毕业论文9027M近海集装箱船结构规范设计.docx

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毕业论文9027M近海集装箱船结构规范设计

本科毕业论文

专业

学生姓名

班级学号

指导教师

船舶与海洋工程学院

江苏科技大学本科毕业论文

90.27M近海集装箱船结构规范设计

Structuredesignof90.27MInshorecontainershipbyrules

CoastalContainerShipby

rules

摘要

随着世界贸易的迅速发展，集装箱船需求量迅速增加，目前世界各大船厂接单量猛增。

集装箱船朝着大型化发展，但由于世界各国日益重视内河航道运输的发展，小型集装箱船也有广阔的发展空间。

本文介绍了90.27M近海集散两用货船规范设计的基本过程，主要依据CCS2006版《钢质海船入级与建造规范》进行结构设计计算与校核。

本船为球鼻艏，方尾全焊接结构钢质船，设单层连续甲板，尾部设五层甲板室，采用单机单桨流线型双支点平衡舵。

货舱区域为纵骨架式，艏艉及上层建筑为横骨架式。

本文的主要内容包括：

1.集装箱船的发展及展望，集装箱船结构特点，规范设计方法及设计过程中应注意的问题。

2.90.27M集装箱船结构规范设计计算，及船中货舱区横剖面的弯曲强度校核。

3.典型横剖面图和基本结构图的绘制。

关键词：

集装箱船；规范设计；横剖面图；基本结构图

Abstract

Alongwiththefastdevelopmentofworldtrade,thedemandofcontainershipsincreasequickly,nowmanybigcompaniesgetmanyorders.Withcontainershipstendingtolarge-scale,butbecausemanycountriesnowdevelopinland-rivertransportation,small-scalecontainershipalsohasawideforeground.

Thispaperintroducethebasicstructureofstandardizeddesignprocessof90.27Mcontainership,whichisdesigned,calculatedandcheckedaccordingtoCCS<>（2006edition）.Thisshipwithbulbbow,transomsternofweldedsteelstructure,singlecontinuousdeck，five-storeydeckhousesatstern,usingsingle-propelleraerodynamicbalancefulcrumrudder.Cargocabindistrictislongitudinalframe,thebow,sternandsuperstructureistransverseframe.

Themaincontentsofthisarticleincludes:

1.Developmentandforecastingofcontainership;Thestructuralcharacteristicsofcontainership;Themethodsandwhatshouldbepayattentiontoduringthedesign.

2.Thebasicprocessof90.27Mcontainershipstructuredesign,andexaminationofbendingintensityofthemidshipsectionindistrictofcargocabin.

3.Mappingofthemidshipsection,basicconstructionprofileandplan

Keywords:

containership；structuredesign；mapofthemidshipsection；map

ofbasicconstructionprofileandplan

第一章绪论

1.1集装箱船的发展概况

集装箱船顾名思义就是运载标准化、规格化集装箱的船舶，首先概括一下集装箱的发展概况。

集装箱化的概念是很早就有的，集装箱运输的设想可追溯到19世纪。

早在19世纪中期，当时国际贸易发达的英国人就提出了集装箱运输的想法。

虽然之后在英国国内也出现许多将集装箱投入到实际运输中来的构想，但一直没有变为现实。

正式使用集装箱运输是20世纪初期，而且也不是出现在船舶运输中，而是出现在公路和铁路运输。

直到20世纪40年代，英国大陆集装箱服务公司才尝试海上集装箱运输，而当时的集装箱仅仅是包装件。

到了50年代，美国军方大力研究集装箱运输项目，用于运输军需、弹药，同时在美国西海岸及加勒比海出现了用于装一般货物的货船装载一些集装箱。

1956年美国“海陆公司”首次把陆地集装箱运输推广到海上，将大型油轮“马科斯顿”号改成集装箱船，在纽约-休斯敦航线上进行集装箱海运。

运输集装箱的货船，由许多格栅将船舱隔成格，舱面有固定集装箱的专用设备。

集装箱船上有冷冻设备、保温设备等以便运送各类物品；还有为保证运输安全的安全设备和系统。

该船在运营三个月后，取得了巨大的营运效果，在航运界引起了极大反响。

之后世界各国也开始采用集装箱运输。

到了60年代后期，集装箱船迅速并朝大型化发展。

集装箱从20世纪50年代开始发展起来，尽管它的出现不过50年左右，但发展速度很让人吃惊，到目前为止，世界很多国家在几百（据不完全统计，大约600）条航线上开展集装箱运输，许多发达国家，大都形成了完善的运输体系。

50年来，集装箱船从旧船改造到研发设计新船，到现在，集装箱船已朝大型化发展。

概括起来，中间大概经历了六个阶段。

上世纪60年代，横穿太平洋、大西洋的第一代集装箱船出世，但只有17000-20000总吨，可装载7 00-1000TEU。

进入70年代，40000-50000总吨集装箱船的集装箱装载数增加到1800-2000TEU，航速从第一代的23节提高到26-27节，这个时期的集装箱船被称为第二代。

1973年石油危机过后，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20-22节，但船体尺寸增大，集装箱的装载数达到了3000TEU，提高了运输效率。

上世纪80年代后期，集装箱船航速进一步提高，大型化的限度以能通过巴拿马运河为准绳，集装箱装载总数增加到4400TEU，这一时期的集装箱船被称为第四代。

由于采用了高强度钢，船舶重量减轻了25％，新型大功率柴油机的使用降低了燃料费，又由于船舶自动化程度的提高，减少了船员人数，进一步提高了集装箱船经济性。

德国船厂最先建造的5艘APLC-10型，可装载4800TEU的集装箱船，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。

此后，1996年春季竣工、最多可装载8000TEU的

RehinaMaersk号集装箱船，又拉开了第六代集装箱船的序幕。

目前，可装载10000TEU以上的集装箱船已开工建造，12000-15000TEU的集装箱船已完成了建造设计，载运量高达15500TEU，甚至18000TEU以上的超巨型集装箱船也在设计之中。

由于集装箱船日益朝大型化发展，对全球集装箱运输业，特别是对码头、进出港水域、装卸船机械、装卸工艺系统等硬件设施的建设与发展产生了极大的冲击和影响，而国际贸易与物流的发展，又促进了集装箱船的发展，其大型化的变化，每5年就要上一个台阶。

由于集装箱运输的广泛普及，国际贸易的多样化，一般杂货船逐渐趋向于集装箱化，以增强其适应性和运输能力，减少空放率和停港时间，从而提高其营运经济性，获得更大的经济效益。

因此，现代货船也在普通货船的基础上发展成一种既能装杂货和散货，又能装载集装箱的多用途货船。

由于集装箱船运输效率高、运货种类多、货损小、货运质量高，所以船舶市场集装箱船非常走俏，近年来，世界各大船厂接单量也有增无减，以外高桥和沪东为例，这两家造船企业接单以到2012年。

改革开放以来，随着对外贸易的不断增加，国际国内市场的开拓，以及造船中心的转移，促进了我国船舶工业和远洋及内河运输业的发展。

再加上政府大力支持船舶业的发展，我国对一些新船型的开发、设计、建造，标志我国的船舶工业已经提高到国际先进水平，但和发达国家比还有一定的差距。

我国目前正在努力有造船大国向造船强国转变。

由于我国造船水平的不断提高，一些大型企业和地方企业深得外国船东的青睐，这些企业已经能按任何一种建造规范，设计建造满足用户入级保险要求的符合国际公约、标准的各类现代化船舶。

地方造船企业的发展，又促进我国从造船大国向强国转变。

1.2集装箱船的特点

1．集装箱船由于其所装的是标准规格的集装箱，它的结构和一般的货船不同，为了装卸方便，垂向采用直壁式结构。

集装箱船的货舱口宽度几乎和货舱宽度一样大，舷边只留了宽度不大的甲板边板。

这样的开口对船的抗弯、抗扭和横向强度都很不利。

为了弥补强度的不足，在结构上通常采用以下措施加强：

（1）采用具有水密舷边舱的双舷侧；

（2）增加甲板板和舷侧板的厚度；

（3）加强两个货舱口之间的舱口端横梁和甲板横梁。

由于货舱的开口大，为了保证强度，必须采用相应的加强措施。

出于装卸方便的要求，从抗扭强度上考虑，最方便的就是在舷侧设内纵壁和抗扭箱；从稳性角度考虑，最方便的就是在舷侧设压载水舱。

2．集装箱船货舱区域的舷侧都具有双层壳板，其货舱载货的有效宽度和货舱宽度差不多。

内舷侧纵壁对甲板大开口造成的总纵强度的削弱做了补偿。

此外，舷边舱还能提高船体的抗沉性和用作压载水舱。

舷边舱内一般设置平台甲板，对增加总纵强度和刚度都有帮助，同时，平台甲板还可用作人员通道。

集装箱船舷侧多采用纵骨架式，有些船舶将上层平台甲板以下采用横骨架式，上层平台与甲板间采用箱形结构作为抗扭箱，以提高船舶的抗扭强度和总纵强度。

3．由于集装箱船甲板外飘、航速快，船体受到波浪的冲击力比较大，造成的冲荡应力也比较大，加上总纵合成应力也比较大，所以船体内结构所受的弯矩值也就大，所选取的构件尺寸也应较大。

和一般货船比，所受应力较大，疲劳问题更严重，从而对上甲板的设计与施工，舱口围板的设计与施工都提出了较高的要求。

4．为了装更多的集装箱，集装箱船通常设计成大的货舱开口和狭长的甲板条船舶，这使得船体的水平弯曲、扭转效应、横向强度在其总纵强度中所占的比例明显上升，舱口角隅处也会有明显的应力集中。

而随着货舱开口的宽度增加，应力集中也越来越明显，在机舱前端壁为纵横构件的交汇处，应力集中达到了最大。

一般的船舶货舱上甲板角隅采用抛物线形、椭圆形、圆弧形。

临近机舱处的甲板角隅的应力集中最大，若设计成抛物线形等常规形式，则需要很大的圆弧半径，这要求集装箱与纵舱壁、横舱壁的间隙更大，也会影响到布置的合理性，所以通常在角隅处设计成负半径的结构形式。

而舱口角隅的大小也将影响到集装箱的布置以及构件的布置。

5．为了获得更大的空间，装更多的集装箱，集装箱船的艏部线型往往外飘很严重，并且舷侧肋骨与外板夹角也很小（远远小于900）。

而且集装箱船的航速很高，通常大于20kn，并且伴有较高冰区等级，这对船首的外板抨击加强也提出了很高的要求。

有冰区加强的集装箱船在艏部的外板厚度增加较明显，并且肋骨尺寸也有较大的增加，另外在冰区加强的区域内设置了大量的防倾肘板。

集装箱船的艏楼上通常设有档浪板或防浪罩。

1.3结构设计概述

1.3.1.结构设计的依据

船体结构设计通常是在船体总体设计基本完成以后，根据以定的主尺度，型线图，总布置图以及任务书（对船舶用途，航区，建筑形式，甲板层数，主要设备，使用要求等）的要求进行的。

1.3.2.结构设计任务

结构设计的任务是选择合适的结构材料和结构形式，决定全部构件的尺寸和连接方式，在保证足够的强度和安全性等要求下，使结构具有最佳的技术经济性能。

1.3.3.结构设计的方法

、母型船设计法：

就是按照母型船的结构形式，结果尺寸和航区等，经分析处理设计出新的同类船舶。

、规范设计法：

目前民船主要采用这种方法进行结构设计，即主要按船舶建造规范进行，辅以必要的强度计算。

这种方法设计简便，一般强度能保证，但规范只能包括一般的运输船舶和通用的结构形式，而对特种尺度的船，特种船舶与特殊形式的结构，仍要按照船舶结构力学的方法进行强度校核。

、直接设计法：

对规范规定以外的船舶，只有采用直接设计的方法来决定设计船的构件尺寸，目前这种方法还不够完善。

、近几年来，结构设计由确定性设计逐渐向概率性设计原理过度。

概率设计原理就是将结构寿命期内影响结构安全和性能的各参数作为随机变量，用概率和数理统计方法分析结构在使用期内基本满足要求的概率。

1.3.4.规范设计的基本步骤

、根据型线图，总布置图以及任务书的要求，通过调查研究，总体分析同类船舶在结构上的优缺点，确定结构形式，肋骨间距以及改进措施。

、船体中部剖面结构设计。

、根据传统中部剖面与总布置图进行全船结构布置，即绘制基本结构图。

同时完成主要构件计算书。

、完成其它所有的图纸和文件。

船体中剖面图与基本结构图是全部结构的全局性构想，它集中反映了设计船的结构形式，主要构件尺寸，连接方式与构件布置，是其它结构图的原则依据，但随着设计阶段的深入与发展，结果图的绘制与计算都要不断修改和完善，直至达到最佳。

按规范进行结构设计的一般流程也可用图表示，

1.3.5.结构布置的一般原则

、结构的整体性原则

、受力均匀性和有效传递原则

、结构的连续性和减少应力集中原则

、局部加强原则

1.4设计成果及存在问题

通过以上对结构设计方法的概述，我们对规范设计有了一定的了解，这次毕业设计主要是规范设计，相信以上概述会对毕业设计有很大的帮助。

由于尚未参加工作，对船体结构的知识仅来源于课本及参考资料，加上对艏艉结构不熟悉，缺乏深层次的认识，因此，本次设计中，本次设计结果难免存在不足与错误。

设计本身就是理论运用到实践的过程，在以后的工作中，随着对全船结构认识的提高，必然能够做出更优秀的规范设计。

第二章结构规范计算书

2.1说明

本船为近海集散两用货船，航行于近海航区。

主要用于运载标准集装箱及一般干杂类货物。

本船为球鼻艏、方尾全焊接结构的钢质货船，设单层连续甲板、尾部设五层甲板室，采用单机、单桨流线型双支点平衡舵。

本船设单层连续甲板，货舱区域为纵骨架式，设双层底及抗扭箱，艏艉及上层建筑结构为横骨架式，本计算书按CCS2006《钢质海船入级与建造规范》进行计算与校核。

2.2船体主要参数

总长LOA96.38m

两柱间长Lpp90.27m

型宽B15.80m

型深D7.40m

设计吃水d5.75m

排水量6833.8t

方形系数Cb0.813

载重量5290t

主尺度比L/B=6.1＞5B/D=2.13≤2.5

2.3货舱区域船体结构构件计算

肋骨或纵骨的标准间距S应按下式计算§1.2.8.1

s=（0.0016×L+0.5）且不大于0.7m

s=（0.0016*90.27+0.5）=0.644m

取肋距s=0.6m

在首尾尖舱内，肋骨或舷侧纵骨的标准间距S应为1.2.8.1计算所得值与0.6m的较小者§1.2.8.2s=0.6m

在船端L区域内，上层建筑及甲板室的甲板纵骨的标准间距S应为1.2.8.1计算所得值与0.6m的较小者§1.2.8.3s=0.6m

系数C值:

C=0.0412L+4=7.47

2.3.1货舱区域船体外板

2.3.1.1船舯部0.4L区域船底板厚度t应不小于下列两式计算值§2.3.1.3

t1=0.043s（L+230）

t2=5.6s

式中：

s---纵骨间距，s=0.65m

d---吃水，m

L---船长，m,计算时取不必大于190m

Fb---折减系数，2.2.5.7，对于外板和甲板应不小与0.7,

对于骨材应不小于0.8Fb=1

h1=0.26C=0.26*7.47=1.942,计算时取不大于0.2d=1.15

取h1=1.15

t1=0.043s（L+230）fb1/2=0.43*0.65*（90.27+230）=8.9mm

t2=5.6s[fb（d+h1）]1/2=5.6*0.65*（5.75+1.15）1/2=9.56mm

取t=12mm，满足要求

2.3.1.2平板龙骨§2.3.2

平板龙骨宽b应不小于下式计算值

b=900+3.5L,且不必大于1800mm

平板龙骨厚不应小于本节计算的船底板厚度加2mm.且不应小于相邻船底板厚度.

b=800+3.5*90.27=1116mm

取b=1800mmt=12+2=14mm

2.3.1.3舭列板§2.3.3

当舭列板处为纵骨架式时,厚度t应不小于2.3.1.1计算值:

t=9.56mm取t=

12mm，满足要求

2.3.1.4舷侧列板§2.3.4

船舯0.4L区域纵骨架式，内舷侧外板厚度t应符合下述规定:

2.3.1.4.1距基线1/2D以上舷侧板厚度t应不小于下列两式计算值（§2.3.4.3）：

t1=0.06s（L+110）（Fd）0.5

t2=4.2s（d+h2）1/2

式中：

Fd—折减系数，2.2.5.7，对于外板和甲板应不小与0.7,对于骨材应不小于0.8

Fd=1h2=0.5C=0.5*7.47=3.735,且h2≯0.36d=0.36*5.75=2.07

取h2=2.07

带入：

t1=7.8mmt2=7.6mm

取t=12mm满足要求

2.3.1.4.2距基线D/4以下舷侧外板厚度t应不小于下列两式计算值:

t1=0.06s（L+110）（Fb）0.5

t2=5.4s[（d+h1）Fb]1/2

式中：

Fb—折减系数，2.2.5.7，对于外板和甲板应不小与0.7,对于骨材应不小于0.8Fb=1

带入：

t1=0.06s（L+110）（Fb）0.5=0.06*0.65*200.27=7.8

t2=5.4s[（d+h1）Fb]1/2=5.4*0.65*（5.75+1.15）1/2=9.2mm

取t=12mm满足要求

距基线D/4到D/2区域内的舷侧外板厚度t由上述所得值内插求得.

2.3.1.4.3舷顶列板§2.3.5

宽度b≮0.1D=0.74m，厚度不小于相邻舷侧外板的厚度。

船舯0.4L区域内的舷顶板厚度t应不小于下列两式计算值（§2.3.5.2）

t1=0.06s（L+110）（Fd）1/2=7.8

t2=0.9s（L+75）1/2=9.28

取t=14mmb=1.50m

2.3.2货舱区域甲板

2.3.2.1开口边线外强力甲板厚度t应不小于下列两式计算值§2.4.2.1

t1=0.06s（L+110）（Fd）1/2

t2=0.9s（L+75）1/2

式中：

s—纵骨间距

L—船长

Fd—折减系数,2.2.5.7

带入：

t1=0.06s（L+110）（Fd）1/2=7.8

t2=0.9s（L+75）1/2=9.28

取t=12mm满足要求

2.3.2.2开口线内离船端0.075L区域的强力甲板厚度t，不小于下式计算所得值（2.4.2.2）:

t=0.9s（L+75）1/2=9.28

取t=12mm满足要求

2.3.2.3甲板边板

在船中0.4L区域的强力甲板边板宽度应不小于下式值：

b=6.8L+500且不大于1800cm,厚度大于强力甲板厚.

b=6.8*90.27+500=1114

取b=1600cmt=14cm满足要求

2.3.2.4货舱横向甲板条宽度b及厚度t应符合下列要求§7.3.2.1

b=1000+1.5L=1135mm

t=10＋0.01L=10.9mm

取b=1800mmt=14mm满足要求

2.3.3货舱区域的纵骨架式双层底骨架（§2.6.1）

2.3.3.1双层底高度应不小于下式计算值（§2.6.2.1）

h0=25B+42d+300=936.5mm

取h0=1000mm满足要求

式中：

B---船宽d---吃水

2.3.3.2中桁材厚度t应不小于下式计算之值:

（§2.6.2.2）：

t=0.0077h0+4.0=11.21mm

取t=12mm满足要求

2.3.3.3旁桁材厚度可比中桁材厚度少3（§2.6.10.2）:

t=t中－3=11.21-3=8.21mm

取t=10mm满足要求

对于船长大于12m但不大于20m的船舶，中桁材两侧至少应各设置1道旁桁材.

非水密旁桁材垂直加强筋取—150×10满足要求

2.3.3.4实肋板厚度应不小于按下式计算值（§2.6.11.2）:

t横=0.0077h0+1=8.21mm且t纵=1.1t横=9.02mm

h0=936.5mm

取t=10mm满足要求

非水密肋板垂直加强筋取—150×10满足要求

2.3.3.5水密肋板较实肋板厚度增加2mm,但不必大于15mm（§2.6.11.2）:

t=t实＋2=11.02mm

取t=12mm满足要求

2.3.3.6船底纵骨剖面模数W应不小于下式计算值:

§2.6.12.2

W=

（d+h1）sl2

式中：

s---纵骨间距s=0.65

l---纵骨跨距l=2.4

d---吃水，md=5.75

f---系数有中间支柱时为0.52无中间支柱时为1

Fb---折减系数，2.2.5.7Fb=1

h1---2.3.1.2h1=1.15

W=

（d+h1）sl2

=

*（5.75+1.15）*0.65*2.4*2.4=353cm3

取L200×125×12W=404cm3满足要求

2.3.3.7内底板厚度不小于下式计算值§2.6.9.1

t=0.04L+5s+2.1=8.9

取t=10mm满足要求

2.3.3.8内底纵骨剖面模数W为船底纵骨的85%:

§2.6.12.3

W内=0.85W底=0.85*353=300cm3

取L200×125×12W=404cm3满足要求

2.3.4货舱舷侧骨架

2.3.4.1舷侧纵骨的剖面模数W不小于下式计算值§2.7.5.1

W=8.5shl2/fcm3

式中：

s---纵骨间距

l---纵骨跨距

f---系数应按下列两式计算，计算时取不大于1.077

f=1.73-Fd

当Z≥Zn时

f=1.73－Fb

当Z≤Zn时

h---计算压头，按下式计算:

h=0.26C+d-Z（0.06C+d）/D

Zn---船体横剖面的水平中和轴距基线的高度，m

D---型深，m

d---吃水，m

C---系数见2.2.3.1C=7.71

第一根:

s=0.65Zn=2.96l=2.4mZ=1.65mFb=1

f