l c o n t a i n e rs h i p s t o r s i o n d i s t o r t i o nl i e so nw h e t h e rc a r g oi sl o a d e d s y m m e t r i c a l l ya n dm o v e m e n ti nw a v ea ts e a a tf i r s t ，i nt h i sp a p e r ，d e v e l o p m e n to fc o n t a i n e rs h i p si sr e v i e w e d ， f r e q u e n ta c c i d e n t sa ts e ai sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d s e c o n d l y ，i nt h i sp a p e r ，b e n ds t r e n g t hi sr e d u c e da n dd e b a t e d t h ec o n t e n ti n c l u d e s a n a l y s i so fh u l ll o a d i n g ，c o m p u t a t i o no fs e c t i o nm o d u l u s ，d i s c u s s i o no fb e n d i n g m o m e n ta n ds h e a r i n gf o r c ei nd i f f e r e n ts i t u a t i o n t h i r d l y ，i nt h i sp a p e r ，t o r s i o ns t r e n g t ho fc o n t a i n e rs h i pi sr e s e a r c h e d t o r s i o n d i s t o r t i o nm e c h a n i s mo fc o n t a i n e rs h i pi sa n a l y z e d ，a n dn o w a d a y st o r s i o ns t r e n g t h c o m p u t a t i o ni sd e b a t e d ，a n di n t e r r e l a t e df o r m u l a s a r ei n d u c e d ，i no r d e rt o i m p r o v e i n c o n v e n i e n c eo fs i r e n g t hc h e c ki np r a c t i c e a tl a s t ，i nt h i sp a p e r ，i m p r o v e dc a l c u l a t i v em e t h o di sa d o p t e di nc h e c k i n gi n c h e c k i n gs t r e n g t h ，a5 0 0t e uc o n t a i n e rs h i pi sr e f e r r e dt o t h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l ti s a n a l y z e da n dd e b a t e d k e yw o r d ：c o n t a i n e rs h i p ；w a v el o a d ；s t r e n g t hc h e c k ；t o r s i o ns t r e n g t h 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：塞装整罄盛熟强度挂焦独撞接鳇受塞：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 口多年，月孑目 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版 权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“v ”) 论文作者签名 第1 章绪论 集装箱船运输始于5 0 年代中期，在短短的几十年中，得到了迅速的发展。随 着国际经济和航运事业的飞速发展，从事国内和国际运输的船舶越来越多。根据 国际货币基金组织的资料，2 0 0 5 年新船交付运力约9 6 万t e u ，预计2 0 0 6 年约1 2 0 万t e u ，远远高于2 0 0 4 年6 5 万t e u 的新船交付运力。集装箱船舶货物运输凭其 独特的优越性，在航运领域中充当着举足轻重的角色。 中国船级社对集装箱船作如下定义：集装箱船是指建造成或改装成适合于在货 舱内设有固定导架和在甲板上设有专门装载集装箱设施的船舶。本论文的研究讨 论就是针对符合此定义的集装箱船舶而展开的。 1 1 集装箱船的发展 集装箱船的出现是船型的一次革命性突破，能够大大缩短货物的装卸时间，提 高其作业效率。 集装箱船作为海上货物运输的一种主要船型，航速高、装卸快、停靠码头时间 短，以其独有的优势越来越受到航运界和造船界的重视，集装箱船的拥有数量和 总吨位己成为一个国家海上运输能力的重要标志之一。集装箱船的发展仍在朝着 大型化、多箱位前进。 自1 9 5 6 年美国率先在海上开展集装箱运输迄今，集装箱船的发展主要经历了 四个阶段： 6 0 年代，横穿太平洋、大西洋的1 7 0 0 0 - 2 0 0 0 0 总吨集装箱船可装载 7 0 0 1 0 0 0 t e u ，这是第一代集装箱船。 进入7 0 年代，4 0 0 0 0 - 5 0 0 0 0 总吨集装箱船的集装箱装载数量增加到 1 8 0 0 - 2 0 0 0 t e u ，航速也由第一代的2 3 节提高到2 6 - 2 7 节，这个时期的集装箱船被 称为第二代。 1 9 7 3 年石油危机以来，第二代集装箱船被视为不经济船型的代表，故而被第 三代集装箱船取代，这代船的航速降低至2 0 2 2 节，但由于增大了船体尺寸，提高 了运输效率，致使集装箱的装载数达到了3 0 0 0 t e u ，因此，第三代船是高效节能 型船。 8 0 年代后期，集装箱船的航速有了进一步的提高，集装箱船大型化的限度则 以能通过巴拿马运河为准绳，这一时期的集装箱船被称为第四代。第四代集装箱 船集装箱装载数量增加到4 4 0 0 个。由于采用了高强度铜，船舶重曩减轻了2 5 ； 大功率柴油机的研制，大大降低了燃料费，又由于船舶自动化程度的提高，减少 了船员人数，集装箱船经济性进一步提高。 作为第五代集装箱船的先锋，德国船厂建造的5 艘可装载4 8 0 0 t e u 集装箱船 舶。这种集装箱船的船长，船宽比增大为7 8 ，被称为第五代集装箱船。 1 9 9 6 年春季竣工的r e h i n am a e r s k 号集装箱船，最多可装载8 0 0 0 t e u 。这个级 别的集装箱船拉开了第六代集装箱船的序幕。 1 2 集装箱船体结构 集装箱船与普通货船在船体结构上有很大的区别。普通船舶一般具有较小的甲 板开口，其比例一般不超过4 0 6 0 。 集装箱船舱口宽度已达到或甚至超过船宽的8 0 ，舱口长度达到舱壁间距的 9 0 ，大大超过普通货船，符合中国船级社钢质海船入级与建造规范( 后文 简称海船规范) 中对大开口船舶定义。 1 2 1 大开口定义 海船规范中对大开口船舶定义如下( 符合任意条件均成立) ： ( 1 ) 旦o 7 口1 ( 2 ) 二生0 8 9 f 口 嘶或 们 式中：b 开口宽度，m ，如果有几个舱口并列。则6 代表各开口宽度之和，即 b 一缸+ 6 2 ，如图1 1 所示； 丑在开口长度中点处包括开口的甲板宽度，m ； 0 舱口长度，m ： f 。每一舱口两端横向甲板条中心线之间的距离，m ，如舱口前或后荐 无其他舱口时，则f 。算到舱壁为止。 1 ! 鲍 j f 1 hb 1i ， l 一 、， c 且 b 2 、 图1 1 并列舱口 1 2 2 集装箱船结构特征 由于集装箱船的船型细长且主甲板有大货舱开口不连续，使其船体强度( 总纵 强度和扭转强度) 特别受到关注，尤其是扭转强度，这一点与普通货船有很大的 区别。集装箱船往往在机舱和货舱交接处及货舱前端会出现两个扭转应力和变形 的峰值。 相对于大开口集装箱船，普通货船的结构特点是在狭窄的货舱开口外具有较宽 的纵向甲板结构，给舷侧肋骨提供了有效的支持，使得在甲板处的总纵强度易得 到满足。另外，双层底结构也受到均布的水密横舱壁的支持。这些水密横舱壁。 股都具有较宽的横向甲板条，给船舶提供了有效的横向及扭转刚性。根据以往的 经验，对于普通货船，在其总纵强度校核时一般只要求满足纵向强度标准，无需 考虑扭转强度的校核。 由于集装箱船货舱开口比较大，甲板参与总纵强度的有效面积比较小，这就导 致集装箱船的总纵强度和抗扭强度都比较差。集装箱船从空载到满载的整个变化 过程中一般均成中拱状态。而其甲板上集装箱的装载宽度基本与船同宽，集装箱 在两舷不对称装载将会导致船体受货物载荷的扭矩作用。当集装箱船舶航行在海 面上，也会受到波浪力的作用。这种作用将使其扭转程度加剧。如果集装箱船体 结构强度不能很好地满足要求，可能会导致其构件受损，严重时将导致海难事故 的发生。 无其他舱1 3 时，则。算到舱壁为止e fj 。b 。j 、 l c e 扫z i 图1 1 并列舱日 1 2 2 集装箱船结构特征 由于集装箱船的船型细长且主甲板有大货舱开口不连续，使其船体强度( 总纵 强度和扭转强度) 特别受到关注，尤其是扭转强度，这一点与普通货船有很大的 区别。集装箱船往往在机舱和货舱交接处及货舱前端会出现两个扭转应力和变形 的峰值。 相对于大开i ；2 集装箱船，普通货船的结构特点是在狭窄的货舱开1 3 外具有较宽 的纵向甲板结构，给舷侧肋骨提供了有效的支持，使得在甲板处的总纵强度易得 到满足。另外，双层底结构也受到均布的水密横舱壁的支持。这些水密横舱壁一 股都具有较宽的横向甲板条，给船舶提供了有效的横向及扭转刚性。根据以往的 经验，对于普通货船，在其总纵强度校核时一般只蔓求满足纵向强度标准，无需 考虑扭转强度的校核。 由于集装箱船货舱开口比较大，甲板参与总纵强度的有效面积比较d 、，这就导 致集装箱船的总纵强度和抗扭强度都比较差。集装箱船从空载到满载的接个变化 过程中一般均成中拱状态。而其甲板上集装箱的装载宽度基本与船同宽，集装箱 在两舷不对称装载将会导致船体受货物载荷的扭矩作用。当集装箱船舶航行在海 面上，也会受到波浪力的作用。这种作用将使其扭转程度加剧。如果集装箱船体 结构强度不能很好地满足要求，可能会导致其构件受损，严重时将导致海难事故 结构强度不能很好地满足要求，可能会导致其构件受损，严重时将导致海难事故 的发生。 集装箱船结构特征可归纳为以下几点： ( 1 ) 集装箱船的货舱比较方整，且型深较大，这样的舱型对长方形集装箱船 而言，更有利于充分利用舱容。为了使各大舱尽可能方整，以及在甲板上堆放集 装箱，集装箱船基本上都是采用尾机型结构，机舱、油水舱和上层建筑相对集中 在尾部，而锚和锚设备及侧推器等相对集中在首部，这样的船体结构极易发生中 拱变形。 ( 2 ) 集装箱船都是单甲板船，舱口宽、长，一般设置2 3 排舱口，大舱的舱 底面积几乎与舱口围的面积相等。这种大舱口结构破坏了主甲板的纵向连续性， 影响了船体总纵强度。 ( 3 ) 有的集装箱船的某些舱位是为装载4 0 英尺集装箱而准备的。这些舱位 般都安排在船长的中部。如果在实际运输中，没有4 0 英尺集装箱或集装箱较少， 则在这些部位会出现空位，将对船体强度带来相当严重的损害。 ( 4 ) 为弥补单层甲板和长大货舱开口设计对船体结构强度的不利影响，集装 箱船通常采用双层侧壁、双层底和双层横舱壁的双层体船壳结构，以增强船舶总 纵弯曲强度、扭转强度。双层体船壳结构同时为船舶提供了大容量的压载舱室， 以适应船舶空载或舱面装载大量集装箱时调整船舶中心高度的需要。 抗扭箱蒯等效结构 。一、一一 图1 2 集装箱船横剖面图 ( 5 ) 通常在集装箱船体结构中，都会设置扭转箱或等效结构( 如图1 2 所示) ， 以增强船体的扭转强度。 4 ( 6 ) 为方便装载和防止集装箱移位，集装箱船在货舱内采用固定的格栅结构， 格栅结构由角钢立柱、水平桁材和导箱轨组成，集装箱可通过导箱轨顶端的喇叭 形导槽，顺着导箱轨进出货舱。显然，装入与导轨立柱间距相同长度的集装箱， 无需再进行任何其他固定措施。 1 。3 集装箱船事故分析 集装箱船舶发展非常迅速，集装箱船舶运输处于非常重要的地位，然而集装箱 船运输的高事故率也始终伴随着船队的发展。在进入九十年代之后，集装箱船事 故发生率呈快速上升趋势。特别是在恶劣的航海条件下，船舶在风浪中长期航行 导致船体受损。 据统计，从1 9 9 0 年到2 0 0 3 年间，全球发生集装箱船舶中大型事故总计8 1 起。 集装箱船的船体结构损坏是导致船舶海事事故的主要原因。经过分析大量的海事 事故调查资料，发现集装箱船事故原因主要可以归纳为三种：第一，船体结构损 坏导致船舱进水；第二，由于船舶稳性不足而倾覆；第三，船体受到较大的剪力 和弯矩作用，同时由于船体遭受腐蚀、疲劳等累积性的时效损伤，导致了船体强 度降低，船体结构因强度不足而断裂。 圈1 3 c a r l a 残船 1 9 9 7 年1 1 月2 4 目，地中海航运公司一艘名为c a r l a 的2 8 0 0 t e u 集装箱船船， 在驶往波士顿的途中遭遇强烈风暴，折为两半，导致惨烈的海难事故( 如图1 3 所 示) 。当c a r l a 在风浪中航行，由于遭受到波浪切力、波浪扭矩和总纵弯矩的联合 作用，使得集装箱船体结构受到的剪应力和正应力，远远超过其构件所能承受的 许用剪应力和许用正应力，导致结构损伤，进而折为两半。 正是因为集装箱船特殊的结构特征，在航运过程中对其强度要求应更加严格。 通过对集装箱船事故的分析，可以清楚地认识到：对于集装箱船而言，只满足纵 囱弯曲强度的要求是不够的，是否具备相当的抵抗扭转强度的能力，或其扭转强 度是否满足要求，也因此显得较为重要。 1 4 论文研究的目的和意义 因为集装箱船体的结构特征，而易导致其结构强度受损，所以如何简洁、快速、 安全地校核集装箱船任一装载状态下的总纵强度成为集装箱船舶安全航行的关键 因素之一。 耳前，就集装箱船总纵强度的计算方法，主要有以下两j f 中： ( 1 ) 船体结构强度直接设计计算方法i m ，即应用整船三维有限元模型计算船 体在各种载荷作用下的合成应力。 ( 2 ) 按照规范计算出船体静水弯曲应力、垂直波浪弯曲应力、水平波浪弯曲 应力，并根据规范提供的扭矩计算公式，应用较简单的解析方法计算波浪扭矩和 货物扭矩合成引起的扭转翘曲应力。 船舶直接设计计算方法利用整船结构有限元分析理论，考虑因素较多，工作量 较大，计算精度比较高，主要用于船舶设计阶段。 第二种方法工作量比较小，计算相对简单。不过此计算校核方法大部分涉及应 力。结合海上船舶货物运输的实际情况，大部分驾驶员对船舶设计相关知识掌握 不多，对应力概念也不甚理解。这就为集装箱船舶强度的计算校核带来了一定的 难度。 针对集装箱船总纵强度校核中存在的问题，提出改进的方案。就集装箱船的扭 转强度校核，本文旨在将对扭转强度的要求转化为相应的弯曲强度衡准，以简化 校核的烦琐过程。 6 本文将集装箱船强度的理论知识与生产实践结合起来，为集装箱船舶强度校核 提供深入的理论依据，并将校核中涉及的应力概念转化为弯矩，有助于船员的理 解和实际操作。具有一定的指导意义和实用价值。 在校核计算过程中，为追求船舶营运的经济效益和理论体系的完备，本文就集 装箱船的具体装载状态，考虑到波浪的影响，结合相应的计算公式降低集装箱船 强度的计算难度，并对相应的衡准进行转化计算，对集装箱船存在的总纵强度问 题进行分析，以提高集装箱船的海上运输的安全系数。 7 第2 章船体弯曲强度 集装箱船的总纵强度是指整个船体梁结构抵御总纵弯曲变形和总纵扭转变形 的能力。总纵强度不足，可能会使整个船体产生断损，造成全局性的严重后巢。 承担总纵强度的构件，主要是纵向连续构件，如船壳板、内底板、船底和船侧及 甲板的纵桁及纵骨等。在船舶总纵强度的检验中，必须确定哪些是危险剖面。通 常的做法是，选择总纵弯矩最大处以及结构较弱的位置作为校核对象。 2 1 集装箱船体变形特性 为了更好地研究集装箱船体总纵强度，首先就应该清楚地认识集装箱船体变形 特性，这样也有助于分析船体的受力情况。 集装箱船的船体变形主要有剪切变形、总纵弯曲变形和扭转变形。总纵弯兹变 形主要发生在两个平面：垂直平面和水平平面。集装箱船大多为尾机型船舶，由 于沿船长重量的分布不均，在垂直平面内，其船体将会发生拱囊弯曲变形。在海 面上航行的集装箱船，也会在水平面内发生水平弯曲交形。由于波浪扭矩和货物 扭矩的作用，还会使集装箱船体发生扭转变形。 2 1 1 剪切变形 在沿船长方向的某一微段上，其前后两端受到大小相等、方向相反的剪力作用， 则该段船体两端剖面处在垂直方向上产生的对位移，即船体发生了剪切变形，如 图2 1 所示。 图2 1 船体剪切变形 2 1 2 拱垂变形 假定船舶漂浮于静水中，对整船而言，重力和浮力相互平衡。但在治船长分布 8 方向上，重力和浮力并非处处均衡。重量的分布，与空船重量的分布和集装箱货 物的布置、油水的装载和使用存在密切的关系。而浮力大小沿着船长方向的分布 与船体水线下的几何形状和大小有关。 设把船体沿船长方向分割成若干段，由于重力和浮力在每段上不等，将会在各 区段间产生垂向力。可船体是一个整体性构造的构件，结果就使船体发生总纵弯 曲变形。 船舶航行在海面上时，船体的几何形状和大小是一定的，浮力与船体吃水、在 海上遭遇的波浪形状、波浪大小以及船体与波浪的相对位景有关。很显然，船舶 在海上遇到的波浪，其波峰较陡，波谷较平坦。当波峰位于船中或波谷位于船中， 此时船体所受浮力的影响对其造成的总纵弯曲变形最大。 集装箱船舶航行于海面上时，由于波浪的影响，船体的拱垂变形相对静水中将 有不同程度的加剧。在迎浪航行条件下，集装箱船体的总纵垂向弯曲变形，通常 有两种情况： 图2 2 船体拱垂变形 中拱( 如图2 2 ( a ) 所示) 船体中部凸起，首尾两端下垂的纵向弯曲变形。 这种情况，一般发生在当船舶重量主要分布在船的首尾部位，波峰位于船体中部 附近。 中垂( 如图2 2 ( b ) 所示) ：船体中部下凹，首尾两端上翘的纵向弯曲变形。 这种情况，一般发生在当船体载荷主要分布在船中部位，波谷位于船体中部附近。 2 1 3 水平弯盛变形 当船舶在波浪中行驶时，在船体剖面发生的弯矩不仅存在垂直平面内，而且也 存在水平平面内，即水平波浪弯矩。 对于普通货船，其船体结构抵御水平弯曲变形的能力较强，由于船体所受水平 外力而引起的水平弯曲变形较小，所以，通常不予考虑。而对于集装箱船舶，由 于其甲板大开口特性的船体结构，致使抵御水平外力的能力较弱，通常水平弯曲 变形较为明显，如图2 3 所示。产生水平波浪弯矩的直接原因是作用于船体上的水 平外力( 即水阻力) 、保持船舶直线航行的螺旋桨推力及舵力的合成。 圈23 船体水平弯曲 2 1 4 扭转变形 在斜浪航行的条件下，集装箱船不但存在垂直弯曲变形、水平弯曲变形，还会 发生扭转变形，如图2 4 所示。 图2 4 船体扭转变形 由于集装箱船甲板上有较大的舱口，抵御船体扭转外力的能力较弱，易发生扭 1 0 转变形，且船体货舱区的舱口角隅处发生的变形较大，舱口围板的横向板条出现 较高的应力( 应力即构件内单位剖面所受力的集中度量) ，其中水平方向的应力占 较大的比例。 水平波浪分力，除了参与船舶对波浪斜向运动时的船体水平弯曲之外，还参与 引起船体扭转变形的载荷。对于大开口型的集装箱船舶，由水平波浪载荷组成的 扭矩分量是形成扭矩的重要部分，实际上与船舶的吃水成正比，以及与这一载荷 作用点到船体剖面扭转中心的距离成正比。 集装箱船舶的摇摆运动和货物重量分布左右不对称，也会不同程度地引起船体 扭转变形。 2 2 作用在船体上的载荷 为了更好地理解船体变形特征，研究船体所受外力情况，必须首先分析作用在 船体上的载荷。 航行于海面上的船舶，其结构中决定构件尺寸的应力通常是由船体及局部载荷 引起的外力与内力的复杂组合。船体及其单独的结构经受着各种各样的载荷作用， 这些作用的起因不同，大小不一，分布特征以及变化特征也多种多样。一般来说， 船体处在相互平衡的静态的船舶重力和浮力的作用之下。除此之外，在波涛汹涌 的海面，船舶处在摇摆和运动状态时，还受到随时问变化的波浪压力、惯性力和 水阻力的作用。船体重力和静水浮力是比较明显的，它们可以由船体设计的构件 尺寸、船舶的吃水和型线计算得到。只有波浪弓l 起的船体载荷是随机统计量，需 要根据现有的海洋波浪统计资料将本船置于海洋环境中，计算船体在波浪上的运 动和载荷。 对于集装箱船而言，其载荷可以按以下主要特征进行区分。 载荷发生原因： 外部介质( 波浪、冰、温度) 的作用： 货物、机械、船体结构的重力和惯性力： 特种载荷( 系泊，评价海损的载荷) 。 随时间变化特征： 常数或者是准常数的载荷( 不随时闻变纯或者变化微弱) ： 1 1 变载荷，即载荷大小和作用方向随时间变化。 在静水中的船舶，其船体主要受重力和浮力的载荷作用。船舶在海面上航行， 作用在船舶上的外力就较为复杂。 2 2 1 静水中的载荷 集装箱船体结构在静水中的作用载荷主要是由施加在这些结构表面上的水压 力、集装箱货物的重力和结构自重组成。 对于整个船体而言，在垂直平面内，重力和浮力大小相等，方向相反。对沿船 长的任一区段来说，它们未必是平衡的。设船体纵向为x 轴，横向为y 轴，尾垂 线为坐标原点，垂向为z 轴建立坐标系。假定重力沿船长的分布为w ( x ) ，浮力沿 船长的分布为b ( x ) ，则它们的差值就是引起船体总纵垂向弯矩变形的载荷q ( x ) ， 即： 口o ) 一“z ) - b ( x ) 则船体的剪力和弯矩分别为： f 一r 口。皿 ( 2 1 ) ( 2 2 ) m g ) 一f o ) 出 ( 2 3 ) 用此方法原理，可以对所有可能加载的情况进行计算，并且可以期望得到船体 不同横剖面处最不利的总载荷所考虑的分量与波浪引起的载荷类似分量的代数 和。 图2 5 剪力和弯矩曲线 图2 5 显示的是静水中船舶的剪力和弯矩曲线的分布特征。一般情况下，最大 剪力约位于距首尾l 4 处，最大弯矩约位于船中处附近。 2 2 2 波浪载荷的产生机理 船舶在静水航行条件下的载荷比较容易确定。然而，船舶在波浪中的运动与在 静水中的运动是大不相同的。在海浪中船舶航行的阻力会增大。当船舶在商浪情 海面上航行时，会出现埋首，即所谓甲板上浪；或者船首底部抬出水面的现象。 当相对于水面的速度足够大时，船首底部抬出水面的现象产生所谓砰击。这两种 现象严重时，都会引起船体及船用设备的损坏。即使没有甲板上浪与砰击，波浪 也会使船体产生应变，并迭加在静水中船体应变上；当应力过大时，甚至会使船 体折为两段。1 9 9 7 年，地中海航运公司一艘名为c a r l a 的集装箱船舶，在驶往波士 顿的途中遭遇强烈风暴，使得集装箱船体结构所受应力，远远超过其构件所能承 受的许用应力，导致结构损伤，进而折为两半，就是较为明显的例子。面对这种 强度问题，自然会对船舶的性能提出较高的标准，即要求船舶对波浪的响应尽可 能地小。 船舶长期在海上航行，船体结构将承受波浪载荷的作用，其载荷随时间变化的 周期与波浪周期相近。在实际的计算中，这些载荷通常可以作为静态的，但船体 与相对较短波相互作用时除外。 由于海洋波浪是不规则的，它包含着复杂的谐波成分，且与船舶在不同方向上 遭遇，因此在计算时首先应研究在各种规则波上的运动特性，其次再研究船舶在 不规则波上的运动响应，并结合国际海洋观测统计资料，作出船舶在其指定海域 内航行时的运动与载荷响应的长期预报，从而对船舶所承受的波浪载荷作出全面 科学的描述。 ( 1 ) 规刚波载荷 凡是波浪，无论规则与否，均是一种介质的运动形式，即水粒子沿环形轨道运 动。在这种运动中，它的粒子位移速度小于介质边界形状移动的速度。 在船舶营运过程中，形成作用于船体上变化着的水动力载荷的主要波浪形式， 是由风的作用而产生的。大量研究表明坦谷波要比通常使用的其它波更接近海洋 波浪的实际波形。国际船舶结构力学会议将坦谷波作为船舶在波浪上强度计算使 用的标准波形。 坦谷波理论是在假设波浪中的液体粒子绕圆周运动，圆周直径按指数规律随深 度增加而减小的基础上推导出的。坦谷波具有较线性波更尖的波峰和更平坦的波 谷。 坦谷波的波形由波面方程定义： 忙舞2 2 1 日 ( 2 4 ) 沿直线4 廖滚动，圆盘上距离原心，的 y f 一2 石r 。一日名一一 、瓜 、，一 、少谛 r b 2 ， 。三 图2 6 坦谷波波形 坦谷波的波高- - - - 2 r ，波长a 一2 积。 根据标准波定义存在如下关系： 日1 i 。丽。 a = l 假定船舶相对于规则波斜航向行驶时，可以用理论方法计算波浪弯矩和扭矩， 目前的做法是建立在纵摇方程求解的基础上。 在船舶的摇荡运动计算中，应充分考虑横荡，摇首以及横摇等运动。运动参考 坐标系的坐标原点取在中横剖面、中纵剖面和水线面相交处的交点：x 轴位于中 纵剖面。指向船首；y 轴指向左舷；z 轴垂直于水线面向上。船舶航彳亍于海强上， 1 4 可以产生六个自由度的刚体运动，在船舶截面上可以产生六个方向的波浪运动载 荷。波浪运动载荷与运动坐标系的关系如表2 1 所列。 表2 1 波浪运动载荷与坐标系的关系 自由度 xyz r 王r y心 运动分重纵荡横荡垂荡横摇纵摇首摇 载荷分量轴向力水平剪力垂直剪力扭矩垂直弯矩水平弯矩 当船舶在波浪中纵摇时，船体剖面上的附加波浪剪力和垂向波浪弯矩，其计算 公式如下： j v o ) 。出( 2 5 ) l m ，o ) - j ：d x a x 式中：q n 船舶在波浪上纵摇过程中，作用在船体上的总载荷。 就集装箱船，其中横剖面附近的波浪力矩，最具有研究价值，因为波浪力矩一 般在这一区段处达到最大值。中横剖面处的波浪力矩如下式表示： m ，( 争一膏j ：d x d x * 哲q 。x d x ( 2 6 ) 对于甲板大开i ；3 集装箱船舶，通常也会产生水平方向的波浪载荷。就水平波浪 载荷形式确定的研究，往往带有较大的近似特性。但是，已经得到证实的是，这 些载荷对船舶强度的影响要比作用于船体垂直平面内的弯矩相对, i q l i 多，所以水 平方向波浪载荷的计算精度往往可以降低。 ( 2 ) 不规则波载荷 对船舶航行条件起主要作用的是风浪。不规则波浪就是由空气湍流和风浪的阵 发特征导致在水面上形成不均匀的不规则压力场而引起的。 对于实际海况，船在不规则海浪中总载荷是各响应成份波的总和。波浪中行驶 的船舶，其所受波浪弯矩是波高的线性函数，而且船体所受弯矩也是不规则波系 各成份波产生的弯矩总和。即不规则波和弯矩都可看作许多正弦函数的总和。 在中低海情下，这种波浪载荷主要以波浪遭遇频率的低频形式在结构中产生循 环的随机应力。在中高海情下，船体将产生大幅运动。由于船体的非直壁，船底、 外板砰击及甲板上浪等现象的发生，船体结构中的应力响应将产生严重的非线性； 不仅在时间上具有拉压应力不对称，而且其构件承受应力与波高成非线性关系。 在上述循环应力的长期作用下，在船舶使用寿命期内结构可能产生疲劳损伤裂纹， 这种损伤不仅会大量增加船体维护成本，严重地甚至会威胁到船舶在海上的航行 安全及船员人身安全。 波浪的产生和消失是成周期性的。在波浪发展时，其能量和尺度不断增长，但 同时也伴随着能量的耗散，这种消耗主要用于克服水的内部阻力、波峰的破碎和 空气摩擦力等。这样，由于各种不同波长和方向的波浪体系叠加的结果，波的外 形具有山丘的形状，即短峰波。实际上，平均速度不变的波峰作用一定时间后， 便开始了风向波浪输送的能量接近能量耗散的时期，波浪的增长即将停止。这时 波浪达到了与给定风速和风程( 风吹来方向到岸边的距离) 相应的完全发展时期。 形成完全发展的不规则波浪的风作用时间取决于风的速度和风程。完全发展的波 浪一般有较长的波峰。 在风力不变的情况下，波浪也成了不变的，这就使得可以在统计意义上把它看 作为定常的。这样的波浪一般能维持的时间不超过几个小时。接着在风速减小时 波浪开始衰减。首先衰减的是能量较少( 波长较小) 的波。较长波的衰减较幔， 且以具有较多规则波形态的涌浪形式传播。 波浪发展阶段，常常由于风向的改变，与来自相邻风暴水域波系的叠加以及大 片海岸的反射而交得复杂起来。在这种场合波浪具有特别不规则的混合特征。 在具有足够复杂的不规则波浪浪高记录仪的片段中，浪高认为是波浪过程垂向 坐标记录中临近的最大上极值点和最小的下极值点之间的垂直距离，如图2 7 所 示。图中h 表示符合对这一概念定义的不规则波高度： 表示决定对船体作用水平 力的参数的平均值。 占r r 爵r 7 专 上辽 f z 一a f 一 图2 7 不规则波波高 在实践中，定场海浪常采用有义波高来表征不规则波浪的量值，它等于三分之 一总波数的最大波高的平均值，并用札，表示。它有时也称作特征波高，最接近于 目测估计值。它与波浪的标准值的关系为 h 1 ，3 4 以 ( 2 7 ) 式中：终一、d ； d ；波浪过程波面垂向坐标的方差。 在确定总体载荷时，波浪周期与波高同样重要。我们知道，以目测为基础的波 浪数据含有较大的误差，并且预计的波浪周期也存在很大的不确定性。早期发表 的波浪气候资料大都不包含对目测波浪周期中误差的适当修正。然而，针对某一 特定海域，在波浪散射图谱描述中用不同的波浪周期偏差进行修正，则很容易使 预报的长期波浪载荷存在一定的误差范围。 在与确定船体总载荷有关的问题中，波浪海况的选取应该是最为重要的。确定 该设计值的传统的方法是：采用一个给定海域波高的条件韦伯分布，并从这个以 短期响应的传递函数为基础导出相应的长期分布。 目前使用的方法是在所考虑的海域内选取一个实际波高和波浪周期组合的散 射图谱【1 2 1 。也就是说，主要考虑每一组波高和波浪周期组合的实际作用。 现在已经研制出各个不同海域的标准散射图谱。其中，标准的北大西洋图谱常 在实际生产中使用。而世界范围的组合波谱已经被用于统计资料为依据，并结合 1 7 对于波高和周期组合的一些重要修改，以确保最大波的波峰不在破碎波的极限之 外，而且2 0 年一遇的最大的预计波高又能与其它诸如仪器或后期处理所得到的数 据保持一致。 2 3 波浪剪力的计算 波浪剪切力完全是由波浪产生的附加浮力( 相对于静水状态的浮力) 而引起的。 应该注意的是，静水浮力主要取决于船体进入水中部分的形状，是一个确定的静 态量，可以根据静水平衡计算求得；而波浪附加浮力则主要是动态的、随机的， 其计算相对复杂。传统的方法，都是将船舶静置于标准波浪上求取波浪附加浮力， 即假定船舶以波速在波浪的传播方向上航行，此时船与波的相对速度为零。这样， 求得的附加浮力即为静态的。 中国船级社海船规范中将超越公式计算结果的概率定在1 0 4 量级，即在船 舶的服役期内，船体受到波浪周期性作用的次数大概在1 0 8 量级。把波浪切力超越 计算结果的发生概率定在1 0 4 量级，这就意味着可能发生的次数很少，安全性得到 了保证。按规范公式有所保守，从而提高了对船舶在海上航行的安全性评估标准。 按照海船规范，船体梁各横音0 面的中拱波浪切力( + ) 和中垂波浪切力 ( 一) 应按下列各式计算： 。f l r ( + ) - + 3 0 f , c l b 2 ( c 6 + 0 , 7 ) x 1 0 2 ( 2 8 ) ，0 ( 一) 一一3 0 f 2 c l b 2 ( c b + 0 7 ) 1 0 2 ( 2 9 ) 式中：l 船长，i d _ ： b 船宽，m ； 表2 2 波浪系数载荷系数 c l 9 00 0 4 1 2 l + 4 9 0 = - l = 3 0 0 1 0 7 s 一( 等) 3 2 3 0 0 l 3 5 0：t o 7 5 3 5 0 = l 1 0 7 5 - 皤r 胆 1 8 c 波浪载荷的系数，不同的船长对应不同值，关系如表2 2 所示 c 。方形系数，但计算取值不得小于o 6 0 ； f 1 、f 2 波浪切力分布系数，如图2 8 所示。 f 2 o 9 2 1 9 瞩 1 1 0 ( c 6 + o 7 、 o 7 o o0 20 30 40 60 70 8 51 0 图2 8 波浪切力分布系数 波浪切力品对于沿海水域航行的船舶可降低1 0 ，对于遮蔽水域航行的船舶 可降低1 5 。波浪切力的极值发生在距船首、尾4 处，而在中拱状态下距离船 首l 4 处为波浪切力的最大值，在中垂状态下距船尾，4 处为波浪切力的最大值。 2 4 许用剪力的计算 在横剖面处由于所受剪力的作用而产生剪切应力，所谓剪应力是指由于船体梁 发生剪切变形而在构件内部产生的内力，即单位面积内所受力的大小。对于像船 体这样的薄壁梁结构，合理确定剪切力在其剖面上的分布，对船体强度评估是必 要的。总纵弯曲时，最大剪力一般作用在距首尾端l 4 附近的剖面上，因此应校 核这些剖面船体构件承受剪切力的强度和稳定性。 2 4 1 剪切强度衡准 通常，不论在中拱或中垂状态，置于在波浪上的剪应力应均不大于材料屈服极 限的0 2 5 0 3 5 倍；同时，舷侧外板在剪应力作用下应保证有2 倍以上的剩余储 各。 对于集装箱船舶，其舷侧外板上的剪应力f 按下式计算： f i 墨! 墨坚。1 0 z( 2 1 0 ) 1 式中：f 计算工况下的静水切力，k n ； e 波浪切力，k n ； ，计算横剖面对水平中和轴的惯性矩，c i n4 ： 6 1 = _ l 一，l 、小l 参照附录； + m ， r ，计算剖面上水平中和轴处舷侧外板的厚度，i t i i f i ： s 静矩，c m 3 如果计算点在水平中和轴以上时，s 为通过计算点水平 线以上的所有纵向构件对水平中和轴的静矩；如果计算点在水平中和轴以下时， 则s 为通过计算点水平线以下的所有纵向构件对水平中和轴的静矩。 对静水切力和波浪切力进行绝对值求和，这说明已经充分考虑了最坏情况对船 体结构强度的影响。 总纵强度衡准是建立在材料力学理论基础上的，以材料发生塑性变形作为构件 丧失作用的依据，即实际应力超出了材料弹性恢复极限，使得构件具有永久性的 残留形变。从而确定构件能够承受的极限应力，并进而得出构件的许用应力。 从材料力学角度出发，为保证船体构件不丧失作用，各个横剖面处的剪应力， 应不大于材料的安全许用剪切应力，即： f ：f r l ( 2 1 1 ) 式中：k 许用剪应力，m p a e 2 0 2 4 2 许用剪力的计算 剪应力是由于船体构件受到剪力的作用而引起的，属于微观概念，在海上船舶 运输中，对于驾驶人员较难理解。为解决这一问题，可以考虑将其转换为对应的 许用剪力，来进行强度校核。 对于集装箱船舶，其舷侧外板上的许用剪应力在船舶资料中可以隶得，根据海 船规范剪应力公式，可以推导出许用剪力计算公式。针对于中拱、中垂两种不 同状态，其计算公式分别如下表示： 巧( + ) 1 粤。l o ：一瓦( + ) ( 2 1 2 ) 巧( 一) 七搏。1 0 ：一只( 一) ( 2 1 3 ) 在各种装载情况下，沿船体梁各横剖面处的静水切力均应满足以下条件： e ( + ) s 只( + ) ( 2 1 4 ) i f ( 一) i 1 只( 一) l ( 2 1 5 ) 在进行剪切强度校核中，可以先计算出许用剪力，再与静水剪力进行比较。