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