兩種大型集裝箱船綁扎橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比計(jì)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(qiáng)度的對(duì)照計(jì)算淺析張鼎，黃維，時(shí)永鵬（中國(guó)船舶及大海工程設(shè)計(jì)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?yàn)檠芯繉?duì)象，鑒于通用大型有限元剖析軟件 PATRAN/NASTRAN 及CCS規(guī)范的有關(guān)要求，對(duì)兩種綁扎橋的構(gòu)造強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)照計(jì)算分析。結(jié)果表示：兩種型式的綁扎橋在構(gòu)造強(qiáng)度方面相差不大，對(duì)比而言，剪力墻式綁扎橋略優(yōu)于A型斜撐式。重點(diǎn)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(qiáng)度中圖分類

2、號(hào)： U661.43 文件標(biāo)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(duì)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(lái)綁扎兩 層以上的集裝箱1。集裝箱綁扎橋的設(shè)計(jì)是大型集裝箱船的重點(diǎn)技術(shù)之一，它不單關(guān)系到船舶的實(shí)質(zhì)裝箱 數(shù)和裝箱的靈巧性，還會(huì)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?yàn)檠芯繉?duì)象，采納通用大型有限元分 析軟件PATRAN/NASTRAN 3,并依據(jù) CCS （中國(guó)船 級(jí)社）規(guī)范4對(duì)于綁扎橋強(qiáng)度校核的有關(guān)要求，對(duì)三 種工況下兩種綁扎橋型式的強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)照剖析。初 步結(jié)論可為此后超大型集裝箱船的綁扎橋設(shè)計(jì)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(guó)船舶及大海工程設(shè)計(jì)研究院） 設(shè)計(jì)的某9000TEU集裝箱船采納剪力墻式綁扎橋， MARIC設(shè)計(jì)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(gè)集裝箱橫向空隙處設(shè)置，剪力墻在兩個(gè)立 柱間設(shè)置，兩個(gè)剪力墻一般間隔3個(gè)立柱跨檔。剪力墻板上設(shè)置了減少孔，可減少質(zhì)量，且經(jīng)過(guò)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(shè)置。綁扎橋斜撐一般 占用兩個(gè)立柱跨檔，且中間的立柱基本撤消，僅保存 頂層平臺(tái)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(xiàng)目： 工業(yè)和信息化部、財(cái)政部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（2012K24250）作者簡(jiǎn)介： 張鼎（1986-）,男，工學(xué)碩士，工程師。主要從事船舶與大海工程設(shè)計(jì)研究工作。船舶

7、電氣、導(dǎo)航與自動(dòng)化控制圖2 A型斜撐式綁扎橋表示圖2綁扎橋強(qiáng)度直接計(jì)算模型剖析對(duì)象本節(jié)的強(qiáng)度剖析針對(duì)剪力墻式和A型斜撐式綁扎橋。需要說(shuō)明的是，剪力墻式 綁扎橋 選用了 某9000TEU集裝箱船某號(hào)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(chǔ) 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(tái)寬度和高度、同樣的非導(dǎo)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(guò)NASTRAN 計(jì)算。1）坐標(biāo)系模型的整體坐標(biāo)系采納右手笛卡爾坐標(biāo)系：X方向?yàn)榇瑢挿较?，自中縱剖面指向右舷；Y方向?yàn)榇L(zhǎng)方向，指向船首；Z方向?yàn)?/p>

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(zhǎng)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(dǎo)向貼板等不影 響整體強(qiáng)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(tái)及平臺(tái)下的橫向和縱向加 強(qiáng)，采納板單元模擬；第一層平臺(tái)因?yàn)椴杉{格柵形式，不影響整體強(qiáng)度， 所以不表此刻模型中；綁扎橋立柱、第一層平臺(tái)支撐角鋼采納梁?jiǎn)卧M。橫向支撐構(gòu)造 中，剪力墻采納板單元模擬，剪力墻上增強(qiáng)筋采納梁 單元模擬；斜撐采納梁?jiǎn)卧M。依據(jù)CCS規(guī)范4有關(guān)綁扎橋有限元計(jì)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?cái)嗵幨┘?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(jì)算工況依據(jù)CCS規(guī)范4對(duì)綁扎橋強(qiáng)度校核的建議要求進(jìn)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(fù)荷（SWL ）, 一般為綁 扎桿破斷負(fù)

10、荷的50%,在校核綁扎橋強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)按集裝 箱系固手冊(cè)中可能出現(xiàn)最大綁扎力的工況進(jìn)行加載?？墒且?yàn)榧b箱系固手冊(cè)一般在船舶建筑末期才能 供給，而綁扎橋的設(shè)計(jì)需要在船舶建筑早期就達(dá)成，所 以CCS規(guī)范特別指出，在設(shè)計(jì)早期缺乏詳細(xì)綁扎力數(shù)據(jù)時(shí)，每根綁扎桿上的綁扎力可取175kN 。鑒于175kN設(shè)計(jì)的綁扎橋，假如在后期校核時(shí)出現(xiàn)局部應(yīng) 力較大的狀況，只要對(duì)局部構(gòu)造進(jìn)行調(diào)整增強(qiáng)即可。綜上所述，本計(jì)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(duì)應(yīng)的集裝箱箱腳的相對(duì)地點(diǎn)。參照9000TEU的集裝箱部署，獲得二者的相對(duì)地點(diǎn)（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(gè)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(fēng)綁眼板三張鼎等，兩種大型集裝箱船綁扎橋構(gòu)造強(qiáng)度的對(duì)照計(jì)算淺析種載荷作用點(diǎn)，中間地區(qū)包含高眼板和低眼板兩種載荷作用點(diǎn)。表1集裝箱箱腳與綁刺眼板的相對(duì)地點(diǎn)（單位：mm）箱腳相對(duì)眼板地點(diǎn)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(fēng)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(fēng)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?yàn)闃?gòu)造橫向?qū)ΨQ，計(jì)算僅考慮拉力指向右舷（Fx均為正）的狀況，即對(duì)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?yàn)槔?，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(qiáng)度評(píng)估橫準(zhǔn)依據(jù)CCS規(guī)范4要求，綁扎橋構(gòu)造的應(yīng)力應(yīng)不大 于以下數(shù)值：許用合成應(yīng)力：

13、0.88 yN/mm 2許用剪應(yīng)力：0.4 y N/mm 2此中，綁扎橋的主要構(gòu)造采納 AH36高強(qiáng)度鋼，其 折服極限y=355N/mm 2。3計(jì)算結(jié)果剖析計(jì)算所得的各工況下最大合成應(yīng)力和最大剪應(yīng)力與相應(yīng)許用應(yīng)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(yīng)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(yīng)力和最大剪應(yīng)力均小于規(guī)范許用值，所以 兩種綁扎橋的構(gòu)造強(qiáng)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(dǎo)航與自動(dòng)化控制表3 應(yīng)力比較計(jì)算工況

14、最大合成應(yīng)力/(N/mm 2)許用應(yīng)力/(N/mm2 )計(jì)算工況最大剪應(yīng)力/(N/mm )許用應(yīng)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(guò)對(duì)照三種工況下的應(yīng)力水平能夠看到，對(duì)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(huì)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(duì)應(yīng)的應(yīng) 力水平也要高于其余兩種工況，所以建議在強(qiáng)度校核 中應(yīng)優(yōu)先考慮雙側(cè)加載的工況，即工況三。同時(shí)，經(jīng)過(guò)

15、對(duì)照同一工況下兩種綁扎橋型式的應(yīng) 力水平能夠看出，兩種型式的應(yīng)力水平相差不大，剪 力墻式綁扎橋的最大應(yīng)力略低于斜撐式。4 結(jié)論經(jīng)過(guò)對(duì)剪力墻式和 A型斜撐式綁扎橋強(qiáng)度的對(duì)照 剖析，能夠看出在強(qiáng)度校核中應(yīng)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(qiáng)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(shè)計(jì)還需考慮振動(dòng)問(wèn)題，即其固有頻次和激 勵(lì)頻次能否錯(cuò)開(kāi)，在此后的工作中需進(jìn)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(xué) 第一版社,2011.2王興勝.集裝箱船綁扎橋構(gòu)造振動(dòng)剖析研究D.大連：大連理工大學(xué)，2013.3 MSC. PATRAN & MSC.NASTRAN使用指南M.北京:BUAA, 2002.4中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范S.北京：人民交通第一 版社，2012.5中國(guó)船舶及大海工程設(shè)