(武汉船舶职业技术学院船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430050)

破损集装箱船剩余极限强度的研究

郑兰

(武汉船舶职业技术学院船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430050)

用逐步破坏法编制了破损船舶计算程序，采用ABS的破损模型计算了一条集装箱船碰撞与搁浅下的剩余极限弯矩。计算了这条集装箱船基于极限强度的剩余强度指标，并对该船舶碰撞与搁浅下3个影响因素进行了敏感度分析，得出了结论对破损集装箱的救援具有指导意义。

集装箱船；剩余极限强度；敏感度

集装箱船作为快速运输船舶的代表，在水上货物运输中的重要作用日渐明显。然而，集装箱船事故发生却不可避免。2004年10月12日，九莲山号集装箱船发生碰撞事故导致沉没；2011年10月5日，MSC Rena号在新西兰港口发生触礁搁浅，导致严重的海洋污染；2012年3月15日，新加坡籍集装箱船BARELI在中国江阴港海域触礁搁浅，导致大批集装箱落海；2013年6月17日，MOL Comfort 由于恶劣天气导致货舱进水，随后船舶从中部断裂，随后发生火灾并断裂。为此，IACS加强了集装箱船安全标准方面的工作，集装箱规范呼之欲出，在集装箱规范中将极限强度纳入其内。

用船体梁极限强度来衡量船舶结构的安全，已经得到了许多船级社及学者的认可。船舶破损后，对船舶剩余极限强度的评估，这方面也取得了不少成绩。迟博轩[1]运用有限元软件对实船进行了舱段建模，求解了碰撞和搁浅情况下破损船舶的应力分布；邓林峰[2]采用直接计算法对两艘油船破损状态下的剩余强度进行了计算；骆文刚[3]用逐步破坏法计算了集装箱船的极限强度并与非线性有限元法计算结果进行了比较；刘俊梅[4]计算了一艘集装箱船碰撞与搁浅时的剩余强度，并进行了敏感度分析。

当集装箱船破损后，采取有效的措施来防止船舶剩余强度进一步降低，防止结构的进一步破坏，对于遇难船舶的救援来说非常重要。本文采用逐步破坏法编制了计算程序，计算了一艘集装箱船碰撞和搁浅下的剩余极限强度，并对破损船舶的敏感度进行了分析。通过计算结果分析，得出了一些结论，对于集装箱船的救援和营运具有一定指导意义。

1 破损船舶剩余强度评估

目前，有两个指标[5]来评估破损船舶剩余强度。它们是：

(1)基于剖面模数的剩余强度评估指标

(1)

式中：W为破损船体的有效剖面模数，Wr 为所要求的破损船体的有效剖面模数。

这种评价指标的实质就是根据甲板板或船底板处规范要求的有效破面模数和破损船体的实际有效破面模数进行比较，从而对船舶的剩余强度进行评估。

(2) 基于极限弯曲强度的剩余强度评估指标

fu=Mu/Mt

(2)

式中：Mu为破损船体的极限弯矩，Mt为破损船体的极端外弯矩。

这种评价指标的实质是将船舶破损后的极限弯矩和极端外弯矩进行比较，这种评估更符合船舶实际承载能力，同时，当船舶破损后一般都会发生不同程度的横倾，采用基于极限弯曲强度的剩余强度指标来评估船舶的剩余极限强度更为合适。

2 破损模型的确定

目前发生的海损事故中，最常见的就是碰撞和搁浅。碰撞和搁浅后破损模型越接近实际情况，剩余强度计算的结果越准确。ABS[6]根据长期的调查与统计，定义了两种典型船舶碰撞与搁浅时船舶的破损范围。由于集装箱船和双壳油船结构比较相似，因此，本文破损模型参照双壳油船来计算，如图1、图2所示。

图1 船舶碰撞破损模型

图2 船舶搁浅破损模型

3 破损集装箱船剩余强度计算实例

集装箱船的结构特点是，双层底，双层舷侧，大开口，甲板面积小。舷侧设多层平台甲板，舷侧顶部设置抗扭箱。本文计算了ISSC[7]集装箱船，其跨长5 100 mm，杨氏模量E=205 800 N/mm2，泊松比v=0.3， 横剖面如图3所示。

图3 某集装箱船截面形状与尺寸图

(1)参照ABS对双壳油船的破损范围的定义，碰撞时破损船舶右舷甲板边板1/8D以及舷侧外板顶部向下1/4D的范围。搁浅时破损船底板靠右舷向船舯1/6B的范围。本文使用计算程序，计算了该集装箱船碰撞和搁浅情况下，向左(为副)及向右(为正)横倾不同角度下的始屈弯矩My、塑性弯矩Mp、中垂极限弯矩Mus及中拱极限弯矩Muh,并将计算结果绘制成图4、图5。

图4 碰撞时集装箱船极限弯矩-横倾角曲线

图5 搁浅时集装箱船极限弯矩-横倾角曲线

从图4、图5中可以看出：①集装箱船碰撞和搁浅时，在不同的横倾角下塑性弯矩始终最大，始屈弯矩在小倾角范围内小于极限弯矩，但随着横倾角的加大，始屈弯矩会大于极限弯矩，说明用塑性弯矩和始屈弯矩来评估破损船舶剩余强度，可能会偏于危险。②集装箱船碰撞破损后剩余极限弯矩随着倾角的不对称性尤为明显：当船舶向破损一侧横倾时，中拱及中垂极限弯矩随着横倾角的加大升高；当船舶向非破损一侧横倾时，中拱及中垂极限弯矩随着横倾角的加大而降低。集装箱船搁浅破损时，随着横倾角度的增加，极限弯矩变化不那么明显。说明，当集装箱船碰撞搁浅时，合理的调整船舶的浮态可以提高船舶的剩余极限强度。③集装箱船碰撞破损时，在大多数情况下中垂极限弯矩小于中拱极限弯矩，但是当船舶向非破损一侧横倾超过10°以后，中垂极限弯矩大于中拱极限弯矩。而集装箱船搁浅破损时，中垂极限弯矩始终小于中拱极限弯矩。

(2)本文计算了集装箱船在碰撞和搁浅破损时，船舶向左横倾45°至向右横倾45°，随着破损位置的改变中垂剩余强度指标fus与中拱剩余强度指标fuh的值，并将计算结果绘制成图如下。集装箱船碰撞破损时破损范围取为：船舶右舷自上向下破损0-1/4D、1/8D-3/8D、1/4D-2/4D。集装箱船搁浅时破损范围取为：靠近右舷的船底板向船舯破损0-1/6B、1/12B-3/12B、2/12B-4/12B。

从图6至图9可以看出：①集装箱船碰撞破损时，在大多数情况下，随着破损位置从上向下移动，中垂和中拱剩余强度指标逐渐增大。说明，集装箱船舶碰撞破损时，破损位置越靠近船底越安全。②集装箱船搁浅破损时，当船舶向破损一侧横倾时，随着破损位置从舷侧向船舯移动，中垂和中拱剩余强度指标都逐渐增大。

图6 碰撞时集装箱船fus-横倾角曲线

图7 碰撞时集装箱船fuh-横倾角曲线

图8 搁浅时集装箱船fus-横倾角曲线

图9 搁浅时集装箱船fuh-横倾角曲线

4 破损集装箱船敏感度分析

当集装箱船船舶发生碰撞搁浅事故后，需要在最短的时间内找到提高其剩余极限强度的措施。因此，就必须知道在不同的情况下，集装箱船的剩余极限强度和哪些重要因素有关，以便采取有效的措施，来提高破损船舶的剩余极限强度，或者是采取措施避免剩余极限强度进一步降低导致的船舶更严重的破损或沉没。从目前的研究成果来看，影响破损集装箱船剩余极限强度的三大因素分别为：船舶破损后的浮态即横倾角度、船舶破损的范围大小以及破损位置的不同。本文采用中心差分计算了该集装箱船对以上三大因素的敏感度。计算表格如表1、表2所示。

表1 小倾角下破损集装箱船剩余极限强度敏感度

将表1-2中敏感度的计算结果取绝对值绘制图形如图10、图11：

从图10、图11可得出以下结论：①集装箱船在小角度横倾下：碰撞和搁浅破损时，对船舶的剩余极限强度影响最大的因素是船舶的破损范围：碰撞破损时，破损位置对剩余极限强度的敏感度仅次于破损范围。②集装箱船在大角度横倾下：碰撞时对船舶的剩余极限强度影响最大的因素是横倾角度；搁浅破损时，破损范围对船舶剩余极限强度敏感度最大，其次为横倾角度。

表2 大倾角下破损集装箱船剩余极限强度敏感度

图10 小倾角下破损集装箱船剩余极限强度敏感度

图11 大倾角下破损集装箱船剩余极限强度敏感度

5 结 语

本文编制了逐步破坏法的计算程序。首先，按照ABS双壳油船的破损模型计算了一条集装箱船在碰撞和搁浅破损情况下，在不同的横倾角度下的始屈弯矩、塑性弯矩、中垂极限弯矩及中拱极限弯矩,并将计算结果绘制成图进行分析。接着，用该程序计算了该集装箱船碰撞和搁浅时不同的破损位置，不同的横倾角度下的中垂和中拱剩余强度指标。将计算结果绘制成图进行分析。最后，用该程序计算了影响集装箱船剩余极限强度的三大因素的敏感度，并将结果绘制图表分析。通过以上的分析，得出了一些有价值的结论，对于集装箱法规的制定与修改，对于集装箱船破损后的救援和拖航具有重要参考价值。

1 迟博轩.破损船舶剩余强度安全性研究[D].大连:大连海事大学，2015:24-47.

2 邓林峰.船体极限强度直接法分析与计算[D].武汉:武汉理工大学，2008:39-65.

3 骆文刚.内河船舶极限强度计算的逐步破坏法程序设计[J].中国舰船研究,2013，8(2)：58-64.

4 刘俊梅.破损船体剩余极限强度的影响参数与敏感度分析[J].船舶工程,2007,29(3):51-54.

5 郑兰. 油船完整极限强度及破损剩余强度与研究[D].武汉:武汉理工大学，2008:23-39.

6 ABS . SAFEHULL SYSTEM. 1983.
.

7 Yao T, Astrup O C, Caridis P, et al. Ultimate hull girder strength. Proc.14th International Ship and Offshore Structures Congress,Nagasaki, Japan,2000,2:321-391.

Abstract: Ship damage calculation program is made with the progressive method, and the residual ultimate moment of a container ship under the collision and grounding situation is calculated by using ABS damage model. The residual strength index of the collision and groundingship is calculated and the three influential factors’ sensitivity is analyzed. The analysis and study results provides guidance for the rescue of damaged container ships.

Keywords:container ship; residual ultimate strength; sensitivity

(责任编辑：谭银元)

ResearchonResidualUltimateStrengthofDamagedContainerShips

ZHENLan
(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan 430050，China)

U661.43

A

1671-8100(2017)03-0010-04

武汉船舶职业技术学院院级重点项目(项目编号：2016z04)。

2017-04-11

郑 兰，女，硕士，研究方向为：船舶与海洋结构安全性与可靠性。