2024年5月20日发(作者：终清奇)
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８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船弯扭强度
和舱口角疲劳强度分析
胡志强 ，李润培 ，秦洪德 ，杜忠仁 ，余小川 ，张磊 ，楼丹平 ，唐永生 ，钱宏毅
（１．上海交通大学，上海２０００３０；２．沪东中华造船（集团）有限公司，上海２００１２９）
摘要：８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船的船长和船舱大开口宽度都显著超过国内船厂以往建造的集装箱船，因此对该船的波
浪诱导载荷、全船弯扭强度，以及舱Ｉ＝Ｉ角的疲劳强度都作了认真研究。研究中建立全船有限元模型，用来分析波浪
诱导载荷，计算船体结构应力水平等。在此基础上，选取３个典型的舱Ｉ＝Ｉ角，建立精细有限元模型，利用热点应力
法，计算舱口角热点应力范围和热点疲劳寿命。最后总结出该集装箱船的全船弯扭强度和舱口角疲劳强度的特
点。
关键词：集装箱船；有限元分析法；全船弯扭强度；疲劳强度
中图分类号：Ｕ６７４．１３ １０３ １ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００５—９９６２（２００６）０２—００１６—０５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｗａｖｅｑｎｄｕｃｅｄ ｌｏａｄ，ｇｌｏｂａｌ ｂｅｎｄｉｎｇ－ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｈａｔｃｈ．ｃｏｍｅｒｓ ｏｆ
ａｎ ８ ５３０ ＴＥＵ ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ ｉｓ ｃａｒｆｉｅｄ ｏｕｔ．ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｔｃｈ ｗｉｄｔｈ ａｒｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐｓ
ｂｕｉｌｔ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｗａｖ￣ｉｎｄｕｃｅｄ ｌａｏｄ ａｎｄ ｇｌｏｂａｌ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ、Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｒｅｅ ｈａｔｃｈ ｃｏｍｅｒｓ ｒａｅ ｃｈｏｓｅｎ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｆｉｎｅ ｍｅｓｈ ｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ
ｒａｎｇｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｖｅｓ ｏｆ ｈｏｔ ｓｐｏｔｓ ｏｎ ｈａｔｃｈ ｃｏｍｅｒｓ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｈｕｌｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ
ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｈａｔｃｈ ｃｏｍｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ８ ５３０ ＴＥＵ ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｍｅｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｇｌｏｂａｌ ｂｅｎｄｉｎｇ－ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆａｔｉｕｇｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
１ 引 言
本研究使用的有限元软件是ＳＥＳＡＭ软件，分
析依照ＤＮＶ规范。
通常，大型集装箱船舱口宽度达到甚至超过船
宽的８５％，舱口长度达到舱壁间距的９０％，这使得
２ ８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船简介
全船的扭转刚度远低于常规船型。而８ ５３０ ＴＥＵ 该船由沪东中华造船（集团）有限公司为中国海
集装箱船的横向开口尺度接近船宽的９０％，甲板两 运（集团）总公司建造，是迄今国内计划建造的最大
侧仅靠各２．２ ｍ宽的甲板条承担３２０ １ＴＩ长船舶的纵
的超大型集装箱船。其主尺度为：总长３３４．００ ｍ，
向弯曲和扭转强度。由于８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船的
垂线间长３２０．００ ｍ，型宽４２．８０ ｍ，型深２４．８０ ｍ，
超大尺度及其长大开口的特性，结构设计必须充分 设计吃水１４．６５ ｍ，服务航速为２５ ｋｎ，满载排水量
考虑在各种集装箱载荷条件下的结构强度和变形，
为１１６ １６４．８ ｔ，人ＧＬ船级。
包括静水弯矩、波浪诱导垂直弯矩、水平弯矩、扭矩
及货物扭矩等。在波浪和货物载荷联合作用下，船
３全船有限元分析
体垂直弯曲、水平弯曲和扭矩叠加，使得船体的结构
３．１全船有限元分析流程
强度和变形问题非常突出。并且在舱口角等重点受
全船有限元分析能很好地反映实际船体结构之
力区域，应力集中现象比较明显，结构疲劳强度也成
间的协调关系和变形，具有较高的精度。利用统计
为关注的焦点。因此，有必要进行全船结构有限元 的方法求出波浪诱导载荷长期预报值，从而确定反
分析，准确计算船舶的波浪诱导载荷水平，分析全船
映长期极值概率特性的设计波，并将设计波施加到
弯扭强度，以及进行舱口角热点的疲劳强度分析，验
全船有限元模型上进行应力分析。全船有限元分析
证其是否满足一定的疲劳寿命要求。
的基本流程见图１。
３．２全船有限元模型
第一作者简介：胡志强，男，讲师。１９７５年生，２００１年上海交
通大学船舶与海洋结构物设计制造专业毕
８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船有限元模型包括结构
业，获硕士学位，现攻读博士学位，并从事船
有限元模型、质量模型和水动力模型。
体结构强度等研究工作。
３．２．１结构有限元模型
一
１６一 胡志强等：８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船弯扭强度和舱口角疲劳强度分析
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（２）舱内集装箱货物、压载水、燃油、淡水和人员
备品等质量，通过施加质量点的方法把质量施加到
相应的节点上；
（３）舱口盖上集装箱质量，利用虚结构技术，建
立舱口盖上集装箱货物质量模型。这部分质量只参
与载荷传递，不计人船体强度计算。
满载状态下的全船质量分布包括上述三部分，
压载状态下只包括前两部分。
３．２．３水动力模型
分析中采用的８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船水动力模
型是依据其船体外表面型线建立的，目的是进行波
浪诱导载荷和加速度的预报。
３．３计算工况和外载荷
选取的载荷参数为船中垂直弯矩、船首１／４Ｌ
处扭矩及船尾１／４Ｌ处扭矩。分析中采用满载和压
载两种典型的装载状态。
图１全船有限元分析流程图
工程应用中通常采用设计波法，即给出一个确
全船结构有限元模型共包括１３０ ８８８个节点和
定的波浪，按一定的方向和相位作用于船体上，从而
２３８ １８４个单元。模型包括主要纵向构件，如内外
计算出该波浪作用下的船体构件应力。设计波的波
壳、甲板和纵桁等；主要横向构件如横舱壁、强框架
幅 由主要载荷参数在一定超越概率下的长期预
及抗扭箱等；上层建筑也包括在内。船体的各类板、
报值和传递函数的最大值确定。
壳结构，强框架、纵桁、平面舱壁的桁材等用４节点
长期预报极值（１０－８超越概率） ，１、
板壳单元模拟。纵骨和加强筋用梁单元模拟。正确
一 传递函数的最大幅值
填加结构属性，所有板厚按照规范要求进行折减。
为获取船体载荷响应最严重的海况条件，需计
８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船船体选用多种高强度钢材。
算出波浪诱导船体运动与载荷的传递函数。分析中
３．２．２质量模型
波浪频率取值范围为０．０５ ｒａｄ／ｓ～１．５ ｒａｄ／ｓ，间隔
船体质量模型必须能够真实反映实船的质量分
０．０５ ｒａｄ／ｓ，共选取３０个频率；选取１９个浪向角，０
布特征，保持其质量沿长度与高度的分布、质量总值
～
１８０。，间隔为１０。，通过三维势流理论求得船体动
和质心与实船基本一致。
力响应传递函数。再按照北大西洋波浪散布图和
质量模型由三部分组成。
１０ 超越概率计算船体响应的长期预报值，从而确
（１）空船质量，通过调整各子结构构件密度的方
定设计波幅ａ一波频 、波长Ｌ及波向，得到主要
法生成空船质量模型；
计算工况的设计波参数，见表１。
表１主要计算工况的设计波参数
上海造船２００６年第２期（总第６６期） 一１７—
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此外，满载状态垂直弯矩和扭矩（１０ 超越概
率）沿船长的分布曲线，如图２和图３所示；压载状
８
Ｏ
Ｏ
５
Ｏ
Ｏ
●
Ｏ
Ｏ
ⅢＮ＼墩珏｝
３
Ｏ
●
Ⅲ
２
Ｏ
Ｏ
，
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
０
●
Ｅ
Ｏ
０
９
Ｅ
＋
Ｅ
●
Ｅ
＋
Ｅ
＋
Ｅ
＋
Ｅ
＋
Ｅ
●
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ
态垂直弯矩和扭矩（１０ 超越概率）沿船长的分布
们 们 ∞ ∞ ＂ ∞ ∞
曲线，如图４和图５所示。
目
蚕
器 ‘呱＿＋Ｏｏ９
站号
３．Ｏ０Ｅ￣＇００９
图５压载状态下船体扭矩长期预报值沿船长分布
（１０ 超越概率）
３．４计算结果
将设计波施加在船体上，完成设计波作用下的
１０ ，５
全船结构应力计算，再与静水工况迭加，得出组合状
站号
态下的船体结构应力水平。由于结构应力水平数据
图２满载状态下船体垂直弯矩长期预报值沿船长分布
１ ８
ⅢＮ＼ 覃
６ ４
０ ０ ０ ０
量大，文中不列举。
● ＋ ● ●
０ ０ ０
（１０一
０
超越概率）
Ｏ ０ ０ ０
９ ８ ８ ８
４舱口角疲劳强度分析
４．１舱口角疲劳强度校核区域的选取
一
共选取了３个校核区域。第１个是机舱前端
的货舱舱口角，尤其是上甲板的钥匙孔结构。由于
船体部分纵向构件在机舱区域处于不连续状态，因
此该区域是疲劳分析的重点；第２个是船中货舱段
舱口角，该区域船中弯矩最大；第３个是近船首１／４
船长区域的货舱舱口角。该区域船体构件尺寸缩
减，货舱宽度发生变化，波浪动压力载荷和波浪诱导
扭矩较大。共选取了１２个校核点，如图６～８所示。
站号
４．２疲劳分析有限元模型
图３满载状态下船体扭矩长期预报值沿船长分布
（１０ 超越概率）
针对３个疲劳校核区域建立３个精细有限元模
型，每个模型包含１＋１个舱段，校核区域位于模型中
间。疲劳校核点附近的单元尺寸为板厚×板厚。
４．３疲劳校核计算方法
集装箱船舱段主要受到三种动载荷的作用，即
波浪诱导水平弯矩、垂直弯矩和扭矩。每一种载荷
都在热点处引起一个应力响应，而且这三种载荷的
作用是相关的，对应三种载荷下的三种应力成分不
能简单线性叠加。根据ＤＮＶ规范要求，采用（２）式
规定的叠加方法，得出用于疲劳寿命计算的热点应
力范围。
站号
△ ｇ＝２ Ｉ ｈ＋ 、Ⅳｔ＋ ｇｔ＋０．４５ａｖ ｌ
式中，仃ｈ为水平弯矩作用产生的热点应力， ＋仃
图４压载状态下船体垂直弯矩长期预报值沿船长分布
（１０一。超越概率）
为扭矩作用产生的热点应力，仃 为垂直弯矩作用产
生的热点应力。
一
１８一 胡志强等：８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船弯扭强度和舱口角疲劳强度分析
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舱口围板
表２作用在模型上的垂直弯矩、水平弯矩和扭矩
（１０Ｉ４超越概率） Ｎｍ
ｒ
Ａ４
．
／＿、
横舱壁
横舱壁
图６
机舱前端货舱舱口角疲劳校核点（Ａ１～Ａ４）
表３疲劳校核点的热点应力范围ＭＰａ
上甲板
） 舱／ｚ／围板 ，
Ｂ１
厂＼
Ｂ２
Ｂ３ Ｂ４
横舱壁
横舱壁
图７船中货舱舱口角疲劳校核点（Ｂ１～Ｂ４）
，）
７舱口围板
上甲板
ｃ１
ｃ３
ｃ
一
横舱壁
横舱壁
图８船首１／４船长区域货舱舱口角疲劳校核点（Ｃ１～Ｃ４）
分析时按满载和压载状态，施加通过长期预报
得出的１０ 超越概率下的波浪诱导弯矩和扭矩，见
表２。同时，模型外表面施加１０ 超越概率下的波
浪诱导水动压力。校核热点的应力范围见表３。
ｒ（１＋ ）——ｒ函数值，查表；
根据ＤＮＶ规范，船体结构的疲劳累积损伤Ｄ
ｑ ： —ｑ ——ｗｅ——ｗ ｕ刀 ｉｂｕ１１分布的尺度参数，仰削 Ｊ爻 姒’
按（３）式计算。
ｌ￣ ／ｏａｄ
ｎｑｍｒ（・＋ ）≤ （３）
其中： ０＝１０ ０００（１０ 超越概率所定）；
Ｄ＝
ｐ
△ ０——热点应力范围。
式中：
Ｄ： ，Ｄ１和Ｄ２分别表示左舷和右舷
ｏ ，Ｌ为船长；
舱口角对称校核点的疲劳损伤，最终用于计算校核
Ｔ ６．３×１０８，相当于２０年的秒数；
点疲劳寿命的疲劳损伤为两者的平均值。
——
，
Ｓ—Ｎ曲线参数，取 ＝１２．８９， ＝
各校核点的疲劳寿命计算结果见表４。
３．０；
５ 结 论
Ｎ ——工况数，分满载和压载两种工况；
——
每个工况所占船舶服役期时间的比例，
５．１全船弯扭强度特点分析
满载Ｐ ＝０．６５，压载Ｐ ＝０．２０；
（１）无论满载还是压载状态，集装箱船的最大船
——
ｗｅ ｕＵ分布形状参数；
中弯矩状态是迎浪中拱状态，高应力区主要出现在
上海造船２００６年第２期（总第６６期）
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表４各校核点的疲劳寿命
该区域受波浪诱导扭矩载荷较大，结构变形明显，这
校核点 疲劳寿命／年
与波浪诱导载荷分布相一致。
＝耋 ｍ ￡；
５．２舱口角疲劳强度分析结论
（１）机舱前端与货舱相邻区域的舱口角是疲劳
分析的重点，该区域承受波浪诱导弯短和扭矩作用
都比较明显，并且有部分纵向构件在该处不连续，因
而上甲板结构采用了钥匙孔结构以释放应力集中。
从分析的结果看，钥匙孔结构的底部和朝向船内侧
的疲劳校核点应力水平并不很高；钥匙孔朝向舷侧
１ ０ ６ ９ ０ ９ ４ ５ ６ ０ ０ １ ２ ６ ¨ 卯 ∞ ６ ８ ４
的疲劳校核点的应力水平相对较高，但由于上甲板
２ ８ １ ３ ３ １ ２ ９ ５ ３ ４
板厚大，该校核区域的热点疲劳寿命基本满足２０年
４
的要求。
（２）船体中部区域的货舱段是承受波浪诱导船
体弯矩作用最为明显的区域，波浪垂直弯炬和水平
弯矩的作用都达到最大值。但该区域的板厚较大，
纵向构件连续，因此上甲板和舱口围板角圆弧形肘
机舱前的船体中部区域，机舱前舱口角为高应力区；
板中点的应力水平并不很高，满足疲劳寿命要求。
集装箱船处于扭转变形状态时，近船首１／４船长的
（３）靠近艏部的货舱段舱口角也是疲劳校核的
船体变形比较明显，该区域货舱舱口角有比较明显
重点之一。由于该区域的舱口宽度由宽变窄，纵向
的高应力区。
构件不连续，并且该区域受波浪诱导扭矩作用明显，
（２）集装箱船承受总纵弯曲和扭转载荷的主要
尤其是在压载状态下，该区域船体结构承受的波浪
构件，包括各层甲板、舷侧外板、内底板、外底板、横
诱导扭矩处于最大值。此外，该区域主要构件的板
舱壁和纵舱壁等构件强度使用比较充分。可以认为
厚缩减，因此应力集中现象明显。从疲劳校核分析
该船的结构设计基本上是合理的。
的结果看，Ｃ１点的圆弧形肘板中点应力集中现象明
（３）满载迎浪中拱状态下，船体主要构件没有明
显，疲劳寿命低于２０年的要求。必须通过增加该处
显的高应力区和应力集中现象；满载斜浪扭转状态
上甲板板厚的措施，才能使其疲劳寿命达到２０年的
下，船体构件由于扭转变形出现明显的应力集中现
要求。
象，尤其是机舱和相邻货舱的纵向构件。其中机舱
【参考文献】
前纵舱壁在舱口角处出现高应力，达到３６０ ＭＰａ左
［１］Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｕｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｈｉｐｓ［Ｓ］．
ＤＮＶ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅｓ Ｎｏ．３１．７，Ｍａｙ ２００４．
右；机舱后端平台出现较高的应力，达到３４５ ＭＰａ。
［２］Ｆａｔｉｇｕｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｓｈｉｐ ｓｔｒｕｃｔｕｒｓｅ［Ｓ］．ＤＮＶ Ｃｌａｓｉｆｉ．
这主要是因为机舱是横骨架式，纵向骨材在该区域
ｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅｓ，Ｎｏ．３０．７，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００３．
不连续造成的。
［３］Ｈｕｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｈｉｐｓ ｗｉｔｈ ｌｅｎｇｔｈ １００ ｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ
（４）压载迎浪中拱状态下，船体整体应力水平不
ａｂｏｖｅ［Ｓ］．ＤＮＶ Ｃｌａｓｉｆｉａｃｔｉｏｎ Ｎｏｔｓｅ，Ｒｕｌｓｅ ｆｏｒ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａ．
高；压载斜浪扭转状态下，船中区域应力水平不高，
ｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐｓ ｎｅｗｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，Ｈｕｌｌ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｍａｉｎ
机舱后端平台仍然保持高应力状态。同时，靠近船
ｃｌａｓｓ，Ｐａｒｔ３ Ｃｈａｐｔｅｒ １，Ｊａｎｕａｒｙ １９９７．
首的货舱舱口角区域有较为明显的应力集中现象，
［４］ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｌｏａｄｓ［Ｓ］．
而且各层甲板在该区域都有较高的应力水平，说明
ＤＮＶ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅｓ，Ｎｏ．３０．５，Ｍａｒｃｈ ２０００．
一
２０一 胡志强等：８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船弯扭强度和舱口角疲劳强度分析
2024年5月20日发(作者：终清奇)
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８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船弯扭强度
和舱口角疲劳强度分析
胡志强 ，李润培 ，秦洪德 ，杜忠仁 ，余小川 ，张磊 ，楼丹平 ，唐永生 ，钱宏毅
（１．上海交通大学，上海２０００３０；２．沪东中华造船（集团）有限公司，上海２００１２９）
摘要：８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船的船长和船舱大开口宽度都显著超过国内船厂以往建造的集装箱船，因此对该船的波
浪诱导载荷、全船弯扭强度，以及舱Ｉ＝Ｉ角的疲劳强度都作了认真研究。研究中建立全船有限元模型，用来分析波浪
诱导载荷，计算船体结构应力水平等。在此基础上，选取３个典型的舱Ｉ＝Ｉ角，建立精细有限元模型，利用热点应力
法，计算舱口角热点应力范围和热点疲劳寿命。最后总结出该集装箱船的全船弯扭强度和舱口角疲劳强度的特
点。
关键词：集装箱船；有限元分析法；全船弯扭强度；疲劳强度
中图分类号：Ｕ６７４．１３ １０３ １ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００５—９９６２（２００６）０２—００１６—０５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｗａｖｅｑｎｄｕｃｅｄ ｌｏａｄ，ｇｌｏｂａｌ ｂｅｎｄｉｎｇ－ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｈａｔｃｈ．ｃｏｍｅｒｓ ｏｆ
ａｎ ８ ５３０ ＴＥＵ ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ ｉｓ ｃａｒｆｉｅｄ ｏｕｔ．ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｔｃｈ ｗｉｄｔｈ ａｒｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐｓ
ｂｕｉｌｔ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｔｈｅ ｇｌｏｂａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｗａｖ￣ｉｎｄｕｃｅｄ ｌａｏｄ ａｎｄ ｇｌｏｂａｌ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ、Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｒｅｅ ｈａｔｃｈ ｃｏｍｅｒｓ ｒａｅ ｃｈｏｓｅｎ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｆｉｎｅ ｍｅｓｈ ｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ
ｒａｎｇｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｖｅｓ ｏｆ ｈｏｔ ｓｐｏｔｓ ｏｎ ｈａｔｃｈ ｃｏｍｅｒｓ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｈｕｌｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ
ｆａｔｉｇｕｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｈａｔｃｈ ｃｏｍｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ８ ５３０ ＴＥＵ ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｍｅｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｇｌｏｂａｌ ｂｅｎｄｉｎｇ－ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｆａｔｉｕｇｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
１ 引 言
本研究使用的有限元软件是ＳＥＳＡＭ软件，分
析依照ＤＮＶ规范。
通常，大型集装箱船舱口宽度达到甚至超过船
宽的８５％，舱口长度达到舱壁间距的９０％，这使得
２ ８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船简介
全船的扭转刚度远低于常规船型。而８ ５３０ ＴＥＵ 该船由沪东中华造船（集团）有限公司为中国海
集装箱船的横向开口尺度接近船宽的９０％，甲板两 运（集团）总公司建造，是迄今国内计划建造的最大
侧仅靠各２．２ ｍ宽的甲板条承担３２０ １ＴＩ长船舶的纵
的超大型集装箱船。其主尺度为：总长３３４．００ ｍ，
向弯曲和扭转强度。由于８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船的
垂线间长３２０．００ ｍ，型宽４２．８０ ｍ，型深２４．８０ ｍ，
超大尺度及其长大开口的特性，结构设计必须充分 设计吃水１４．６５ ｍ，服务航速为２５ ｋｎ，满载排水量
考虑在各种集装箱载荷条件下的结构强度和变形，
为１１６ １６４．８ ｔ，人ＧＬ船级。
包括静水弯矩、波浪诱导垂直弯矩、水平弯矩、扭矩
及货物扭矩等。在波浪和货物载荷联合作用下，船
３全船有限元分析
体垂直弯曲、水平弯曲和扭矩叠加，使得船体的结构
３．１全船有限元分析流程
强度和变形问题非常突出。并且在舱口角等重点受
全船有限元分析能很好地反映实际船体结构之
力区域，应力集中现象比较明显，结构疲劳强度也成
间的协调关系和变形，具有较高的精度。利用统计
为关注的焦点。因此，有必要进行全船结构有限元 的方法求出波浪诱导载荷长期预报值，从而确定反
分析，准确计算船舶的波浪诱导载荷水平，分析全船
映长期极值概率特性的设计波，并将设计波施加到
弯扭强度，以及进行舱口角热点的疲劳强度分析，验
全船有限元模型上进行应力分析。全船有限元分析
证其是否满足一定的疲劳寿命要求。
的基本流程见图１。
３．２全船有限元模型
第一作者简介：胡志强，男，讲师。１９７５年生，２００１年上海交
通大学船舶与海洋结构物设计制造专业毕
８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船有限元模型包括结构
业，获硕士学位，现攻读博士学位，并从事船
有限元模型、质量模型和水动力模型。
体结构强度等研究工作。
３．２．１结构有限元模型
一
１６一 胡志强等：８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船弯扭强度和舱口角疲劳强度分析
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（２）舱内集装箱货物、压载水、燃油、淡水和人员
备品等质量，通过施加质量点的方法把质量施加到
相应的节点上；
（３）舱口盖上集装箱质量，利用虚结构技术，建
立舱口盖上集装箱货物质量模型。这部分质量只参
与载荷传递，不计人船体强度计算。
满载状态下的全船质量分布包括上述三部分，
压载状态下只包括前两部分。
３．２．３水动力模型
分析中采用的８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船水动力模
型是依据其船体外表面型线建立的，目的是进行波
浪诱导载荷和加速度的预报。
３．３计算工况和外载荷
选取的载荷参数为船中垂直弯矩、船首１／４Ｌ
处扭矩及船尾１／４Ｌ处扭矩。分析中采用满载和压
载两种典型的装载状态。
图１全船有限元分析流程图
工程应用中通常采用设计波法，即给出一个确
全船结构有限元模型共包括１３０ ８８８个节点和
定的波浪，按一定的方向和相位作用于船体上，从而
２３８ １８４个单元。模型包括主要纵向构件，如内外
计算出该波浪作用下的船体构件应力。设计波的波
壳、甲板和纵桁等；主要横向构件如横舱壁、强框架
幅 由主要载荷参数在一定超越概率下的长期预
及抗扭箱等；上层建筑也包括在内。船体的各类板、
报值和传递函数的最大值确定。
壳结构，强框架、纵桁、平面舱壁的桁材等用４节点
长期预报极值（１０－８超越概率） ，１、
板壳单元模拟。纵骨和加强筋用梁单元模拟。正确
一 传递函数的最大幅值
填加结构属性，所有板厚按照规范要求进行折减。
为获取船体载荷响应最严重的海况条件，需计
８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船船体选用多种高强度钢材。
算出波浪诱导船体运动与载荷的传递函数。分析中
３．２．２质量模型
波浪频率取值范围为０．０５ ｒａｄ／ｓ～１．５ ｒａｄ／ｓ，间隔
船体质量模型必须能够真实反映实船的质量分
０．０５ ｒａｄ／ｓ，共选取３０个频率；选取１９个浪向角，０
布特征，保持其质量沿长度与高度的分布、质量总值
～
１８０。，间隔为１０。，通过三维势流理论求得船体动
和质心与实船基本一致。
力响应传递函数。再按照北大西洋波浪散布图和
质量模型由三部分组成。
１０ 超越概率计算船体响应的长期预报值，从而确
（１）空船质量，通过调整各子结构构件密度的方
定设计波幅ａ一波频 、波长Ｌ及波向，得到主要
法生成空船质量模型；
计算工况的设计波参数，见表１。
表１主要计算工况的设计波参数
上海造船２００６年第２期（总第６６期） 一１７—
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此外，满载状态垂直弯矩和扭矩（１０ 超越概
率）沿船长的分布曲线，如图２和图３所示；压载状
８
Ｏ
Ｏ
５
Ｏ
Ｏ
●
Ｏ
Ｏ
ⅢＮ＼墩珏｝
３
Ｏ
●
Ⅲ
２
Ｏ
Ｏ
，
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
０
●
Ｅ
Ｏ
０
９
Ｅ
＋
Ｅ
●
Ｅ
＋
Ｅ
＋
Ｅ
＋
Ｅ
＋
Ｅ
●
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ
态垂直弯矩和扭矩（１０ 超越概率）沿船长的分布
们 们 ∞ ∞ ＂ ∞ ∞
曲线，如图４和图５所示。
目
蚕
器 ‘呱＿＋Ｏｏ９
站号
３．Ｏ０Ｅ￣＇００９
图５压载状态下船体扭矩长期预报值沿船长分布
（１０ 超越概率）
３．４计算结果
将设计波施加在船体上，完成设计波作用下的
１０ ，５
全船结构应力计算，再与静水工况迭加，得出组合状
站号
态下的船体结构应力水平。由于结构应力水平数据
图２满载状态下船体垂直弯矩长期预报值沿船长分布
１ ８
ⅢＮ＼ 覃
６ ４
０ ０ ０ ０
量大，文中不列举。
● ＋ ● ●
０ ０ ０
（１０一
０
超越概率）
Ｏ ０ ０ ０
９ ８ ８ ８
４舱口角疲劳强度分析
４．１舱口角疲劳强度校核区域的选取
一
共选取了３个校核区域。第１个是机舱前端
的货舱舱口角，尤其是上甲板的钥匙孔结构。由于
船体部分纵向构件在机舱区域处于不连续状态，因
此该区域是疲劳分析的重点；第２个是船中货舱段
舱口角，该区域船中弯矩最大；第３个是近船首１／４
船长区域的货舱舱口角。该区域船体构件尺寸缩
减，货舱宽度发生变化，波浪动压力载荷和波浪诱导
扭矩较大。共选取了１２个校核点，如图６～８所示。
站号
４．２疲劳分析有限元模型
图３满载状态下船体扭矩长期预报值沿船长分布
（１０ 超越概率）
针对３个疲劳校核区域建立３个精细有限元模
型，每个模型包含１＋１个舱段，校核区域位于模型中
间。疲劳校核点附近的单元尺寸为板厚×板厚。
４．３疲劳校核计算方法
集装箱船舱段主要受到三种动载荷的作用，即
波浪诱导水平弯矩、垂直弯矩和扭矩。每一种载荷
都在热点处引起一个应力响应，而且这三种载荷的
作用是相关的，对应三种载荷下的三种应力成分不
能简单线性叠加。根据ＤＮＶ规范要求，采用（２）式
规定的叠加方法，得出用于疲劳寿命计算的热点应
力范围。
站号
△ ｇ＝２ Ｉ ｈ＋ 、Ⅳｔ＋ ｇｔ＋０．４５ａｖ ｌ
式中，仃ｈ为水平弯矩作用产生的热点应力， ＋仃
图４压载状态下船体垂直弯矩长期预报值沿船长分布
（１０一。超越概率）
为扭矩作用产生的热点应力，仃 为垂直弯矩作用产
生的热点应力。
一
１８一 胡志强等：８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船弯扭强度和舱口角疲劳强度分析
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舱口围板
表２作用在模型上的垂直弯矩、水平弯矩和扭矩
（１０Ｉ４超越概率） Ｎｍ
ｒ
Ａ４
．
／＿、
横舱壁
横舱壁
图６
机舱前端货舱舱口角疲劳校核点（Ａ１～Ａ４）
表３疲劳校核点的热点应力范围ＭＰａ
上甲板
） 舱／ｚ／围板 ，
Ｂ１
厂＼
Ｂ２
Ｂ３ Ｂ４
横舱壁
横舱壁
图７船中货舱舱口角疲劳校核点（Ｂ１～Ｂ４）
，）
７舱口围板
上甲板
ｃ１
ｃ３
ｃ
一
横舱壁
横舱壁
图８船首１／４船长区域货舱舱口角疲劳校核点（Ｃ１～Ｃ４）
分析时按满载和压载状态，施加通过长期预报
得出的１０ 超越概率下的波浪诱导弯矩和扭矩，见
表２。同时，模型外表面施加１０ 超越概率下的波
浪诱导水动压力。校核热点的应力范围见表３。
ｒ（１＋ ）——ｒ函数值，查表；
根据ＤＮＶ规范，船体结构的疲劳累积损伤Ｄ
ｑ ： —ｑ ——ｗｅ——ｗ ｕ刀 ｉｂｕ１１分布的尺度参数，仰削 Ｊ爻 姒’
按（３）式计算。
ｌ￣ ／ｏａｄ
ｎｑｍｒ（・＋ ）≤ （３）
其中： ０＝１０ ０００（１０ 超越概率所定）；
Ｄ＝
ｐ
△ ０——热点应力范围。
式中：
Ｄ： ，Ｄ１和Ｄ２分别表示左舷和右舷
ｏ ，Ｌ为船长；
舱口角对称校核点的疲劳损伤，最终用于计算校核
Ｔ ６．３×１０８，相当于２０年的秒数；
点疲劳寿命的疲劳损伤为两者的平均值。
——
，
Ｓ—Ｎ曲线参数，取 ＝１２．８９， ＝
各校核点的疲劳寿命计算结果见表４。
３．０；
５ 结 论
Ｎ ——工况数，分满载和压载两种工况；
——
每个工况所占船舶服役期时间的比例，
５．１全船弯扭强度特点分析
满载Ｐ ＝０．６５，压载Ｐ ＝０．２０；
（１）无论满载还是压载状态，集装箱船的最大船
——
ｗｅ ｕＵ分布形状参数；
中弯矩状态是迎浪中拱状态，高应力区主要出现在
上海造船２００６年第２期（总第６６期）
维普资讯
表４各校核点的疲劳寿命
该区域受波浪诱导扭矩载荷较大，结构变形明显，这
校核点 疲劳寿命／年
与波浪诱导载荷分布相一致。
＝耋 ｍ ￡；
５．２舱口角疲劳强度分析结论
（１）机舱前端与货舱相邻区域的舱口角是疲劳
分析的重点，该区域承受波浪诱导弯短和扭矩作用
都比较明显，并且有部分纵向构件在该处不连续，因
而上甲板结构采用了钥匙孔结构以释放应力集中。
从分析的结果看，钥匙孔结构的底部和朝向船内侧
的疲劳校核点应力水平并不很高；钥匙孔朝向舷侧
１ ０ ６ ９ ０ ９ ４ ５ ６ ０ ０ １ ２ ６ ¨ 卯 ∞ ６ ８ ４
的疲劳校核点的应力水平相对较高，但由于上甲板
２ ８ １ ３ ３ １ ２ ９ ５ ３ ４
板厚大，该校核区域的热点疲劳寿命基本满足２０年
４
的要求。
（２）船体中部区域的货舱段是承受波浪诱导船
体弯矩作用最为明显的区域，波浪垂直弯炬和水平
弯矩的作用都达到最大值。但该区域的板厚较大，
纵向构件连续，因此上甲板和舱口围板角圆弧形肘
机舱前的船体中部区域，机舱前舱口角为高应力区；
板中点的应力水平并不很高，满足疲劳寿命要求。
集装箱船处于扭转变形状态时，近船首１／４船长的
（３）靠近艏部的货舱段舱口角也是疲劳校核的
船体变形比较明显，该区域货舱舱口角有比较明显
重点之一。由于该区域的舱口宽度由宽变窄，纵向
的高应力区。
构件不连续，并且该区域受波浪诱导扭矩作用明显，
（２）集装箱船承受总纵弯曲和扭转载荷的主要
尤其是在压载状态下，该区域船体结构承受的波浪
构件，包括各层甲板、舷侧外板、内底板、外底板、横
诱导扭矩处于最大值。此外，该区域主要构件的板
舱壁和纵舱壁等构件强度使用比较充分。可以认为
厚缩减，因此应力集中现象明显。从疲劳校核分析
该船的结构设计基本上是合理的。
的结果看，Ｃ１点的圆弧形肘板中点应力集中现象明
（３）满载迎浪中拱状态下，船体主要构件没有明
显，疲劳寿命低于２０年的要求。必须通过增加该处
显的高应力区和应力集中现象；满载斜浪扭转状态
上甲板板厚的措施，才能使其疲劳寿命达到２０年的
下，船体构件由于扭转变形出现明显的应力集中现
要求。
象，尤其是机舱和相邻货舱的纵向构件。其中机舱
【参考文献】
前纵舱壁在舱口角处出现高应力，达到３６０ ＭＰａ左
［１］Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｕｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｈｉｐｓ［Ｓ］．
ＤＮＶ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅｓ Ｎｏ．３１．７，Ｍａｙ ２００４．
右；机舱后端平台出现较高的应力，达到３４５ ＭＰａ。
［２］Ｆａｔｉｇｕｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｓｈｉｐ ｓｔｒｕｃｔｕｒｓｅ［Ｓ］．ＤＮＶ Ｃｌａｓｉｆｉ．
这主要是因为机舱是横骨架式，纵向骨材在该区域
ｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅｓ，Ｎｏ．３０．７，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００３．
不连续造成的。
［３］Ｈｕｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｓｈｉｐｓ ｗｉｔｈ ｌｅｎｇｔｈ １００ ｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ
（４）压载迎浪中拱状态下，船体整体应力水平不
ａｂｏｖｅ［Ｓ］．ＤＮＶ Ｃｌａｓｉｆｉａｃｔｉｏｎ Ｎｏｔｓｅ，Ｒｕｌｓｅ ｆｏｒ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａ．
高；压载斜浪扭转状态下，船中区域应力水平不高，
ｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｐｓ ｎｅｗｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，Ｈｕｌｌ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｍａｉｎ
机舱后端平台仍然保持高应力状态。同时，靠近船
ｃｌａｓｓ，Ｐａｒｔ３ Ｃｈａｐｔｅｒ １，Ｊａｎｕａｒｙ １９９７．
首的货舱舱口角区域有较为明显的应力集中现象，
［４］ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｌｏａｄｓ［Ｓ］．
而且各层甲板在该区域都有较高的应力水平，说明
ＤＮＶ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅｓ，Ｎｏ．３０．５，Ｍａｒｃｈ ２０００．
一
２０一 胡志强等：８ ５３０ ＴＥＵ集装箱船全船弯扭强度和舱口角疲劳强度分析