赵超，曾文源，王平，范啸平

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

现有对方舱结构性能的分析大多都基于陆用方舱。对于陆用的车载方舱，其承受载荷主要为内部设备的质量及运输过程中产生的惯性力。陆用方舱主要靠底板和框架结构承受载荷，大部分的研究工作也都针对框架结构[1，2]。船用方舱，一般安装于露天甲板上，搭载环境的不同，使其结构的设计载荷有别于陆用方舱，除了设备的载荷外，还应考虑随船运动的惯性载荷、高海况下的上浪载荷等。海上的环境比陆上的环境复杂得多。方舱上舰后，可以视为船体的一部分，按船体结构设计的思路去设计。本文仅讨论方舱侧壁的结构设计，主要从以下几方面来考虑。

1)结构的安全性。侧壁结构应具有足够的强度。保证在搭载期间，遭遇高海况下上浪载荷时，侧壁结构不受破坏。

2)结构的变形要求。方舱内部空间紧张，设备与侧壁间的空间狭小。侧壁结构在承受载荷时过大变形会影响到内部设备，可能会导致设备使用异常，甚至损坏设备。因此，侧壁应保证一定的刚度，以免出现过大变形。

3)结构的振动控制。船上主要激励源有螺旋桨轴频和叶频激励、主发电机柴油机一阶二阶不平衡力和力矩、推进电机激励。为了避免发生共振，而影响设备的工作环境，应使方舱侧壁的振动固有频率避开上述船体主要激励频率。

4)结构防火的考虑。方舱作为独立的工作舱室，置于舰船的开阔甲板上，根据《国际海上人命安全公约》[3]的规定，方舱舱壁应为“A-0”级防火分隔，《国际耐火试验程序应用规则》[4]对“A” 分隔的结构尺度有着明确的最小要求。

5)结构重量的控制。过重的加载会改变船体的质量分布，影响船舶总纵强度。为方便装卸、吊运，功能模块一般置于露天甲板上，使得船体的重心高度上升，对稳性产生不利影响。在满足结构性能的要求下，应控制方舱质量。

1 侧壁设计载荷分析

将方舱视为船体的上层建筑，其侧壁受到的上浪载荷可参考露天的上层建筑端壁和甲板室围壁(端壁和侧壁)的设计载荷进行计算。

参照CCS《钢质海船入级规范》(2018)[5]，方舱侧壁载荷的计算压头为

h=αδ(βλ-γ)

(1)

式中：α、β、λ、δ为系数，与母船的主尺度以及方舱安装的位置有关。

系数α按下式计算。

α=0.006 7L1+0.5

(2)

式中：L1为船长，m，取值不必大于300 m。

系数β按下式计算。

(3)

(4)

式中:L为船长，m；X为艉垂线至考虑侧壁的距离，m，对方舱侧壁，应量至侧壁长度的中点处；Cb为方形系数，当Cb<0.6时，取0.6；当Cb>0.8时，取0.8。

系数λ按下式计算。

(5)

(6)

λ=11.03，当L≥300 m时

(7)

式中：L为船长，m。

系数δ按下式计算。

(8)

式中：b为所考虑位置的甲板室宽，m；B1为船舶的露天甲板在所考虑位置处的最大实际宽度，m。

对于上层建筑、机舱棚的露天部分和保护泵舱开口的甲板室应取δ=1。

方舱侧壁载荷的计算压头除了按式(1)计算外，还应不小于表1计算值。

表1 计算压头的最小值 m

2 侧壁结构型式对比分析

为保证方舱能快速装卸、转运、堆码等操作，一般方舱外形尺寸选用标准集装箱尺寸。以某船为搭载平台，将TEU标准外形尺寸(6 058 mm×2 438 mm×2 591 mm)的方舱安装于甲板舯后部区域某一位置处，方舱长边沿船长方向布置，见图1。采用第2节的计算方法，得出该方舱侧壁的上浪载荷。

图1 方舱安装位置示意

2.1 结构型式分析

舰载方舱的侧壁结构主要采用2种型式。

1)加筋板结构型式。加筋板的结构型式多用于船舶的结构设计，为了满足强度、刚度的要求，加强筋的间距及尺寸都会有一定的要求。加强筋会占用舱室部分空间，也会增大结构重量。加筋板结构型式见图2。

图2 加筋板结构示意

2)波纹板结构型式。波纹板结构形式多用于集装箱和陆用方舱，有着良好的强度、刚度，且占用空间较小，质量较轻等优点。波纹板一般是由普通钢板轧制而成。波纹板结构型式及波纹的相关参数见图3、4。

图3 波纹板结构示意

图4 波纹板主要参数示意

2.2 结构性能对比分析

《国际耐火试验程序应用规则》对结构“A-0”级防火的结构尺度的有着最小要求，要求舱壁板厚应不小于4 mm。给出加筋板的尺度和波纹板的主要尺寸，2种方案的结构重量相等。见表2。

表2 加筋板和波纹板的结构方案

以某20 ft方舱为例，不计侧面的框架结构，侧壁板的实际尺寸为：5 738 mm×2 221 mm。

采用MSC.Patran建立加筋板和波纹板的有限元模型[6,7]。为准确模拟波纹形状，波纹板和加筋板模型网格尺寸均为50 mm×50 mm，加强筋用梁单元进行模拟。

材料采用屈服强度为235 MPa的普通船用CCSA级钢，结构材料弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，材料密度为7.85×10-9t/mm3。2种结构型式的有限元模型见图5、6。

图5 加筋板有限元模型

图6 波纹板有限元模型

侧壁板的四周与方舱框架结构连接，实际边界条件介于简支与固支之间。本文不探讨边界条件的影响，仅对比分析在相同边界条件和载荷下，不同结构型式侧壁板的力学性能。假定板的边界约束条件为四周简支。板架固有频率计算四周简支，无载荷。

上浪时，方舱整个侧面承受载荷，因此，将第2节计算得到的载荷满铺均匀施加于模型上。主要计算结果见表3。

表3 加筋板和波纹板的计算结果

由表3可知，在相同的载荷作用下，波纹板的最大应力值和最大变形值比加筋板的要小；另外波纹板的一阶振动固有频率较加筋板大，能更易实现对母船的激励源频率的高避。

对于相同重量下的加筋板和波纹板，其结构型式带来的结构性能方面的差异较大。相比而言，波纹板在强度、刚度和固有频率等方面都更为满足设计需求。

3 波纹板结构型式分析

波纹板结构与槽型舱壁结构类似，但方舱侧壁和槽型舱壁考虑的载荷不同，因此,槽型舱壁的相关规范要求不可完全借用。波纹板的定义参数较多，如何取值没有确切可依的规范[8-10]。因此，本节采用有限元直接计算对波纹的面板与腹板的夹角、面板宽度及波纹深度等主要参数对结构性能的影响进行研究。计算方法同2.2。

3.1 腹板与面板夹角的影响分析

对上述尺寸的波纹板。研究腹板与面板夹角的变化对结构性能的影响。波纹板是用钢板冲压形成，从工艺角度来看，夹角范围为0°～90°。因此，保持波纹的腹板宽度及波纹深度不变，夹角从15°～90°每隔15°变化。分析工况见表4。工况1～5波纹板形状与图7从上至下依次对应。

表4 不同夹角工况说明

图7 不同夹角的波纹板示意

不同夹角计算结果见表5。

表5 不同夹角计算结果

由表5可见，随着波纹板夹角的增加，应力水平和最大变形下降明显。板架固有频率和重量随夹角增大而增大。夹角越接近于90°越有利于板架的强度和刚度。图7所示夹角越大，波纹数越多，从而增大了板架的强度和刚度。

各工况下结构性能参数计算结果相对于质量的比率，反映了增加单位质量时，各性能的变化量，见表6。

表6 不同夹角下各性能参数相对重量的比率

表6中显示工况1～2时板架结构增加单位质量时，性能的提高幅值是最大的，工况2之后再增加质量，性能的优化幅度减少。工况2方案是最为经济有效的选择。在满足结构设计要求的前提下，波纹腹板与面板的夹角取30°时最为经济有效。

3.2 面板宽度的影响分析

经上分析，波纹的腹板与面板的夹角取为30°，保持波纹深度不变，波纹面板宽度从50～250 mm变化。分析工况见表7。工况6～10波纹板形状与图8从上至下依次对应。

表7 不同面板宽度工况说明

图8 不同面板宽度的波纹板示意

波纹板在设计载荷作用下的结构性能计算结果见表8。随着面板宽度的增加，最大应力值下降明显，在面板宽度为200 mm时存在最小值；最大变形值在面板宽度为150 mm时达到最小值，且整体变化幅度不大；板架的整体重量随面板宽度的变化变化幅值不大。相较而言，方舱内部空间紧张，侧壁变形要求相对严苛，权衡考虑，选取面板宽度为150 mm。

表8 不同面板宽度计算结果

3.3 波纹深度的影响分析

波纹面板宽度、夹角保持不变，波纹深度取30、50、80和100 mm 4种工况。工况11～14波纹形状见表9与图9。

表9 不同波纹深度工况说明

图9 不同波纹深度的波纹板示意

在设计载荷作用下不同波纹深度波纹板的计算结果见表10。

表10 不同波纹深度计算结果

随着波纹深度的增加，最大应力值和变形值下降明显，板架的整体质量变化幅值不大。

波纹深度的变化对应力值和变形值的影响较大，增大波纹深度可有效增强结构性能。但实际设计过程中，波纹深度直接影响了方舱内部空间，波纹深度越小，内部空间越充足，因此，在满足结构性能的前提下，波纹深度理应越小越好。

4 结论

1)舰载方舱侧壁的结构设计，因其使用环境的特殊性，其设计要求应等同于船体，设计载荷按上建侧壁承受的载荷考虑。

2)对于相同质量下的加筋板和波纹板，波纹板在强度、刚度、固有频率等方面都存在一定的优势。

3)波纹夹角的增大有利于波纹的结构性能；权衡性能与重量的考虑，波纹腹板和面板为30°时，为最经济合理的方案。

4)对所选定的波纹板，存在最佳的面板宽度使波纹板架最大应力值最小，同时也存在另一最佳的面板宽度使波纹板架在载荷作用下变形值最小。实际设计应权衡考虑应力水平与变形的要求，选择较优方案。

5)波纹深度的变化对最大应力值和最大变形值的影响较大，增大波纹深度可有效增强结构性能。但实际设计过程中，波纹深度受到方舱内部空间的制约。