10000DWT集装箱船进行结构设计及校核.doc

目 录
摘要………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2
Abstract………………………………………………………………………………………………………………………………………………….…. 3
1绪论……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4
2规范设计部分…………………………………………………………………………………………………………………………………………..6
2.1 概述……………………………………………………………………………………………………………………………………………………...6
2.2 外板………………………………………………………………………………………………………………………………………………………6
2.2.1 船底板……………………………………………………………………………………………………………………………………………….6
2.2.2舭列板………………………………………………………………………………………………………………………………………………..7
2.2.3 舷侧列板……………………………………………………………………………………………………………………………………………8
2.2.4 舷顶列板……………………………………………………………………………………………………………………………………………9
2.2.5 甲板板……………………………………………………………………………………………………………………………………………….9
2.3 船底骨架……………………………………………………………………………………………………………………………………………..11
2.3.1单层底……………………………………………………………………………………………………………………………………………….11
2.3.2双层底……………………………………………………………………………………………………………………………………………….11
2.4 舷侧骨架……………………………………………………………………………………………………………………………………………..14
2.4.1#9--#33………………………………………………………………………………………………………………………………………………..14
2.4.2 #33--#175…………………………………………………………………………………………………………………………………………..16
2.4.3 #175--#181…………………………………………………………………………………………………………………………………………19
2.4.4其他位置……………………………………………………………………………………………………………………………………………21
2.5甲板骨架……………………………………………………………………………………………………………………………………………...23
2.6支柱………………………………………………………………………………………………………………………………………………………27
2.7舱壁………………………………………………………………………………………………………………………………………………………27
2.8首尾柱…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..29
2.9船端加强……………………………………………………………………………………………………………………………………..……….30
2.10主机基座………………………………………………………………………………………………………………..…………………………..32
2.11上层建筑及甲板室……………………………………………………………………………………………………………………………..32
2.12舷墙及其他………………………………………………………………………………………………………………………………………..35
2.13船体舯剖面模数…………………………………………………………………………………………………………………………………36
3直接计算部分………………………………………………………………………………………………………………………………………….39
3.1 建模阶段……………………………………………………………………………………………………………………………………………..39
3.2 边界条件……………………………………………………………………………………………………………………………………………..42
3.3 惯性释放……………………………………………………………………………………………………………………………………………..43
3.4结果及分析…………………………………………………………………………………………………………………………………………..44
4 总结………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..50
参考文献…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….52
附录…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….53
致谢…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….54

摘 要
本文依据中国船级社《钢质海船入级与建造规范》（2009）对沿海航区的10000DWT集装箱船进行结构设计及校核。并在设计校核的基础上，用Patran建立舱段有限元模型(一个整舱，两个半舱)，对在装载20ft集装箱和40ft集装箱两种情况下的横向强度应用指南要求和惯性释放两种计算方式进行直接计算、分析,并指导了结构的修改。结果表明，该船结构符合规范要求，直接计算也基本符合强度要求，另外两种计算方式都是可行的。
主要目的是：熟悉集装箱船的结构特点，规范设计的一些注意问题，熟悉有限元分析软件。本文的主要特色是：应用规范进行结构设计校核，同时用有限元分析软件对其进行了仿真分析。
关键词：集装箱船结构，规范设计，有限元

Abstract
According to Rules for Classification of Sea going Steel ships 2009 CCS ，this paper carry out the structural design of 10000DWT container ships with standard method. Then we build the FEM model of one piece of the ship with Patran and analysis the local strength when it carrys 20ft and 40ft container with two method (according to the standard and inertia relief), and modify the structure with the result. The result shows that the strurcture meet the standard well and the local strength fit the allowed strength. The two methods are all aviliable.
The main purpose of this article is that familiar with the structural of container ship and MSC.Patran&Nastran, important points we should focus on in the standard. The main feature of this article is that we check out the structure of the container ship with the standard method and the FEM method
Key Words: the structure of container ship, standard method, FEM

1 绪论
集装箱船的主要特点是为布置型船舶，它的主尺度是跟总布置，集装箱的布置有关。货舱区舱段长度，宽度，舱口围板的高度，船宽等都是在集装箱尺寸的基础上制定的，并且集装箱的箱角处一般设置纵桁及加强，所以双层底的纵骨间距，纵桁位置也是根据集装箱尺寸定的，舷侧的平台位置基本与集装箱位置对应，所以确定了舷侧、纵舱壁纵骨位置。其它位置就可以根据连续性要求确定了。集装箱船装载的集装箱有两种：
表1-1 集装箱尺寸
尺寸
名称
高度mm
长度mm
宽度mm
最大重量Kg
20ft
ICC
2591
6058
2438
24000
40ft
IAA
2591
12192
2438
30480
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。
对于本船，名为集装箱船但是可能出于改装散货的考虑，不是典型的集装箱船，因为有顶边舱，而且横舱壁到舱口围板有间距，这都不是集装箱船应有的。底部、舷侧为纵骨架式，甲板为横骨架式。设有舱口盖，甲板以上的集装箱比舱内集装箱多两列，布置在舷侧和舱口围板之间。船底纵骨间距为625mm，纵桁间距为2500mm，接近一个集装箱宽度。
根据任务书只做结构校核部分，对于其做一简单介绍：
母型船
设计船要求
船体强度
建造规范
主要构件计算书
结构的布置

总布置图
中剖面图
基本结构图
型线图
肋骨型线图

图1-1 规范设计步骤
确定结构尺寸的一般顺序是，首先选择合适的结构形式，确定肋骨间距（与总体设计师协商决定）。然后，可按外板、甲板、船底骨架、舷侧结构、甲板骨架、及支柱、舱壁、首尾柱、首尾结构、上层建筑及甲板室、机炉座、其它等总纵强度校核等顺序，查规范公式进行计算，并选定结构尺寸。
所用软件介绍:
MSC.Patran是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。MSC.Patran最早由美国宇航局（NASA）倡导开发, 是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统， 其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身，构成一个完整的CAE集成环境。使用MSC.Patran，可以帮助产品开用户实现从设计到制造全过程的产品性能仿真。MSC.Patran拥有良好的用户界面，既容易使用又方便记忆。MSC.Patran提供了功能全面, 方便灵活的可满足各种分析精度要求的复杂有限元的建模功能。其综合、全面、先进的网格划分技术,为用户根据不同的几何模型提供了多种不同的生成和定义有限元模型工具, 包括多种网格划分器。 有限元模型的编辑处理、单元设定、任意梁截面建模、边界和载荷定义以及交互式计算结果后处理。
模型建好后,MSC.NASTRAN即可进行分析, 如动力学、 非线性分析、灵敏度分析、热分析等等。MSC.NASTRAN具有很高的软件可靠性、品质优秀, 得到有限元界的肯定，众多大公司和工业行业都用MSC .NASTRA的计算结果作为标准代替其它质量规范。MSC.NASTRAN具有开放式的结构，全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵活性,使用者可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。此外，MSC.NASTRAN还为用户提供了强大的开发工具DMAP语言。

2.1 概述
本船为双底，货舱区设顶边舱，船底、甲板及顶边舱为纵骨架式，其它为横骨架式。结构按中国船级社《钢质海船入级与建造规范》(2009)对沿海航区要求进行设计。有限航区构件按第一章第八节折减。主要尺度如下：
总 长 Loa 132.6 m
水 线 长 Lwl 125.8 m
两柱间长 Lpp 122 m
计算船长 L 122 m
型 宽 B 18.6 m
型 深 D 9.5 m
计算吃水 d 7.38 m
方形系数 Cb 0.822 (计算吃水)
梁 拱 f 0.36 m
肋 距 s 0.6 m (尾-#9,#175-首)
0.65m
0.625 m (纵骨间距)
标准肋距 sb 0.695 m
L——计算船长，m，但计算时取不必大于200m；沿夏季载重线由首柱前缘量至舵柱后缘，但不应小于夏季载重线总长的96%，且不必大于97%。这里取两柱间长，且96%lwl=120.77m<122m<97%lwl =122.03m满足要求。
2.2 外板
2.2.1 船底板
2.2.1.1船中部0.4L区域

= 9.47 mm
式中 s 取 0.695 m, L = 122 m, Fb = 1。
×0.9
= 10.43 mm
s ——肋骨间距，m，计算时取值应不小于肋骨的标准间距；
Sb=0.0016L+0.5m=0.695m，首尾取和0.6相比的小值。
d ——吃水，m；
L——计算船长，122m。
F——折减系数，见本章2.2.5.7；
h= 0.26C, 计算时取不大于0.2d；
C=8.375（2.2.3.1）
(式中 s 取 0.695 m, d = 7.38 m, h1 = 1.476 m, Fb = 1 )
实取： 12 mm(按要求取值应不小于2.3.1.4计算值)。
2.2.1.2离船端0.075L区域
×0.9
= 9.61 mm
(式中 s 取 0.65 m, sb = 0.6 mm, L = 122 m)
实取：14 mm 满足要求。
2.2.1.3平板龙骨
平板龙骨宽度:(按2.3.2.1)
b=900+3.5L
= 1327 mm
平板龙骨厚度不小于船底板厚度 + 2 = 12.43 mm 。
实取：平板龙骨厚度 16 mm, 宽度 1800 mm。
2.2.1.4局部加强
轴毂处包板、尾柱或尾轴架处外板不小于端外板的1.5倍, 即 14.4 mm,也不小于中部外板厚度, 即 10.43 mm。
实取：轴毂等局部加强处外板 18 mm。
2.2.2 舭列板
舭列板厚度, 当舭列板处为纵骨架式时, 应不小于按本节2.3.1.3 计算所得。 所以实取：舭列板厚度为12mm。
2.2.3 舷侧列板
2.2.3.1船中部0.4L区域
舷侧1/2D以上区域 (按2.3.4.3)
×0.9
= 8.74 mm
(式中 s 取 0.695 m, L = 122 m, Fd = 1 )
×0.9
= 8.33 mm
(式中 s 取 0.695 m, d = 7.38 m, h2 = 0.5 C = 4.188 m(取0.36d = 2.657 m))
实取： 12 mm。
舷侧1/4D以下区域 (按2.3.4.3)
×0.9
= 8.7 mm
(式中 s 取 0.695 m, L = 122 m, Fb = 1 )
×0.9
= 10.06 mm
(式中 s 取 0.695 m, d = 7.38 m, h1 = 1.476 m, Fb = 1 )
实取： 12 mm。
舷侧距基线1/4D至1/2D区域
按内插法t2=9.2mm 且不小于t1=8.7mm。
实取： 12mm，舷顶列板相接的板考虑到受力较大，局部加厚至14mm。
2.2.3.2船端部0.075L区域
×0.9
= 9.61 mm
(式中 s 取 0.65 m, sb = 0.6 mm, L = 122 m) 实取： 14 mm。
船首舷侧结构加强（按7.8.1）

= 11.85m
(式中Cs=0.8，α=16 ,β=11 ,V=11.5Kn ,L=122m)
= 8.11mm
实取： 14 mm。
2.2.4 舷顶列板
舷顶列板宽度应不小于
B=800+5L= 1410 mm 且不大于1800mm
实取： 1800 mm。
舷侧为纵骨架式按2.3.5.3
×0.9
= 8.7 mm
×0.9
= 7.9 mm
0.4L区域不小于甲板边板的0.8倍 16mm
(式中 s 取 0.695 m, L = 122 m, Fd = 1 )
实取： 18 mm。
船端区域
t = 9.61 mm (船端0.075L区域舷侧外板)
实取： 14 mm。
冰区加强(按 4.5.1.1)
冰带外板(首柱至满载水线最大宽处，不超过0.2L,高度在轻重水线范围上下500mm)厚度应为舷侧处所得厚度的1.25倍 得 10.93 mm
实取： 14 mm。
2.2.5 甲板板
甲板开口线以外区域 (按2.4.2.1)纵骨架式
×0.9
= 8.7 mm
×0.9
= 7.9 mm
(式中 s 取 0.695 m, L = 122 m, Fd = 1 )
实取： 12 mm。
甲板开口线以内及船端0.075L区域 (按2.4.2.2)
×0.9
= 7.9mm
(式中 s 取 0.695 m, L = 122 m)
最小板厚t3>6
实取： 12 mm, 船端 12 mm。
甲板边板 (按2.4.3.1)
b=6.8L+500mm
= 1329.6 mm 且不大于1800mm
实取： 1500mm。
t>强力甲板厚度 = 8.7 mm
实取：中部甲板边板厚20 mm,宽度1500 mm,首尾部甲板边板厚度 12,16 mm。
甲板开口（按2.4.4.2）
强力甲板上的机炉舱、货舱开口的角隅是圆弧形时，角隅处要求加厚板，且角隅半径与舱口宽度之比不小于1/20。
货舱区 R>b20=630mm 实取： 720mm,750mm。
机炉区 R>b20=248mm 实取： 250mm。
角隅处加厚板的尺寸应符合 图2.4.4.2要求。其端接缝应与舱口围板端接缝以及甲板骨架角接缝错开。厚度应比强力甲板厚度增加4mm。
货舱区取24mm。
强力甲板机炉区取16mm。
平台甲板机炉区取 14mm。
平台甲板 (按2.4.5)
t=10s= 6.95 mm 且不小于6mm
实取： 10 mm。
横向甲板条(按7.3.2.1)
当强力甲板的横向甲板条构成横舱壁的顶板时，其宽度b 应不小于按下式计算所得之值：
b=1000+1.5Lmm
本船宽度b=1000+1.5Lmm=1183m 厚度t=10+0.01L= 11.22 mm
本船实取： b=3900mm t=12mm。
2.3 船底骨架
2.3.1 单层底 (适用小于76m的船,此外供参考)
中内龙骨 (按2.5.2.1)
端0.075 L区域腹板 t = （0.05L + 5.5 ）×0.9
= 10.44 mm
面板剖面积 A = 0.52L×0.9 (适用小于76m的船,此外供参考)
= 57.1 cm2
实取： ⊥14/26×250 (船端)。
旁内龙骨 (按2.5.3.1)
腹板厚度 t = (0.05L + 5)×0.9
= 10.44 mm
面板剖面积 A = (0.25L + 5)×0.9
= 31.95 cm2
实取： 旁桁材 ⊥ 14/16×200。
实肋板 (按2.5.4.1)
腹板高度 h = 42(B + d) - 70
= 1021.16 mm
(式中 B = 18.6 m, d = 7.38 m)
腹板厚度 t = (0.01h + 3)×0.9 (不必大于14mm)
= 15.03 mm
面板剖面积 A = (4.8d – 3)×0.9 (宽度不小于其厚度的10倍)
= 29.18cm2
实取： ⊥ 14/16×200, 腹板高度 >=1050 mm 。
2.3.2 双层底
中桁材 (按2.6.2.1)
中桁材高度 = 25B + 42d + 300
= 1074.96 mm
>= 650 mm
中桁材厚度(0.4L) t = (0.0077 + 4)×0.9 (按2.6.2.2)
= 11.05 mm
实取： 中桁材高度 1200 mm, 中桁材厚度 14 mm。
旁桁材 (按2.6.10)
对船宽大于12m 但不大于20m 的船舶, 中桁材两侧至少应各设1 道旁桁材。旁桁材和水密旁桁材的厚度应符合本节2.6.4.1 的要求。旁桁材的厚度可比本节2.6.2.2 规定的中桁材厚度减少3mm。
旁桁材厚度>= 中桁材厚度 - 3 = 11.05 - 3 = 8.05 mm
横骨架式船底区域:
旁桁材厚度>=肋板厚度 = 8.35 mm
实取： 机舱旁桁材厚度 12 mm。
实取： 首部旁桁材厚度 12 mm。
纵骨架式船底区域:
旁桁材厚度>=肋板厚度 = 9.18 mm
垂直加强筋宽度为肋板高度的1/10 (取与肋板垂直加强筋相同)
垂直加强筋厚度与肋板同厚
实取： 旁桁材厚度 12 mm, 垂直加强筋 ━ 12×150。
2.3.2.1 #9--#32(机舱区域)
横骨架式实肋板 (按2.6.5)
t = (0.0077 + 1)×0.9 (机舱内及污水阱处增加2.5mm)
= 8.35 mm
机舱处 t = t+2.5=10.85mm
(式中 = 1074.96 mm)
垂直加强筋宽度为肋板高度的1/10
垂直加强筋厚度与肋板同厚
实取： 机舱处实肋板 12 mm, 垂直加强筋 ━ 12×150。
实取：#175--#181实肋板 10mm, 垂直加强筋━ 10×150。
水密肋板 (按2.6.6) 较货舱实肋板厚度增加2mm
t = (0.0077 + 1)×0.9 +2 (不必大于15 mm)
= 10.35 mm
(式中 = 1074.96 mm)
垂直加强筋 ×0.9 (按2.6.6.2)
= 38.46 cm3
(式中 s = 0.65 m, h = 8.3 m, l = 1.2 m)
实取：水密肋板 14 mm,垂直加强筋 ━ 12×150(w = 85.95 cm3)
带板14×650。
内底板厚度 (按2.6.9)
(机舱) t = （0.055L + 4.8）×0.9
= 10.36 mm
(燃油舱区域) t >= 8 mm
实取： 12 mm(机舱与#175--#181)。
2.3.2.2 #33--#175（货舱区域）
纵骨架式实肋板 (按2.6.5, 2.6.11) 纵骨架式实肋板厚度较2.6.5.1要求增加10%
t = 1.1×(0.0077 + 1)×0.9 (不必大于15 mm)
= 9.18 mm
污水阱处tj = t + 2.5
= 11.68 mm
实取： 10 mm, 污水阱处 12 mm。
垂直加强筋宽度 b >= 150 mm (按 2.6.11)
垂直加强筋厚度与肋板同厚
实取： ━ 10×150。
水密肋板 (按2.6.6) 较货舱实肋板厚度增加2mm，但不大于15mm
t = 1.1×(0.0077 + 1)×0.9 + 2
= 11.18 mm
(式中 = 1074.96 mm)
实取： 14 mm。
垂直加强筋 (按2.6.6.2)
×0.9
= 36.98 cm3
(式中 s = 0.625 m, h = 8.3 m, l = 1.2 m)
实取： ━ 12×150 (W = 85.8 cm3) 带板14×625。
船底纵骨 (按2.6.12, 2.15.3.3)
×0.9
= 203.89 cm3
(式中 f = 0.52(有撑柱) ,d = 7.38 m, h1 = 1.476 m, s = 0.625 m,l = 2.6 m, Fb = 1 )
船底纵骨与内底纵骨之间撑柱应不小于A=23.8+0.04W=31.96cm2
实取：撑柱L160×100×14（A=36.4cm2）。
实取： 船底纵骨L160×100×12 (W = 281.33 cm3) 带板12×625。
内底纵骨 W1 = 0.85W = 173.31 cm3
实取：L160×100×10 (W = 237.29 cm3) 带板14×625。
内底板厚度 (按2.6.9)(按2.6.13)
(0.4L) t = （0.04L + 5s + 1.1）×0.9
= 8.31 mm
(式中 s = 0.65 m, l = 122 m)
(船端0.075L) t = 0.9tn
= 7.48 mm
(燃油舱区域) t >= 8 mm
货舱开口下未铺设木铺板时舱口下的内底板至少增厚2mm
实取：货舱区域内底板和内底边板厚度 14 mm 。
2.4 舷侧骨架
2.4.1#9--#33
2.4.1.1机舱平台下
肋骨 (按2.7.2.1)
×0.9
= 349.8 cm3
(式中 s = 0.65 m, d = 7.38 m, l = 5.3 m,