兩種大型集裝箱船綁扎橋結(jié)構(gòu)強度對比計算淺析

1、SHIP ENGINEERINGVol.37 Supplement 1 2015船舶工程總第37卷，2015年增刊 1兩種大型集裝箱船綁扎橋構(gòu)造強度的對照計算淺析張鼎，黃維，時永鵬（中國船舶及大海工程設計研究院民船部，上海 200011 ）摘 要：以大型集裝箱船常有的剪力墻式綁扎橋和A型斜撐式綁扎橋為研究對象，鑒于通用大型有限元剖析軟件 PATRAN/NASTRAN 及CCS規(guī)范的有關要求，對兩種綁扎橋的構(gòu)造強度進行了對照計算分析。結(jié)果表示：兩種型式的綁扎橋在構(gòu)造強度方面相差不大，對比而言，剪力墻式綁扎橋略優(yōu)于A型斜撐式。重點詞：大型集裝箱船；剪力墻式綁扎橋；A型斜撐式綁扎橋；構(gòu)造強度中圖分類

2、號： U661.43 文件標記碼： A 【DOI】Structural Strength Comparative Analysis of Two Types of Large Container Vessel Lashing BridgeZHANG Ding, HUANG Wei, SHI Yong-Peng(Merchant Ship Department, Marine Design & Reaearch Institute of China, Shanghai 200011, China)Abstract:Shear plate lashing bridge and type A inc

3、lined lashing bridge are commom for large container vessel.Based on the FEM program PATRAN/NASTRAN and the requirement of CCS, structural strength of the above two types of large container vessel lashing bridge are compared. It can be seen that the structural strength of shear lashing bridge is a li

4、ttle better than that of type A inclined lashing bridge.Key words: large container vessel; shear plate lashing bridge; type A inclined lashing bridge;structuralstrength0前言對于大型集裝箱船，堆裝在甲板以上的集裝箱數(shù) 約占總箱數(shù)的 50%左右，需利用綁扎橋裝置來綁扎兩 層以上的集裝箱1。集裝箱綁扎橋的設計是大型集裝箱船的重點技術(shù)之一，它不單關系到船舶的實質(zhì)裝箱 數(shù)和裝箱的靈巧性，還會影響到船舶主尺度的選擇和 船舶的整體部署2。本

5、文以大型集裝箱船常有的剪力墻式綁扎橋和A 型斜撐式綁扎橋為研究對象，采納通用大型有限元分 析軟件PATRAN/NASTRAN 3,并依據(jù) CCS （中國船 級社）規(guī)范4對于綁扎橋強度校核的有關要求，對三 種工況下兩種綁扎橋型式的強度進行了對照剖析。初 步結(jié)論可為此后超大型集裝箱船的綁扎橋設計供給一 定的參照。綁扎橋型式常有的綁扎橋構(gòu)造型式主要有剪力墻式和A型斜撐式，如MARIC （中國船舶及大海工程設計研究院） 設計的某9000TEU集裝箱船采納剪力墻式綁扎橋， MARIC設計的某10000TEU集裝箱船采納A型斜撐式綁扎橋。兩種綁扎橋的主要構(gòu)造特色以下5：）剪力墻式綁扎橋主要由立柱和剪力墻構(gòu)

6、成，且立柱在每個集裝箱橫向空隙處設置，剪力墻在兩個立 柱間設置，兩個剪力墻一般間隔3個立柱跨檔。剪力墻板上設置了減少孔，可減少質(zhì)量，且經(jīng)過減少孔能 察看到集裝箱操作。剪力墻式綁扎橋如圖1所示。） A型斜撐式綁扎橋主要由立柱和斜撐構(gòu)成，立柱在集裝箱橫向空隙處是間隔設置。綁扎橋斜撐一般 占用兩個立柱跨檔，且中間的立柱基本撤消，僅保存 頂層平臺以上部分用于綁扎。A型斜撐式綁扎橋如圖2所示。收稿日期：2015-03-30 ;修回日期：基金項目： 工業(yè)和信息化部、財政部高技術(shù)船舶科研項目（2012K24250）作者簡介： 張鼎（1986-）,男，工學碩士，工程師。主要從事船舶與大海工程設計研究工作。船舶

7、電氣、導航與自動化控制圖2 A型斜撐式綁扎橋表示圖2綁扎橋強度直接計算模型剖析對象本節(jié)的強度剖析針對剪力墻式和A型斜撐式綁扎橋。需要說明的是，剪力墻式 綁扎橋 選用了 某9000TEU集裝箱船某號綁扎橋，為了使剖析更具可比性，A型斜撐式是在9000TEU剪力墻式綁扎橋的基礎 上改正而成的，兩種型式擁有同樣的橫向?qū)挾龋ㄑ卮?舶橫向）、同樣的平臺寬度和高度、同樣的非導向立柱構(gòu)造形式，而且鑒于同樣的集裝箱橫向部署。主要參數(shù)利用有限元軟件PATRAN建模，經(jīng)過NASTRAN 計算。1）坐標系模型的整體坐標系采納右手笛卡爾坐標系：X方向為船寬方向，自中縱剖面指向右舷；Y方向為船長方向，指向船首；Z方向為

8、型深方向，自基線指向甲板。本節(jié)中 所用“橫向”指船寬方向，“縱向”指船 長方向。2）有限元模型有限元模型包含了綁扎橋主要構(gòu)造構(gòu)件，如立柱、斜撐、連結(jié)肘板等，綁刺眼板、立柱導向貼板等不影 響整體強度的綁扎附件未作考慮。綁扎橋主體構(gòu)造中，第二和第三層綁扎橋平臺及平臺下的橫向和縱向加 強，采納板單元模擬；第一層平臺因為采納格柵形式，不影響整體強度， 所以不表此刻模型中；綁扎橋立柱、第一層平臺支撐角鋼采納梁單元模擬。橫向支撐構(gòu)造 中，剪力墻采納板單元模擬，剪力墻上增強筋采納梁 單元模擬；斜撐采納梁單元模擬。依據(jù)CCS規(guī)范4有關綁扎橋有限元計算的要求， 板單元大小約為100mm 100mm ,圖3和圖4

9、為綁扎橋 有限元模型表示圖。3）界限條件有限元模型在構(gòu)造截斷處施加 X、Y、Z三方向的 位移拘束，即在綁扎橋與艙口圍板、立柱連結(jié)處限制構(gòu)造單元的線位移，如圖 5、圖6所示圖3剪力墻式綁扎橋模型圖4 A型斜撐式綁扎橋模型圖5剪力墻式綁扎橋界限條件圖6 A型斜撐式綁扎橋界限條件工況及載荷況本節(jié)有限元模型的計算工況依據(jù)CCS規(guī)范4對綁扎橋強度校核的建議要求進行，包含以下三種工況：工況一：僅綁扎橋靠腦側(cè)綁刺眼板受力。工況二：僅綁扎橋靠艦側(cè)綁刺眼板受力。工況三：雙側(cè)綁刺眼板均受力。2）載荷大小依據(jù)CCS規(guī)范4規(guī)定，作用在綁刺眼板上的理論 最大載荷是綁扎桿的安全工作負荷（SWL ）, 一般為綁 扎桿破斷負

10、荷的50%,在校核綁扎橋強度時，應按集裝 箱系固手冊中可能出現(xiàn)最大綁扎力的工況進行加載。可是因為集裝箱系固手冊一般在船舶建筑末期才能 供給，而綁扎橋的設計需要在船舶建筑早期就達成，所 以CCS規(guī)范特別指出，在設計早期缺乏詳細綁扎力數(shù)據(jù)時，每根綁扎桿上的綁扎力可取175kN 。鑒于175kN設計的綁扎橋，假如在后期校核時出現(xiàn)局部應 力較大的狀況，只要對局部構(gòu)造進行調(diào)整增強即可。綜上所述，本計算中的載荷大小取為 175kN。3）載荷方向載荷沿著綁扎桿的方向散布，其空間角度定位取 決于綁刺眼板與對應的集裝箱箱腳的相對地點。參照9000TEU的集裝箱部署，獲得二者的相對地點（表1） 和綁刺眼板上的載荷

11、分解（表2）。依據(jù)載荷方向的不一樣，將綁扎橋上的眼板分為兩個地區(qū)：舷側(cè)地區(qū)和中 間地區(qū)；舷側(cè)地區(qū)包含高眼板、低眼板微風綁眼板三張鼎等，兩種大型集裝箱船綁扎橋構(gòu)造強度的對照計算淺析種載荷作用點，中間地區(qū)包含高眼板和低眼板兩種載荷作用點。表1集裝箱箱腳與綁刺眼板的相對地點（單位：mm）箱腳相對眼板地點中間局眼板中間低眼板 舷側(cè)高眼板舷側(cè)低眼板舷側(cè)風綁眼板 X 23672143246722552467AY780810660687790 Z25622472261325375420表2綁刺眼板上的載荷分解（單位：kN ）分力中間局眼板中間低眼板舷側(cè)高眼板舷側(cè)低眼板舷側(cè)風綁眼板Fx 115.9111.31

12、18.2113.971.9Fy38.2 42.131.634.7231 fz1254128412521821574）加載方式依據(jù)綁扎桿的受力特色，加載僅考慮綁扎桿蒙受拉 力的狀況，且全部綁扎桿的拉力均指向一舷（左舷或右 舷）。因為構(gòu)造橫向?qū)ΨQ，計算僅考慮拉力指向右舷（Fx均為正）的狀況，即對于綁扎橋立柱雙側(cè)（沿船 寬方向）的眼板，僅右邊的眼板受拉力，左邊眼板不受 力。以剪力墻式綁扎橋為例，工況三載荷的典型散布 如圖7、圖8所示。圖7 綁扎橋舷側(cè)地區(qū)加載表示圖（工況三）圖8綁扎橋中間地區(qū)加載表示圖（工況三）2.4強度評估橫準依據(jù)CCS規(guī)范4要求，綁扎橋構(gòu)造的應力應不大 于以下數(shù)值：許用合成應力：

13、0.88 yN/mm 2許用剪應力：0.4 y N/mm 2此中，綁扎橋的主要構(gòu)造采納 AH36高強度鋼，其 折服極限y=355N/mm 2。3計算結(jié)果剖析計算所得的各工況下最大合成應力和最大剪應力與相應許用應力的比較如表3所示。限于篇幅，本節(jié)僅 列出工況三狀況下的綁扎橋合成應力散布云圖，如圖9、圖10所示。從表3能夠看到，各工況下綁扎橋主要構(gòu)造件的 最大合成應力和最大剪應力均小于規(guī)范許用值，所以 兩種綁扎橋的構(gòu)造強度均知足規(guī)范要求。圖9 剪力墻式綁扎橋 Von Mises散布圖（工況三）圖10 A型斜撐式綁扎橋Von Mises散布圖（工況三）船舶電氣、導航與自動化控制表3 應力比較計算工況

14、最大合成應力/(N/mm 2)許用應力/(N/mm2 )計算工況最大剪應力/(N/mm )許用應力/(N/mm 2)剪力墻式A型斜撐式剪力墻式A型斜撐式剪力墻式A型斜撐式剪力墻式|A型斜撐式工況一243279312.4工況一90.1104142工況二245279工況二108129工況三282291工況三123132經(jīng)過對照三種工況下的應力水平能夠看到，對于 同一種綁扎橋型式，工況三的橫向力和垂向力約為工 況一、工況二的兩倍，縱向力會相互抵消，整體而言 工況三的協(xié)力比其余兩種工況要大，工況三對應的應 力水平也要高于其余兩種工況，所以建議在強度校核 中應優(yōu)先考慮雙側(cè)加載的工況，即工況三。同時，經(jīng)過

15、對照同一工況下兩種綁扎橋型式的應 力水平能夠看出，兩種型式的應力水平相差不大，剪 力墻式綁扎橋的最大應力略低于斜撐式。4 結(jié)論經(jīng)過對剪力墻式和 A型斜撐式綁扎橋強度的對照 剖析，能夠看出在強度校核中應優(yōu)先考慮綁扎橋雙側(cè) 加載的工況，且兩種型式的綁扎橋在構(gòu)造強度方面相 差不大，剪力墻式綁扎橋略優(yōu)于A型斜撐式。止匕外,綁扎橋的設計還需考慮振動問題，即其固有頻次和激 勵頻次能否錯開，在此后的工作中需進一步研究。參照文件：1陳小劍，楊欖.船舶貨物部署與系固M.上海交通大學 第一版社,2011.2王興勝.集裝箱船綁扎橋構(gòu)造振動剖析研究D.大連：大連理工大學，2013.3 MSC. PATRAN & MSC.NASTRAN使用指南M.北京:BUAA, 2002.4中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范S.北京：人民交通第一 版社，2012.5中國船舶及大海工程設