两种大型集装箱船绑扎桥结构强度对比计算浅析

1、SHIP ENGINEERINGVol.37 Supplement 1 2015船舶工程总第37卷，2015年增刊 1两种大型集装箱船绑扎桥构造强度的对照计算浅析张鼎，黄维，时永鹏（中国船舶及大海工程设计研究院民船部，上海 200011 ）摘 要：以大型集装箱船常有的剪力墙式绑扎桥和A型斜撑式绑扎桥为研究对象，鉴于通用大型有限元剖析软件 PATRAN/NASTRAN 及CCS规范的有关要求，对两种绑扎桥的构造强度进行了对照计算分析。结果表示：两种型式的绑扎桥在构造强度方面相差不大，对比而言，剪力墙式绑扎桥略优于A型斜撑式。重点词：大型集装箱船；剪力墙式绑扎桥；A型斜撑式绑扎桥；构造强度中图分类

2、号： U661.43 文件标记码： 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前言对于大型集装箱船，堆装在甲板以上的集装箱数 约占总箱数的 50%左右，需利用绑扎桥装置来绑扎两 层以上的集装箱1。集装箱绑扎桥的设计是大型集装箱船的重点技术之一，它不单关系到船舶的实质装箱 数和装箱的灵巧性，还会影响到船舶主尺度的选择和 船舶的整体部署2。本

5、文以大型集装箱船常有的剪力墙式绑扎桥和A 型斜撑式绑扎桥为研究对象，采纳通用大型有限元分 析软件PATRAN/NASTRAN 3,并依据 CCS （中国船 级社）规范4对于绑扎桥强度校核的有关要求，对三 种工况下两种绑扎桥型式的强度进行了对照剖析。初 步结论可为此后超大型集装箱船的绑扎桥设计供给一 定的参照。绑扎桥型式常有的绑扎桥构造型式主要有剪力墙式和A型斜撑式，如MARIC （中国船舶及大海工程设计研究院） 设计的某9000TEU集装箱船采纳剪力墙式绑扎桥， MARIC设计的某10000TEU集装箱船采纳A型斜撑式绑扎桥。两种绑扎桥的主要构造特色以下5：）剪力墙式绑扎桥主要由立柱和剪力墙构

6、成，且立柱在每个集装箱横向空隙处设置，剪力墙在两个立 柱间设置，两个剪力墙一般间隔3个立柱跨档。剪力墙板上设置了减少孔，可减少质量，且经过减少孔能 察看到集装箱操作。剪力墙式绑扎桥如图1所示。） A型斜撑式绑扎桥主要由立柱和斜撑构成，立柱在集装箱横向空隙处是间隔设置。绑扎桥斜撑一般 占用两个立柱跨档，且中间的立柱基本撤消，仅保存 顶层平台以上部分用于绑扎。A型斜撑式绑扎桥如图2所示。收稿日期：2015-03-30 ;修回日期：基金项目： 工业和信息化部、财政部高技术船舶科研项目（2012K24250）作者简介： 张鼎（1986-）,男，工学硕士，工程师。主要从事船舶与大海工程设计研究工作。船舶

7、电气、导航与自动化控制图2 A型斜撑式绑扎桥表示图2绑扎桥强度直接计算模型剖析对象本节的强度剖析针对剪力墙式和A型斜撑式绑扎桥。需要说明的是，剪力墙式 绑扎桥 选用了 某9000TEU集装箱船某号绑扎桥，为了使剖析更具可比性，A型斜撑式是在9000TEU剪力墙式绑扎桥的基础 上改正而成的，两种型式拥有同样的横向宽度（沿船 舶横向）、同样的平台宽度和高度、同样的非导向立柱构造形式，而且鉴于同样的集装箱横向部署。主要参数利用有限元软件PATRAN建模，经过NASTRAN 计算。1）坐标系模型的整体坐标系采纳右手笛卡尔坐标系：X方向为船宽方向，自中纵剖面指向右舷；Y方向为船长方向，指向船首；Z方向为

8、型深方向，自基线指向甲板。本节中 所用“横向”指船宽方向，“纵向”指船 长方向。2）有限元模型有限元模型包含了绑扎桥主要构造构件，如立柱、斜撑、连结肘板等，绑刺眼板、立柱导向贴板等不影 响整体强度的绑扎附件未作考虑。绑扎桥主体构造中，第二和第三层绑扎桥平台及平台下的横向和纵向加 强，采纳板单元模拟；第一层平台因为采纳格栅形式，不影响整体强度， 所以不表此刻模型中；绑扎桥立柱、第一层平台支撑角钢采纳梁单元模拟。横向支撑构造 中，剪力墙采纳板单元模拟，剪力墙上增强筋采纳梁 单元模拟；斜撑采纳梁单元模拟。依据CCS规范4有关绑扎桥有限元计算的要求， 板单元大小约为100mm 100mm ,图3和图4

9、为绑扎桥 有限元模型表示图。3）界限条件有限元模型在构造截断处施加 X、Y、Z三方向的 位移拘束，即在绑扎桥与舱口围板、立柱连结处限制构造单元的线位移，如图 5、图6所示图3剪力墙式绑扎桥模型图4 A型斜撑式绑扎桥模型图5剪力墙式绑扎桥界限条件图6 A型斜撑式绑扎桥界限条件工况及载荷况本节有限元模型的计算工况依据CCS规范4对绑扎桥强度校核的建议要求进行，包含以下三种工况：工况一：仅绑扎桥靠脑侧绑刺眼板受力。工况二：仅绑扎桥靠舰侧绑刺眼板受力。工况三：双侧绑刺眼板均受力。2）载荷大小依据CCS规范4规定，作用在绑刺眼板上的理论 最大载荷是绑扎杆的安全工作负荷（SWL ）, 一般为绑 扎杆破断负

10、荷的50%,在校核绑扎桥强度时，应按集装 箱系固手册中可能出现最大绑扎力的工况进行加载。可是因为集装箱系固手册一般在船舶建筑末期才能 供给，而绑扎桥的设计需要在船舶建筑早期就达成，所 以CCS规范特别指出，在设计早期缺乏详细绑扎力数据时，每根绑扎杆上的绑扎力可取175kN 。鉴于175kN设计的绑扎桥，假如在后期校核时出现局部应 力较大的状况，只要对局部构造进行调整增强即可。综上所述，本计算中的载荷大小取为 175kN。3）载荷方向载荷沿着绑扎杆的方向散布，其空间角度定位取 决于绑刺眼板与对应的集装箱箱脚的相对地点。参照9000TEU的集装箱部署，获得二者的相对地点（表1） 和绑刺眼板上的载荷

11、分解（表2）。依据载荷方向的不一样，将绑扎桥上的眼板分为两个地区：舷侧地区和中 间地区；舷侧地区包含高眼板、低眼板微风绑眼板三张鼎等，两种大型集装箱船绑扎桥构造强度的对照计算浅析种载荷作用点，中间地区包含高眼板和低眼板两种载荷作用点。表1集装箱箱脚与绑刺眼板的相对地点（单位：mm）箱脚相对眼板地点中间局眼板中间低眼板 舷侧高眼板舷侧低眼板舷侧风绑眼板 X 23672143246722552467AY780810660687790 Z25622472261325375420表2绑刺眼板上的载荷分解（单位：kN ）分力中间局眼板中间低眼板舷侧高眼板舷侧低眼板舷侧风绑眼板Fx 115.9111.31

12、18.2113.971.9Fy38.2 42.131.634.7231 fz1254128412521821574）加载方式依据绑扎杆的受力特色，加载仅考虑绑扎杆蒙受拉 力的状况，且全部绑扎杆的拉力均指向一舷（左舷或右 舷）。因为构造横向对称，计算仅考虑拉力指向右舷（Fx均为正）的状况，即对于绑扎桥立柱双侧（沿船 宽方向）的眼板，仅右边的眼板受拉力，左边眼板不受 力。以剪力墙式绑扎桥为例，工况三载荷的典型散布 如图7、图8所示。图7 绑扎桥舷侧地区加载表示图（工况三）图8绑扎桥中间地区加载表示图（工况三）2.4强度评估横准依据CCS规范4要求，绑扎桥构造的应力应不大 于以下数值：许用合成应力：

13、0.88 yN/mm 2许用剪应力：0.4 y N/mm 2此中，绑扎桥的主要构造采纳 AH36高强度钢，其 折服极限y=355N/mm 2。3计算结果剖析计算所得的各工况下最大合成应力和最大剪应力与相应许用应力的比较如表3所示。限于篇幅，本节仅 列出工况三状况下的绑扎桥合成应力散布云图，如图9、图10所示。从表3能够看到，各工况下绑扎桥主要构造件的 最大合成应力和最大剪应力均小于规范许用值，所以 两种绑扎桥的构造强度均知足规范要求。图9 剪力墙式绑扎桥 Von Mises散布图（工况三）图10 A型斜撑式绑扎桥Von Mises散布图（工况三）船舶电气、导航与自动化控制表3 应力比较计算工况

14、最大合成应力/(N/mm 2)许用应力/(N/mm2 )计算工况最大剪应力/(N/mm )许用应力/(N/mm 2)剪力墙式A型斜撑式剪力墙式A型斜撑式剪力墙式A型斜撑式剪力墙式|A型斜撑式工况一243279312.4工况一90.1104142工况二245279工况二108129工况三282291工况三123132经过对照三种工况下的应力水平能够看到，对于 同一种绑扎桥型式，工况三的横向力和垂向力约为工 况一、工况二的两倍，纵向力会相互抵消，整体而言 工况三的协力比其余两种工况要大，工况三对应的应 力水平也要高于其余两种工况，所以建议在强度校核 中应优先考虑双侧加载的工况，即工况三。同时，经过

15、对照同一工况下两种绑扎桥型式的应 力水平能够看出，两种型式的应力水平相差不大，剪 力墙式绑扎桥的最大应力略低于斜撑式。4 结论经过对剪力墙式和 A型斜撑式绑扎桥强度的对照 剖析，能够看出在强度校核中应优先考虑绑扎桥双侧 加载的工况，且两种型式的绑扎桥在构造强度方面相 差不大，剪力墙式绑扎桥略优于A型斜撑式。止匕外,绑扎桥的设计还需考虑振动问题，即其固有频次和激 励频次能否错开，在此后的工作中需进一步研究。参照文件：1陈小剑，杨榄.船舶货物部署与系固M.上海交通大学 第一版社,2011.2王兴胜.集装箱船绑扎桥构造振动剖析研究D.大连：大连理工大学，2013.3 MSC. PATRAN & MSC.NASTRAN使用指南M.北京:BUAA, 2002.4中国船级社.钢制海船入级规范S.北京：人民交通第一 版社，2012.5中国船舶及大海工程设