对集装箱船舶结构的分析与研究.docx

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对集装箱船舶结构的分析与研究

专科毕业设计（论文）

设计题目：

对集装箱船舶结构的分析与研究

系部：

船舶与港口工程系

专业：

船舶工程（船体）

班级：

船

姓名：

学号：

指导教师：

职称

2020年16月南京

摘要

当今海上运输，集装箱船起到了无可替代的地位.集装箱船舶节约装卸劳动力，保证运输质量，装卸效率高。

集装箱船舶经历了六代的发展已日渐成熟。

本文通过集装箱船舶的船体结构与集装箱布置进行了分析，得出怎样才能使船体结构强度增加，如何增加集装箱数量进行了进一步的分析。

本文第一部分描述了集装箱船舶在海运方面的作用及重要性。

第二部分概述了集装箱船舶在国内外几十年内的发展。

第三部分对集装箱船舶的舷侧结构，甲板结构，舱口结构等部分进行了分析并做出改进。

第四部分对集装箱船舶结构的改进做出一定的总结。

关键词重要性分类结构改进

Abstract

Today'sseatransport,containershipsplayedanirreplaceableposition.Containershiploadingandunloadinglaborsavings,guaranteequalityoftransport,handlingandhighefficiency.Containershipthroughsixgenerationsofdevelopmenthasgraduallymatured.Thispapercontainercontainershiphullstructureandlayoutareanalyzed,drawnhowtomakethehulltoincreasestructuralstrength,howtoincreasethenumberofcontainerscarriedoutfurtheranalysis.Thispaperdescribesthefirstpartofthecontainershipintheroleandimportanceofthesea.PartIIoutlinesthecontainershipdevelopmentathomeandabroadfordecades.Thethirdpartofthecontainershipsidestructure,deckstructure,partofthehatchstructurewereanalyzedandmakeimprovements.Thefourthpartofthecontainership'sstructuretomakesomeimprovementsinthesummary.

KeywordsImportanceClassificationStructureImprove

结论8

致谢9

参考文献10

1.绪论

第一艘集装箱船是美国于1957年用一艘货船改装而成的。

它的装卸效率比常规杂货船大10倍，停港时间大为缩短，并减少了运货装卸中的货损量。

首先，可以节约装卸劳动力，减少运输费用。

一般货船采用单件或小型组合件形式装运，费力又费时。

集装箱船采用国际统一规格的集装箱运输货物，打破了一捆、一包单件装卸的传统形式，大大减轻装卸工人劳动强度，加快了装卸速度，减少人工装卸费用。

第二，利用集装箱船运输，可以减少货物的损耗和损失，保证运输质量。

这是因为货物在生产工厂里就装进一只只集装箱，中途经公路、铁路、水上运输，均不开箱，可把货物直接运到用户手中。

这样，可减少货物在运输途中损耗和遗失，还可节约包装费用。

第三，集装箱船装卸效率高。

一艘集装箱船的货物装卸速度大约是相同吨位的普通货船三倍左右，而大型高速集装箱船的装卸速度差不多是同吨位普通货船的4—5倍。

这样，可减少船舶停靠码头时间，加快船舶周转，提高船舶、车辆及其它交通工具的利用率。

集装箱船舶在海运中占据着举足轻重的地位，它使繁琐的货物运输变的单元化，高效益，高效率。

安全、迅速、简便、价廉让集装箱船舶得到迅猛的发展。

2.集装箱船舶的发展

2.1集装箱船舶概述

　　集装箱船的结构和形状跟常规货船有明显不同。

它外形狭长，单甲板，上甲板平直，货舱口达船宽的70％--80％，上层建筑位于船尾或中部靠后，以让出更多的甲板堆放集装箱，甲板一船堆放2—4层，舱内可堆放3—9层集装箱。

集装箱船装卸速度高，停港时间短，大多采用高航速，通常为每小时20—23海里。

近年来为了节能，一般采用经济航速，每小时18海里左右。

在沿海短途航行的集装箱船，航速每小时仅10海里左右。

近年来，美国，英国，日本等国

进出口的杂货约有70％--90％使用集装箱运输。

　　集装箱轮完全是一种新型的船。

它没有内部甲板，机舱设在船尾，船体其实就是一座庞大的仓库，可达300米长，再用垂直导轨分为小舱。

当集装箱下舱时，这些集装箱装置起着定位作用，船在海上遇到恶劣天气时，它们又可以牢牢地固定住集装箱。

因为集装箱都是金属制成，而且是密封的，里面的货物不会受雨水或海水的侵蚀。

集装箱船一般停靠专用的货运码头，用码头上专门的大型吊车装卸，其效率可达每小时1000—2400吨，比普通杂货船高30—70倍。

因此为现代船运业所普遍采用。

2.2集装箱船舶的分类

集装箱船可分为部分集装箱船、全集装箱船和可变换集装箱船三种：

a.部分集装箱船

仅以船的中央部位作为集装箱的专用舱位，其他舱位仍装普通杂货。

b.全集装箱船

指专门用以装运集袋箱的船舶。

它与一般杂货船不同，其货舱内有格栅式货架，装有垂直导轨，便于集装箱沿导轨放下，四角有格栅制约，可防倾倒。

集装箱船的舱内可堆放三至九层集装箱，甲板上还可堆放三至四层。

c.可变换集装箱船

其货舱内装载集装箱的结构为可拆装式的。

因此，它既可装运集装箱，必要时也可装运普通杂货。

集装箱船航速较快，大多数船舶本身没有起吊设备，需要依靠码头上的起吊设备进行装卸。

这种集装箱船也称为吊上吊下船。

技术进步：

船舶大型化、高速化；港口机械的大跨度、高行速。

3．集装箱船舶的结构分析

3.1集装箱船舶的结构特点

集装箱船舶最为突出的特点是它所装的都是标准规格的集装箱，因此使得它的结构和一般的货船大不相同。

它采用垂向直壁式结构，并且它的的货舱口宽度几乎和货舱宽度一样大，舷边只留了很小宽度的甲板边板。

而这样的开口明显对船的抗弯、抗扭和横向强度不利。

为了消弱这些的不足，集装箱船在结构上通常采用以下加强措施：

a.采用具有水密舷边舱的双舷侧；

b.增加甲板板和舷侧板的厚度；

c.加大两个货舱口之间的舱口端横梁和甲板横梁的尺寸。

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。

由于装卸方便的要求，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置压载水舱。

3.2集装箱船舶采用舷边舱

集装箱船货舱区域的舷侧都拥有双层壳板，其货舱载货的有效宽度和货舱宽度也相差不多。

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。

3.3集装箱船舶甲板外飘而需采取的措施

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比较高的要求。

4.集装箱船舶结构设计上做出的改进

4.1货舱结构构件的布置与集装箱布置的关系

典型的货舱集装箱布置应合理、紧凑。

它对集装箱船的主尺度、货舱及货舱开口大小、船体结构强度等有着很大的影响。

通常每个货舱口纵向布置有2个20ft或1个40ft的集装箱。

对于中大型集装箱船来说,考虑到纵向集装箱与横舱壁之间的间隙以及箱与箱之间的间隙,舱口间纵向间距一般分为16个肋骨间距。

若肋间距是790mm,舱口间距则为12.64m;若肋间距是780mm,舱口间距则为12.48m。

对于中型集装箱船舶来说,舱口间距12.48m偏小,而取肋距800mm则偏大,一般为790mm的肋距。

其强肋骨间距通常为4档肋骨间距,即3.16m。

一般舱口的宽度为集装箱列数乘以箱宽,再加上集装箱横向间的间隙和集装箱与纵舱壁之间的间隙。

集装箱横向间的间隙则取决于导轨的形式,而集装箱与纵舱壁之间的间隙则取决于舱口角隅的大小。

舱的深度为集装箱层数乘以箱高,再加上集装箱垂向间的间隙,同时也应考虑到舱口盖的变形。

当船确定了型深的时候,可以根据以上要求确定舱口围板的高度。

甲板以上的集装箱一般比舱内的集装箱多1~2列。

中间的直接放在舱口盖上,舷侧的则放在集装箱箱柱上面,并能保证有足够的高度以便于人员通行。

对集装箱布置的了解,将有利于结构构件的布置。

因为横剖面结构构件的布置是根据集装箱的布置来确定的。

a.双层底构件的布置。

每一列集装箱旁边应设有一道旁桁材。

现在集装箱船的设计中,要求一道旁桁材支撑相邻的两个集装箱的箱脚,旁桁材通常设在其中一个箱脚的下面,则只需考虑另一个箱脚下的加强对结构的影响。

旁桁材的间距通常是一个集装箱的宽度再加上集装箱横向间的间隙,旁桁材的间距通常是相等的。

而旁桁材之间通常设有2~3根纵骨,这样纵骨间距可以定下来了。

b.舷侧构件的布置。

和双层底构件的布置相类似,平台间距为集装箱高度再加上箱层间隙的高度。

平台间一般设有2~3根纵骨。

最上面的抗扭箱平台通常称为二甲板,它在集装箱船中起着很大的作用。

由于二甲板以上的抗扭箱构件离中和轴的距离较远,应力也随之增大。

为满足要求,而又不选用太厚的钢板,一般情况下我们选用高强度钢。

如果冰区等级较低同时以下舷侧均采用纵骨架式,则舷侧除了二甲板及双层底外一般不需要设平台;冰区等级较高则舷侧采用横骨架式较为方便,其纵舱壁的构件为纵骨架式,我们将在舷侧增设几个平台予以支撑。

构件的布置确定之后,我们就可以根据构件间的间距进行构件的计算和图纸的绘制工作。

4.2舱口角隅的设计

考虑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的船舶,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有的比例明显上升,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。

一般船舶货舱上甲板角隅采用抛物线型,椭圆型,圆弧型。

邻近机舱处的甲板角隅的应力集中最大,若设计成抛物线型等常规形式,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,也会影响到船舶布置的合理性,所以通常该角隅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,应及早考虑。

4.3横舱壁的结构

每列集装箱在货舱口端通常要设置导轨架,因此在横舱壁上要设置支撑导轨架的水平加强肘板。

也可将导轨的加强位置设在横舱壁的平台处,这样结构将省去加强的工作。

但不管怎样,在横舱壁的设计过程中应先考虑好导轨加强位置。

横舱壁的设计中另一个棘手的难题就是理清风道、梯道的位置,并要考虑好舱口围板加强所要占用的地方。

集装箱船通常要满足澳大利亚通道的要求,要到达任意箱位。

若舱内装有冷藏箱,则对通风设备的要求将加大,并时刻关注甲板条上的设备布置,保证通道的要求。

集装箱船横舱壁的设计是一个整体工作,需要各专业之间相互配合、同步协调、共同设计。

4.4集装箱箱角的加强

双层底和平台在集装箱下方需要针对箱角进行加强。

这需要确定加强形式、每个箱角的堆重,并对加强构件进行强度校核。

正如前面所讲的,集装箱有一个箱角直接支撑在旁桁材上,我们只需对另一个箱角增加构件加强。

如图4可以看出,该结构的计算模型很简单,可看作是一端刚性固定,另一端自由支持的简支梁。

外力看作是一段均布载荷,其载荷大小为箱角的受力除以箱角的腹板长度。

通过结构力学的相关知识可以很方便地求出所需加强构件的尺寸。

箱角加强是一个很复杂的工作,它要求我们对每个箱角进行核对,特别是装有非标准集装箱的时候,其箱角往往相当复杂,要求我们有足够的耐心和细心。

4.5舱口围板的结构处理

集装箱船的纵向舱口围板由于参与总纵强度,而且是连续的,并且采用了等级较高的高强度钢。

而横向舱口围板只需考虑其局部载荷,一般板厚较薄,也不需要用高强度钢。

在纵横舱壁交界处,则要求全焊透。

纵向舱口围板的纵骨应保持连续,并且在末端做较小角的削斜,使纵向应力可以得到有效的消除。

除舱口围板的肘板外,纵骨应避免与别的构件的焊接,确保其纵向受力的连续,避免产生硬点。

在舱口围板的局部加强中,应考虑好定位销的加强方式。

4.6艏部的结构设计

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得很严重,并且舷侧肋骨与外板的夹角也很小。

而且集装箱船的航速较高,通常均大于20kn,并且伴有较高冰区等级,这对船首的外板砰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,并且肋骨的大小也有较大的增加,另外在冰区加强的区域内还增设了大量的防倾肘板。

集装箱船的艏楼上通常设有挡浪板或防浪罩。

在最初的设计中应尽早协调好与系泊设备的布置关系,并合理考虑到下加强构件的布置。

结论

集装箱船舶经历了几十年几代的发展，在高效、安全、迅速、价廉上取得了巨大的成果，也鉴证了集装箱船舶不可撼动的地位。

但核心仍是船舶的结构的强化，此类船舶的舷侧必须采用舷边舱，才能对甲板大开口引起总纵强度消弱而作出补偿。

集装箱装载数量显得格外重要，则需获得更大空间，艏部线型则需外飘。

然而集装箱的布局也十分关键，集装箱的布局需要紧凑但要合理，而且要顾及船体结构。

舱口开口的增大，应力集中也越明显，舱口角隅也需设计成抛物线，椭圆形等。

集装箱箱角，舱口围板结构，艏部结构都需要做相应的合理化设计修改。

只有更合理的结构设计，集装箱船舶的发展才能得到飞跃！

致谢

在本次毕业设计的过程中，我得到了马老师给予的精心指导和热情的帮助，使我能够顺利完成毕业设计工作，在这里我衷心的感谢我的老师们。

参考文献

[1]于宝海、肖熙.船舶结构优化设计.上海交通大学出版社，2003

[2]程国平.船舶结构与强度.人民交通出版社，2005

[3]魏莉洁.船舶与制图.人民交通出版社，2008