（船舶与海洋工程专业论文）大型集装箱船总体布置及结构设计研究.pdf

大型集装箱船总体布置及结构设计研究 摘要 在大型集装箱船的设计中，总体布置和结构设计是最为关键的技术之一。本文主要 根据目前国际上建造的大型集装箱来研究总体布置特点，主尺度设计、结构高强度钢应 用特点、结构强度设计、剪切强度、超大型集装箱船1 2 5 0 0 t e u 设计等几个方面的内容。 本文的目的是要掌握大型集装箱船设计的核心技术，使我们自己能够设计出具有国际领 先水平的大型和超大型集装箱船舶。 本文完成的主要内容如下： i 、 研究巴拿马型集装箱船的主尺度特点，提出目前最先进的最大巴拿马型集 装箱船5 0 0 0 t e u 设计思路。 2 、 研究了超巴拿马型集装箱船的总体布置和结构设计等设计技术，以5 6 6 8 t e u 为例对货舱区的结构强度进行计算分析，并对大开口船的剪切强度应用剪 力流方法直接计算扭心位置。 3 、 研究了超大型集装箱船1 2 5 0 0 t e u 的总体布置等设计技术，主尺度设计参数 研究，上层建筑布置对扭转强度的影响等。 4 、 研究了大型集装箱船绑扎桥结构和导轨架结构计算分析的方法，为优化设 计提供帮助。 在总结研究成果的基础上，提出了下阶段要继续开展的工作和需要解决的关键问 题。 关键词：集装箱船；总体布置；结构强度；剪力流；有限元法；绑扎桥：导轨架 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 a b s t r a c t i nt h ed e s i g n i n go fl a r g ec o n t a i n e rv e s s e l ，t h ec o n t a i n e ra r r a n g e m e n ta n d s t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o nd e s i g nw i l lb et h ek e yp o i n t s t h i ss t u d yh a v em a i n l y c o n c e n t r a t ei nt h ep r e s e n tn e wb u i l d i n gc o n t a i n e rs h i p sc o n c e r n i n gt h e p a r t i c u l a r so fg e n e r a la r r a n g e m e n t ，m a i nd i m e n s i o ne v a l u a t e ，h i g ht e n s i l es t e e l p e r c e n t a g ea p p l i c a t i o ni nw a yo fk e ys t r u c t u r e ，s t r u c t u r el o n g i t u d i n a ls t r e n g t h d e s i g n ，s t r u c t u r es h e a rs t r e n g t hd e s i g na n dt h eu l t r al a r g ec o n t a i n e rs h i p ( u l c s ) d e s i g ni s s u e s t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d y i st om a s t e rt h ek e yt e c h n o l o g yo f c o n t a i n e rs h i pd e s i g na n dh a v et h ea b i l i t yo fd e s i g nw o r l dn e w e s tc o n t a i n e rs h i p t h em a i na s p e c t so fr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 t h ek e yp a r a m e t r i cf o rt h ep a n a m a xc o n t a i n e rs h i pd e s i g ni ss t u d i e da n d p o i n t e do u tan e wd e s i g nf o rt h em a x p a n a m a xc o n t a i n e rs h i pd e s i g nf o r 5 0 0 0 t e us h i p 2 t h eg e n e r a la r r a n g e m e n to fp o s t p a n a m a xc o n t a i n e rs h i pd e s i g ni ss t u d i e d b a s e do nt h e5 6 6 8 t e uc o n t a i n e rs h i ps t r u c t u r ec o n f i g u r a t i o n ，a n a l y s i s o fc a r g oh o l ds t r u c t u r e si sc a r r i e do u tt os t u d yt h el o c a ls t r e n g t hb y f e ma n ds h e a rs t r e n g t hw i t ht h em e t h o d o fs h e a rf l o wt oc a l c u l a t et h e s h e a rc e n t e ro fc o n t a i n e r 3 f o rt h eu l c s o f 1 2 5 0 0 t e us h i p ，e v a l u a t i o no f m a i nd i m e n s i o na n d p r e l i m i n a r yl a y o u ta n ds u p e r s t r u c t u r e l o c a t i o nd e s i g na l s os t u d i e d c o n s i d e r i n gt h et o r s i o ns t r e n g t h 4 t h el a s h i n gb r i d g es t r u c t u r el a y o u td e s i g na n da n a l y s i si sa l s ot ob e c a r r i e do u ti nt h es t u d y ，t h em e t h o d sf o r t h ea n a l y s i sw i l lb eh e l p f u l f o rt h es t r u c t u r ea r r a n g e m e n to p t i m i z a t i o n b a s i n go nt h er e s u l t so ft h i ss t u d y ，t h ek e yi s s u ew h i c ht ob ec o n t i n u o u s r e s e a r c hh a v e b e e np o i n t e do u ti nt h en e x ts t e p k e yw o r d s ：c o n t a i n e rs h i p ：c o n t a i n e rl a y o u t ：h u l ls t r e n g t h ：s h e a rf l o w ：f i n i t e e l e m e n tm e t h o d s ，l a s h i n gb r i d g e ；g u i d er a i l i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 人连理t 人学硕十研究生。、产何论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 木学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位沦文版权使剧 觇定”，同意大连理工大学保留并向团家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许沦文被查阅和借阅。本人授权大连理工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。 作者签名：毯垂盐 导师签名马竣 ? 釉铲年月h 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 1 绪论 1 1 研究意义 近几年来，集装箱的海运量一直保持稳步的增长。据亚太经合组织分析预测，未来 1 0 年世界集装箱货物的海运量将呈大幅度增长趋势。按1 9 9 9 年的5 2 9 0 万t e u 推算，2 0 1 1 年将达到1 2 3 亿t e u ，年均增加6 3 。集装箱船自问世以来，在世界商船队中所占的比 例不断攀升。据英国劳氏船级社统计数据表明，截止2 0 0 0 年底，集装箱船保有量在各船 型中已从五年连续第四位升至第三位，为2 5 9 0 艘、6 0 万总吨，而这几乎是1 9 9 5 年世界集 装箱船保有量1 7 6 3 艘、3 8 万总吨的2 倍。该船型的发展速度可见一斑。随着2 0 0 1 年2 0 0 3 年集装箱船交船高峰的出现，更多的船将被交付使用。届时，集装箱船保有量将会大幅增 长。 国际集装箱船和集装箱趋向大型化和效益化。世界主要2 0 多家船公司营运的载箱量 在3 5 0 0 t e u 以上的船舶不断增多，占其运力2 5 以上；载箱量更大的4 6 0 0 t e u 、4 8 0 0 t e u 、 5 2 5 0 t e u 、6 0 0 0 t e u 、8 0 0 0 t e u 等大型全集装箱船正在迅速发展。全球第四、五代集装箱船 正在不断纳线，取代原有的第一、二代集装箱船。集装箱运输规模的扩大，运行速度的提 高，船舶载箱量的增加，航速的加快，和运送期限的缩短，使运输效益日益提高，从而使 集装箱船的需求量在不断增加，并且越来越朝大型化发展。 我国改革开放以来，对外经济贸易逐年上升，集装箱海上运输量不断增长，对大型集 装箱船有逐年增长需求。早些时候中远集团和中海集团都在国外订造集装箱船，随着国内 船厂造船水平的提高，已逐渐转向国内订船。目前，国内骨干船厂大连新船重工和沪东船 厂已成功建造了5 6 6 8 t e u ，并且已开始批量建造。国内船厂对建造大型和超大型集装箱船 的热情很高，并已开始投入力量开展技术研究，从而跟上国际集装箱船大型化发展的步伐。 1 2 国内外研究现状 集装箱海上运输时代始于2 0 世6 0 年代末。1 9 6 8 年世界上出现了第一艘新建全集装箱 船“箱根丸”( 7 5 2t e d ) 以来，全集装箱船发展迅速。1 9 7 0 年以前交付了大约7 0 艘2 0 0 0 t e u 以下的集装箱船。7 0 年代设计了最大3 0 0 0 t e u 的集装箱船。大型巴拿马型集装箱建于8 0 年代末，其中一些超过了4 0 0 0 t e u 。经历了3 0 年的时间，现在的集装箱船单船载箱量已经 达到了8 0 0 0 9 0 0 0 t e u 。 由于集装箱船习惯上是按其载箱量的多少来进行划分的，造船界及航运界根据集装箱 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 船的箱位量将其分为小型、中型、大型、超大型，或分为第一代、第二代、第三代， 或分为巴拿马型、超巴拿马型等等。无论是大、中、小型，还是代与代之间都并没有 明确和统一的界限，现按箱位量将全集装箱船分为六代： 第一代集装箱船：始于6 0 年代，载箱量为7 0 0 一1 0 0 0 t e u ，载重量约1 0 ，0 0 0 t ，船舶 尺度为：船长约1 5 0 米，船宽约2 2 米，吃水为8 - 9 米。舱内可装6 列，5 6 层；甲板上装 6 列，i - 2 层，航速为2 2 2 3 节。 第二代集装箱船：始于7 0 年代，载箱量为1 0 0 0 2 0 0 0 t e u ，载重量约1 5 ，0 0 0 2 0 ，0 0 0 t ， 船舶尺度为：船长约1 7 5 2 2 5 米，船宽约2 5 3 0 米，吃水为9 5 - i 0 5 米。舱内可装7 - 8 列，6 层；甲板上装8 一l o 列，2 - 4 层，航速为2 6 2 7 节。 第三代集装箱船：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1 8 2 0 节，并且大型化的速度也减慢。 载箱量为2 0 0 0 - 3 0 0 0 t e u ，载重量约3 0 ，0 0 0 t ，船舶尺度为：船长为2 4 0 2 7 5 米，船宽约 3 2 米，吃水为i 0 5 - 1 2 米。舱内可装9 1 0 列，7 9 层；甲板上装1 2 一1 3 列，2 - 4 层，航速 为1 8 2 0 节左右。 第四代集装箱船：8 0 年代后期，集装箱船的航速进一步提高，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。载箱量约为 3 0 0 0 4 0 0 0 t e u ，载重量约4 0 ，0 0 0 - 5 0 ，0 0 0 t ，船舶尺度为：船长为2 7 5 2 9 5 米，船宽约 3 2 米，吃水为1 1 5 - 1 2 5 米。舱内可装1 0 一l l 列，8 9 层；甲板上装1 3 1 4 列，4 - 5 层， 航速为2 3 2 5 节。由于采用了高强度钢，船舶重量减轻了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。 第五代集装箱船：作为第五代集装箱船的先锋，德国船厂建造的5 艘a p l c 1 0 型集装 箱可装载4 8 0 0 t e u ，这种集装箱船的船长船宽比为7 8 ，使船舶的复原力增大，被称为第 五代集装箱船。载箱量约为4 0 0 0 - 6 0 0 0 t e u ，载重量约5 0 ，0 0 0 7 5 ，0 0 0 t ，船舶尺度为： 船长为2 8 0 3 0 0 米，船宽约3 2 2 3 9 4 米，吃水为1 1 5 1 3 5 米。舱内可装1 2 1 3 列，8 - 9 层；甲板上装1 5 1 6 列，5 6 层，航速为2 3 2 5 节。 第六代集装箱船：1 9 9 6 年春季竣工的r e h i n a m a e r s k 号集装箱船，最多可装载8 0 0 0 t e u ， 该型船已建造了6 艘，人们说这个级别的集装箱船拉开了第六代集装箱船的序幕。据有关 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 方面预测，不久的将来，可装载1 2 5 0 0 个集装箱的巨轮将会在欧洲问世。载箱量约为6 0 0 0 t e u 以上，载重量约7 5 ，0 0 0 t 以上，船舶尺度为：船长为3 0 0 3 8 0 米，船宽约4 0 一5 7 米，吃 水为1 4 5 米。舱内可装1 4 - 2 0 列，9 层；甲板上装2 0 一2 2 列，6 7 层。航速为2 3 2 5 节。 集装箱船的分类以列表表示如下 表卜1集装箱船的分类 1 0 0 02 0 0 03 0 0 0 4 0 0 05 0 0 06 0 0 07 0 0 08 0 0 09 0 0 01 2 5 0 0t e u 小型中型大型超大型 第一代第二代第三代第四代第五代第六代 巴拿马型 船宽b 3 2 2 m ( p a n n i 晴x ) 船宽b = 3 2 2 0 m 从集装箱船的发展状况来看，大型化是其总体发展趋势。欧洲、韩国在集装箱船的设 计和建造方面处于领先地位。9 0 0 0 t e u 的集装箱船目前正在建造中。我国在大型集装箱的 设计和建造方面积累了一定的经验，目前正在开展8 0 0 0 t e u 超大型集装箱船的研究工作。 通过学习和借鉴国外成功经验，我国在大型和超大型集装箱船的设计和研究方面将有个 跳跃性发展。 1 3 本文研究的主要内容 通过收集国内外集装箱船的发展技术，研究大型集装箱船的总体布置设计技术和结构 设计技术；分别对巴拿马型集装箱船和超巴拿马型集装箱船的设计技术进行研究。以 5 6 6 8 t e u 的总布置设计技术和结构设计技术进行分析研究；对货舱区域结构强度采用有限 元法进行直接分析计算，考核结构在不同装载工况下的局部强度，总结了结构设计的关键 点。对超大型集装箱船1 2 5 0 0 t e u 的主尺度和集装箱布置进行分析研究，并最上层总布置 设计技术和结构设计特点进行分析研究。 2 集装箱船总体布置技术研究 2 1 巴拿马最大型集装箱船总体布置研究 巴拿马型集装箱船的典型代表为4 2 5 0 t e u ，其总布置及主尺度特点见图2 1 。 该船型特点为长宽l e d , ( l b = 7 5 8 ) ，( 4 8 4 4 t e u 集装箱船l b 为8 7 9 5 ) 是最为经济性 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 船型。 由于市场竞争的激烈，船东在不断追求船舶的大型化，从而强占市场，由此而设计出 的最大型巴拿马集装箱船一4 8 0 0 t e u ，典型的主尺度参数如下： 总长：2 9 4 1 米( 巴拿马型最大船长) 垂线间长：2 8 3 2 米 型宽：3 2 2 米 型深：2 1 8 米 设计吃水：1 2 米 结构吃水：1 3 米 载重量：5 5 1 0 0 吨( 设计吃水) 6 3 1 0 0 吨( 结构吃水) 集装箱装载能力： 甲板上：2 5 3 7t e u 货舱内：2 3 0 7t e u 总箱数：4 8 4 4t e u 主机：b & w9 k 9 0 m c m c r ：5 5 8 9 0 b h px1 0 4 r p m n c r ：4 7 5 3 0 b h px9 8 5 r p m 服务航速：( 1 5 s m ) 2 4 节 油耗：1 4 1 6 吨天 续航力：2 2 5 0 0 海里 巴拿马型集装箱船的布置随结构变化而发展，货舱中最大载箱量从1 0 列增加到1 1 列，船长保持在大约2 9 4 米。研究集装箱的布置表明，当在舱内并列装载1 2 列集装箱， 边舱宽度为1 2 米，这种设计可以将最大载箱量提高到5 0 0 0 t e u 。该船型优点是减少稳性 所需的压载水的数量，大大提高经济效益。 目前的4 8 0 0 t e u 巴拿马型船在满载条件下，必须装载1 0 0 0 0 吨压载水以确保稳性。与 超巴拿马型船相比，这是一个不利的因素。因此，舱内并列布置1 2 列、载箱量达到5 0 0 0 t e u 的巴拿马型集装箱船为一种新型的设计。 巴拿马以下型集装箱船主要数据见表2 - 1 如下： 表2 - 1巴拿马船型以下集装箱船主要数据 4 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 集装总长垂线型宽型深最大最大主机服务集装箱舱内舱盖 箱数 ( m ) 间长( )c m )吃水载重量输出功率航速总容量横向横向 ( m )( m )( t )( k w )( k n )( t e u )装箱量装箱量 4 2 0 1 2 3 0 21 1 42 0 58 7 6 77 8 0 44 7 0 7 1 7 3 4 2 4 68 4 2 01 2 61 1 72 1 41 0 27 6 69 5 0 94 9 2 81 7 54 2 268 7 2 01 4 8 31 3 82 2 51 18 11 3 0 0 35 5 0 01 8 67 2 479 1 1 5 01 7 0 81 5 72 8 41 49 6 82 0 8 2 81 0 0 4 51 671 1 5 28l l 1 2 0 01 7 0 21 5 8 22 8 41 5 4 51 0 7 22 6 0 2 51 1 5 5 8 1 8 5 1 2 3 4 8 1 1 1 3 0 01 7 11 6 22 8 41 5 61 0 92 5 8 0 81 0 0 5 0 1 81 3 2 88l l 1 7 0 01 9 9 2 1 8 7 3 6 2 8 4 1 5 4 51 0 73 3 2 4 01 0 8 0 01 71 6 6 88l l 1 7 0 02 0 04 8 1 9 0 8 8 2 8 4 1 5 61 0 43 0 9 4 01 0 8 0 01 8 51 6 8 68l l 2 0 0 01 8 7 6 1 7 82 8 41 5 61 1 13 3 6 1 01 5 7 0 5 82 0 9 61 9 3 291 l 2 7 0 02 3 6 1 22 2 43 2 21 5 81 24 5 9 8 71 6 7 4 7 1 9 2 7 1 6 1 01 3 2 7 0 02 3 62 2 4 53 2 21 8 81 24 7 6 2 51 6 6 7 0 1 92 7 6 11 01 3 3 5 0 02 7 5 72 5 9 23 2 22 1 2 1 24 6 0 7 42 7 8 7 02 5 13 4 9 41 01 3 3 8 0 02 7 5 12 6 4 23 2 22 1 51 2 55 1 2 8 03 4 3 8 02 4 3 7 6 5 l l 1 3 3 8 0 02 7 6 52 5 9 93 2 2 2 1 21 2 54 9 9 4 53 4 3 0 02 43 8 0 0l l1 3 3 8 0 02 7 4 9 9 2 6 3 3 2 2 2 i 41 2 55 1 9 8 53 4 4 2 12 43 8 0 1l l1 3 4 2 5 0 2 6 9 82 4 4 83 2 2 51 9 31 2 66 0 5 0 04 9 6 8 02 4 54 2 5 01 1 1 3 4 8 0 02 9 4 12 8 3 23 2 22 l j81 36 3 1 0 04 1 0 7 9 1 52 4 4 8 4 41 11 3 5 委菱委羹妻萋喜喜耋 苇焉菩翟 厶 黾蓉 撬 3 m l l o ”n ，寸 墨。上 删梏堆蹈蜜澳媒球副唧蝌印 n 囤 flm目口口口n p i o i i 胄 【s矗口巴_uo勺iio 器墨iioj ho矗。量iixbii g一，、 闰h-lhuqu冒阔z蚕zou 鼍包寸oo一山王o一卜寸寸一酲u苫摹os倒uz 苫h凹目。一山王o口寸醋u暑 uu乏oa冒 事7h驾苫乏ho乏瞄zi、害 i i oo嘧_【_【 匹口爵童；_器h奄 i i i o o 基qa时 is蜀事喂2 ，昌o n n h o o 一口 名h oon啦苍adb ioo最高对王 目一一huu)i，hh 勺q盘oo一艺 s上lio_最一p誊焉古 一口o_最一譬，焉qoui一_磊。_蛊善_i口勺qh浊isd口。氤11_pil口u等ii甫昌s专盘。口 删长剌赵摹池絮测划渊n工ooo寸 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 2 2 超巴拿马最大型集装箱船总体布置研究 超巴拿马型集装箱船的装箱量从5 0 0 0 箱到8 0 0 0 箱为近几年设计和建造的主要船型。 随着市场需求的不断增加，在超巴拿马型集装箱船的设计方面正不断投入力量进行开发研 究。典型的5 6 6 8 t e u 集装箱船的总体设计如下： 总长：2 7 9 0 米 垂线间长：2 6 5 8 米 型宽：4 0 3 米 型深：2 4 1 米 设计吃水：1 2 0 米 结构吃水：1 4 0 米 载重量：5 1 0 0 0 吨( 设计吃水) 6 8 8 3 0 吨( 结构吃水) 集装箱装载能力： 甲板上：3 0 8 2t e u 货舱内：2 5 8 6t e u 总箱数：5 6 6 8t e u 主机：b w1 2 k 9 0 m c - c m c r ：7 4 5 2 0 b h px1 0 4 r p m 服务航速：( 1 5 s m ) 2 5 7 节 舱内集装箱1 4 列( 9 层) ，甲板上集装箱1 6 列( 6 层) 。 主要研究步骤如下： 、主尺度的确定 结合5 6 6 8 t e u 的布置特点，需在0 2 b a y ，2 6 b a y ，4 2 b a y 的舱口盖上和l o b a y ，1 8 b a y ， 3 4 b a y 的第二层集装箱上装载4 5 集装箱，这是决定横舱璧的宽度的重要因素。 、单元货舱布置 四十尺标准箱的长度为1 2 1 9 2 m m ，再加上集装箱两端导轨架及支撑肘板的宽度各约 2 0 0 m m ，根据5 6 6 8 箱集装箱船的主尺度，综合考虑，选定该集装箱船的单元货舱长度为 1 2 6 0 0 m m 。 通过减小舱内导轨之间的距离，不设甲板纵向结构等，就可在舱内增加一排集装箱 的位置，舱内可横向布置1 4 排集装箱。 7 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 、单元货舱布置 根据集装箱箱角的特点，对于5 6 6 8 t e u 工程，在0 2 b a y ，2 6 b a y ，4 2 b a y 均可装载 2 0 ，4 0 和4 5 三种规格的集装箱；在l o b a y ，1 8 b a y ，3 4 b a y ，从第二层集装箱往 上可装载4 5 集装箱。 、总布置图 综合主尺度特点，单元货舱长度，横剖面布置图，集装箱在全船的纵向布置，非标准 集装箱的兼容布置，压载舱、燃油舱的布置，根据盲区要求确定生活楼子和机舱位置。 5 6 6 8 总布置图见下图2 2 。 2 3 超巴拿马型集装箱船主尺度研究 典型超巴拿马型集装箱船从5 0 0 0 箱到9 0 0 0 箱，其主要变化特点如下表2 2 。 表2 2典型超巴拿马型集装箱主尺度特点 箱位量( t e u )总长( 米)总宽( 米)型深( 米)吃水( 米) 5 0 0 0 6 0 0 02 7 5 3 0 04 0 - 4 2 52 4 o 一2 4 51 4 0 7 0 0 0 8 0 0 03 0 0 3 4 54 2 5 4 52 4 5 - 2 71 4 0 1 4 5 9 0 0 0 以上3 5 0 3 8 04 6 5 72 7 2 一一1 4 5 1 5 超巴拿马型集装箱船船型数据见表2 3 。 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 表2 3超巴拿马型集装箱船型数据表 序功率舱内箱数甲板箱数 t e u l p p ( m ) b ( m )d ( m )d s ( ) 主机 号( 马力) 列数 层数 列数 层数 l1 4 0 0 0 3 7 7 6 1 6 2 7 81 4 52 21 02 46 21 2 5 0 03 8 15 72 91 4 52 092 27 31 0 0 0 03 5 05 1 42 7 31 4 51 81 02 06 9 2 5 03 3 04 62 7 21 4 51 61 01 81 6 48 8 0 03 3 24 5 32 7 1 4 b w1 2 k 9 8 m c c x9 3 1 2 01 6 1 0 1 8 6 58 5 0 03 2 44 5 32 71 4b w1 2 k 9 8 m c c x9 3 1 2 01 6l o1 86 68 0 0 03 0 84 2 82 4 61 4 51 5 9 1 7 7 77 0 0 03 3 1 5 44 2 82 4 11 4 5b w1 2 k 9 0 m c7 4 6 4 01 491 75 86 8 0 02 8 64 2 52 4 5 1 4 s u l z e r1 1 r t a 9 6 c7 9 8 0 0 96 6 9 02 8 3 84 2 82 4 4 1 4 s u l z e r1 2 r t a 9 6 c8 9 6 4 01 5 91 76 1 06 7 8 82 8 64 2 52 4 51 47 9 8 0 0 1 16 5 0 02 9 24 02 4 2 1 4 b w1 2 i ( 9 8 m c c x9 3 1 2 01 491 66 6 4 4 72 8 6 34 0 32 4 11 4b w1 2 k 9 8 m c c9 3 1 2 01 491 67 1 26 3 0 02 8 34 2 82 4 21 3 5s u l z e r1 2 r t a 8 4 c u g6 6 1 2 01 591 76 1 36 2 5 22 9 24 02 4 21 4 b wi o k 9 8 m c c 7 7 6 0 01 491 66 1 46 2 0 02 8 3 84 0 2 3 91 4s u l z e r1l r t a 9 6 c8 2 1 7 01 491 66 1 56 0 0 03 0 2 2 74 2 8 2 4 11 4b w1 2 k 9 0 m c 7 4 6 4 0 1 75 1 7 1 66 0 0 02 6 54 0 3 2 4 11 4b & w1 2 k 9 0 m c c ( m k 6 ) 7 4 5 0 0 1 49 1 6 6 1 75 9 5 02 7 7 7 64 02 4 31 4b w1 2 k 9 0 m c7 4 6 4 01 491 6 6 1 85 7 0 02 8 3 84 02 3 9 1 4 s u l z e ri i r t a 9 6 c7 2 4 8 81 49 1 66 1 95 7 1 42 6 44 0 2 41 4b w1 2 k 9 0 m c ( m k 6 ) 7 4 6 4 0 01 49 1 68 2 05 6 6 82 6 5 84 0 32 4 1 1 4 b & w1 2 k 9 0 y c c7 4 5 2 01 49 1 68 2 15 5 5 12 6 34 0 2 4 21 4 s u l z e ri o r t a 9 6 c7 4 7 0 01 49 1 66 2 25 5 0 02 6 34 02 4 21 4s u l z e ri o r t a 9 6 c7 4 7 0 0i 491 66 2 35 5 0 02 6 44 02 41 4b w1 2 k 9 0 m c7 4 6 4 01 491 66 2 45 4 0 02 6 84 02 4 21 2 7s u l z e r1 2 r t a 8 4 c6 6 1 2 01 491 65 2 55 3 0 0 2 6 24 02 4 31 4s u l z e r1 2 r t a 8 4 c6 6 1 2 01 491 65 2 65 2 0 0 2 6 73 9 82 3 61 4b w1 0 l 9 0 m c 5 8 6 0 0 1 491 65 2 7 4 9 6 02 6 24 02 4 31 4s u l z e r1 2 r t a 8 4 c 6 6 1 2 0 1 491 65 2 84 8 2 62 6 24 02 4 31 41i k g o m c - c6 6 3 8 51 49 1 65 9 鲫忙廷蘧昌器oo嵌撰媒球烈即蝌臼裂n_z团 f1雎_n_日吾 flmh一口nn_d日 口【0 茸i i i flm【工no，c声日 ) l q 等宴o 、g o o n 茎日 【i鼍暴oo_【一岩h$矗蔷事嚼2函 刍i o o n =l嘎一一叠摹oo_【v警h霉_is日享茸薏鼍口 go导蔫 警豆i【o石暑召o舀 iiioo崎茎日 昔h墨【ioq磊分8工 goon：号一一一詹摹oo一言ii墨_is亭_一焉 囡_】liuu宙o 目。2 盖s口簋si。q iiio_【目n 吧等t n o g i i 苣。口 葛ono寸 弓口一rioq暑口娶 暑on心ndd 118累当声葡g_ _【ii吼吼卜n_d砖 一絮_ip。_【皇ii_1别割刮圈；ij回矧a割 删长划赵冬崆絮翊删蝶昌器心屺n 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 2 3 1 超大型集装箱船的l b 、b t 、l d 见图2 - 3 。 图2 - 3 超大型集装箱船的l b 、b t 、l d 特点 2 3 2 超大型集装箱船的载重量与载箱量 见图2 - 4 。 2 3 3 超大型集装箱船的载重量与功率 见图2 - 5 。 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 图2 5 超巴拿马型集装箱船功率与功率 2 3 4 超大型集装箱船的航速特点 大型船舶的航速随着船长的增加而增加。大型船舶仍以低于0 2 5 的适当f r o u d e 数 运行，远远低于兴波阻力的增加，而且每箱英里的燃料消耗非常小。但当3 0 0 米长的船舶 f r o u d e 数为0 2 5 时，相应航速为2 6 节以上。通常推进装置是采用由低速柴油机直接驱 动的单螺旋桨。 根据苏伊士规则，吃水深度1 4 米时最大船宽是5 8 米。见表2 4 。 表2 4苏伊士规则规定的最大船宽 吃水 苏伊士规则规定的最大船宽 1 4 0 米 5 8 0 米 1 4 5 米5 6 7 米 1 5 0 米5 4 8 米 1 2 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 3 集装箱船结构设计技术研究 3 1 船体梁剪切强度分析的基本原理和方法 对于受到横向剪切作用的剖面，将不再象简单梁理论所假设的那样保持为平面，而会 产生超出平面的变形，这种变形称为翘曲。 翘曲在扭转和横向剪切时均会出现，但这两种翘曲产生的原因不同，因而是有区别的。 若既有扭转又有横向剪切，那么两种翘曲都将存在。若翘曲受到约束，那么两种翘曲将发 生相互作用。为简单起见，本方法仅考虑横向剪切引起的翘曲。 在不受扭转的等直梁中，剖面的剪应变只是翘曲的导数： 驴考轳警 净。， 在薄壁梁中，利用剖面上的切线坐标或弧长坐标更为方便。这样，上述关系成为： ，：丝 a ( 3 2 ) 若不计端部影响，等直梁中的翘曲在剖面上的分布形式沿梁长保持不变，任一剖面上 翘曲的大小与该剖面上的横向剪力q ( x ) 成正比。因此，很方便地就引入一个翘曲函数口( x ) 来描述翘曲的横向分布，并将翘曲表示为下列乘积： u ( s ，x ) 2 ( j ) q ( x ) ( 3 3 ) 由于剪切应变，( 以及剪应力7 2 g y 是翘曲的导数，因此可通过首先求翘曲分布，然 后求导来确定横向剪应力的分布。即，通过在有一特定值之处定义“节点”，并假设节 点间为线性变化，将。的分布用离散的形式来描述。然后，用节点的吐k 值来表示体系 的总位能，并令n 对每一q 值的导数为零。这样就得到了关于q 的一组方程，求解这 组方程后就可立即得到剪应力的全部分布。 为了与船体分段分析法配合使用，这里对一长度为三的典型船体分段进行推导。如图 3 一l 、3 2 所示，一个船体分段可以由任意个厚度为t ，宽度为吃，长度为三的扁平矩形单 元构成。 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 x 图3 - 1 船体分段 图3 2由横向剪切引起的翘曲 为了具有一般性，横向剪力q 沿单元的长度线性变化，即作用在船体梁上的总体载荷 为均布载荷时的情况。若均布载荷的大小为 ，那么在任一剖面上的剪力为 q ( x ) = 包( 1 + 声勺 l 热痧= 等 级为在分段a 端的剪力。于是翘曲为： 心，垆c o o ( x ) g ( 1 + 矿主) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 由于的纵向变化与横向变化无关，因此完全可以用a 端的翘曲来说明问题。这 样，实质上就是一个二维剪流问题，其中要确定的是在a 端的剪流q ( s ) 。 设( 5 ) 在每一个单元内为线性变化。可以证明，对于每一个单元求得的常剪力流 1 4 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 僵就是该单兀中舅流趵平均僵，f f 卑兀总舅流的其余部分( 线性或抛物线分布，平均值 为零) 则可对每个单元单独求得，并迭加到平均剪流之上。因而对剖面的任意直线形状 和等厚度的部分，即使它的宽度吃相当大，也可以只用一个单元来表示。 单元的翘曲用节点值q i 和国口：表示为： o 卜1 + ( ( o q 2 - - p 毒 ( 3 6 ) 式中s 的正方向是从单元的节点l 指向节点2 。单元方向如图b - 2 所示用s 轴与船 体梁水平轴之间的夹角来规定。 单元的位能用应变表示为： 虬一g ，t , m fm f 。 y ( j ，x ) 2 触 将( b - 1 ) 式和( b 一4 ) 式带入并沿长度积分得： u 2 i ic 。见2 g t 上f 譬) “ 7 ) 式中：c 口小声+ ；妒2 将0 ) 的线性表达式代入，并对所有单元( 共。个) 求和得： u = 竿善fc 气乌一 净。， 总位能的另一个组成部分是外载荷因翘曲所做的负功。其值为微元上净纵向力 4 f 2 秀产出e 出与微元移过的距离，即局部翘曲位移( s ，x ) 的乘积。也就是说，整个单 舐 与微元移过的距离，即局部翘曲位移【j ，砷的乘积。也就是说，整个单 元中所做的功为： 形= j ”( s ，x ) d f ( 3 9 ) 纵向应力或是由船体弯曲引起的，或是当分段发生扭转时由扭转翘曲的约束引起 的。对弯曲应力，将卵与弯矩变化联系起来。 df：旦(鸟出。凼：祟上出tds：掣廊。西ox 、i 。 。 知i 。 ，。 。 将此表达式以及( b 一4 ) 式和( b 一5 ) 式代入( b - 8 ) 式。并沿单元长唐积分，最后 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 对所有单兀求和，结果得： ，r r 口2c i q 。a 2 l 。：。，ef ；一+ ! ! 学s l r ( s ) 出 ( 。一。) 式中：y ( s ) 的值可用单元节点1 处的值和方向角a 来表示。即， y o ) = y 1 + s t 2s i n a ( 3 1 1 ) 系统的总位能为n = u w 。根据n 对每一个必须为极小，由此得到关于的节 点值的方程组，即： 罢：o 川，。 式中n 一为节点数。经整理得： g 缸譬，2 列1m 兰“_ n m 脚。，以净 在上述方程组中，下标口已经由埘替代。这表示由于每一个方程对应一个节点( 第i 节点) ，对单元求和只需包括与该节点连接的m 个单元。对m 个单元中的每一个单元， 下标，表示远离节点i 的另一个节点。符号n m 为单元在节点f 处的节点号( 1 或2 ) 。 可以证明，轴向平衡要求在中和轴上的所有节点均有2 0 ，通过在所有这些点上 设节点，并令在这些点上的值为零，即可使上述要求得到满足。这样就有效地将原 方程组分成了独立的两个子系统。 当计算得到任意单元中r 的平均值，可由下式计算出任意单元中f 的局部分布或增 量分布，它是迭加在积分起始点( 节点1 ) 的f 值：l 上t t 。于是对于每一个单元，应迭 加到翘曲解得的平均值f 上去的局部分布为： 以沪5 吣) 吲 ( 3 - 1 3 ) 将y ( s ) 用y l 和来表示，并积分，上式变为： 嗽垆舡卜争+ 笋一争 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 双壳、双底构造船体的剪切中心的近似计算方法： 对于图3 3 所示的双壳、双底结构的船体剖面，其扭转刚性和剪切中心可以由以下 的公式近似计算。 t d i 1 i i t s t l d l i b t 。 ? 1 t b l b e d j 图3 - 3 剖面简化图 计算扭转刚性时，双底的纵向构件、如中桁材、旁桁材等有效性较小，可忽略不计。 则扭转刚性g j 为： p ，4 g a 2 吲2 哥万 ( 3 一1 5 ) 式中：g 为材料剪切模量，4 为封闭面的板厚中心线所包围的内部面积，b ，为板的长 度。r 为板的厚度。 剪切中心位置e 为： 一 3 h “( f ，+ t 1 ) e = - - - 。- - 。二：- - 。- - - - - - 一 b ( “+ r f ) + 6 h ( f ，+ t f ) 1 7 ( 3 1 6 ) 大型集装箱船总体布置及结构设计研究 3 2 集装箱船的结构强度设计 3 2 1 基本思想 对于现代的和创新的集装箱船设计，关键就是要完全理解对带有一个“大开口甲板” 集装箱船结构状况并仔细分析应力和变形。集装箱船的结构遭遇主要来自甲板水平位置的 结构节点中的疲劳问题，这主要由于在中拱条件下的高应力引起的，这种高应力主要是由 分布在整个船长上的货物而增加的。影响船体结构的主要比值是l b 、b t 及c b 。增加船 长只会产生更高的弯矩，特别在中拱情况下，这是由于船体( l o a 3 0 0 m ) 的扭矩和弹性而 积蓄增加的应力造成的。吃水限制将迫使船宽增加，因此减少了较高的剖面模数。 扭转诱导的甲板应力通过进行集装箱船整个长度范围内的有限元分析来确定，舱口的变 形对集装箱船来说上是极其危险的。船体桁材垂向和水平方向的弯曲、扭转和甲板大开口 组合起来是影响变形的所有因素。舱口的变形也影响到横向结构和舱口角隅的应力分布。 3 2 2 结构疲劳敏感区域 对集装箱船来说，疲劳是极其敏感的事，而且特定的结构细节被认定为极其薄弱的。 主甲板和第二层甲板上的舱口角隅； 横向甲板箱形梁与纵向舱口围板连接处的舱1 3 围板结构； 舱口边围板： 首部结构和其他相关区域； 由首部砰击、首外飘与浪冲击力产生的动载荷和作用在集装箱船船首的甲板