79.98m敞口集装箱船横向强度有限元分析(附件)
摘 要摘 要 随着国际贸易的不断深化以及集装箱船的大型化发展，集装箱船对推动航运业起到了至关重要的作用。敞口集装箱船具有宽大的开口，其结构的特殊性导致了船体结构受横向力时易发生结构破坏。因此详细研究敞口集装箱船横向强度是很有必要的。本文首先介绍了集装箱船的发展历史，其典型的船型特点，及其结构研究概况。接着介绍了MSC.Patran/Nastran有限元计算软件，以及有限元软件在船舶结构强度直接计算方面的应用。其次，本文根据一艘79.98m的敞口集装箱船，按照该船型的总布置图、型线图、基本结构图、典型横剖面图、舱壁结构图等图纸，利用MSC.Patran有限元软件，建立舱段模型。本文舱段模型取纵向范围#46肋位到#101肋位。根据中国船级社CCS制定的《集装箱船结构强度直接计算指南》规范要求以及本船的稳性计算说明书，本文考虑了LC1、LC4、LC5、LC6和LC7（满载出港货舱浸水）五种工况，并根据计算工况对该舱段模型添加边界条件及施加载荷。然后，利用MSC.Nastran计算程序，计算货舱段各主要构件的应力，得到各构件的应力云图。最后，本文对计算结果进行了详细的分析，得出79.98m敞口集装箱船货舱区各主要构件的强度均满足规范要求。本文详细地阐述了79.98m敞口集装箱船货舱区结构强度评估，对这类大开口结构的集装箱船结构分析具有一定的指导意义。同时，文中所采用的分析方法及过程对该类船舶的设计与开发研究有一定的借鉴价值。关键词：敞口集装箱船；横向强度；有限元分析 目 录
第一章 绪论 1
1.1 集装箱船的发展概况 1
1.2 集装箱船的分类 2
1.3 敞口集装箱船船型特点 3
1.3.1 船型特点 3
1.3.2 船体结构布置 4
1.4 集装箱船结构研究概况 5
1.5 本文主要研究内容 6
第二章 有限元软件介绍 8
2.1 MSC.PATRAN软件介绍 8
2.2 有限元模型 9
2.3 本章小结 11
第三章 舱段有限元模型 12
3.1 概述 12
3.1.1 船舶主尺度和主要参数 12
3.2.2 其它概述 14
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1.5 本文主要研究内容 6
第二章 有限元软件介绍 8
2.1 MSC.PATRAN软件介绍 8
2.2 有限元模型 9
2.3 本章小结 11
第三章 舱段有限元模型 12
3.1 概述 12
3.1.1 船舶主尺度和主要参数 12
3.2.2 其它概述 14
3.2有限元模型建立的依据及原则 14
3.2.1 评估依据 14
3.2.2 参考图纸及资料 14
3.2.3舱段模型建立原则 15
3.3 有限元建模过程简介 15
3.4 结构有限元模型 17
3.5本章小结 20
第四章 横向强度有限元分析 21
4.1 计算工况 21
4.2 边界条件 21
4.2.1 纵中剖面对称边界条件 21
4.2.2 局部载荷工况边界条件 22
4.3.3 横倾工况边界条件 22
4.3 计算载荷 24
4.4计算结果分析 26
4.4.1许用应力衡准 26
4.4.2应力结果分析 27
4.4.3总结 32
4.5 本章小结 32
结语 34
致谢 36
参考文献 37
附录 38
第一章 绪论
1.1 集装箱船的发展概况
集装箱船因具有高航速、快速装卸、短时间停港等特点，而成为了海上运输货物的主要船型之一。因而，集装箱船越来越吸引航运和造船业的关注。在一个国家海上航运能力评估中，拥有集装箱船的数量和总吨位是一个极其重要的参考依据。1956年4月，第一艘集装箱船是历史性的首次航行。随着航运业的快速发展，集装箱船的发展经历了六个阶段：第一代集装箱船运载出现在上世纪50年代，该船是采用杂货船改装而成的，可载700-1000TEU；到了1960年代，横跨在太平洋和大西洋上出现了第二代专用集装箱船，其航运速度提高到26-27节，装载数也大大增加；第三代集装箱船出现在1973年，由于受石油危机的影响，虽然这一代船的装载数达至3000TEU，但航速有所降低；在20世纪80年代末，第四代集装箱船出现，集装箱船向大型化发展，最大装载数可达到4400TEU，且航速也进一步提高；1995年，由德国船厂建造的APLC-10型集装箱船问世，这船是第五代集装箱船的代表，其装载数可达到4800TEU；第六代集装箱船最多可装载8000TEU，属于超大型。因此可以发现，集装箱船向大型化发展。
近几年，随着全球经济贸易的迅速发展，集装箱船发展也很快,并已成为船舶运输行业的重要组成部分。现代大型集装箱船常设有甲板大开口和舱口围板结构，以争取更大空间来存放更多的集装箱,因而要求提高船舶的结构强度。
随着我国长江两岸地区经济的飞速发展以及上海集装箱码头沿海区域的迁移，未来几年对集装箱船的需求将大幅度增长，运输船型将面临着结构调整。因此，敞口集装箱船的海上航运具有广泛的市场前景。
1.2 集装箱船的分类
（1）按照装运集装箱情况划分：
集装箱船根据装运集装箱情况可分为部分全集装箱船、集装箱船和可变换集装箱船三种：
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。
部分集装箱船，其专用舱位是船的中央部位，其它舱位则装普通杂货。
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。(2) 集装箱船按照装箱量划分如下：
a.小型集装箱船 装箱量<1000TEU
b.中型集装箱船 1000TEU<装箱量<2500TEU
c.大型集装箱船 2500TEU<装箱量<8000TEU
d.超大型集装箱船 装箱量>8000TEU
(3) 按照巴拿马型的船舶划分：
表1-1 巴拿马型船舶
集装箱船型分类
装箱数(TEU)
超巴拿马型集装箱船
中超巴拿马型集装箱船
8000
小超巴拿马型集装箱船
5500-6500
巴拿马型集装箱船
巴拿马极限性集装箱船
5000
巴拿马型集装箱船
4200
(4) 按照集装箱船的发展情况划分
可分为第一、二、三、四、五、六代集装箱船，如表1-2：
表1-2 第一代～第六代集装箱船代表船型表
船舶情况
船长(m)
船宽(m)
吃水(m)
载箱量（TEU）
第一章 绪论 1
1.1 集装箱船的发展概况 1
1.2 集装箱船的分类 2
1.3 敞口集装箱船船型特点 3
1.3.1 船型特点 3
1.3.2 船体结构布置 4
1.4 集装箱船结构研究概况 5
1.5 本文主要研究内容 6
第二章 有限元软件介绍 8
2.1 MSC.PATRAN软件介绍 8
2.2 有限元模型 9
2.3 本章小结 11
第三章 舱段有限元模型 12
3.1 概述 12
3.1.1 船舶主尺度和主要参数 12
3.2.2 其它概述 14
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1.5 本文主要研究内容 6
第二章 有限元软件介绍 8
2.1 MSC.PATRAN软件介绍 8
2.2 有限元模型 9
2.3 本章小结 11
第三章 舱段有限元模型 12
3.1 概述 12
3.1.1 船舶主尺度和主要参数 12
3.2.2 其它概述 14
3.2有限元模型建立的依据及原则 14
3.2.1 评估依据 14
3.2.2 参考图纸及资料 14
3.2.3舱段模型建立原则 15
3.3 有限元建模过程简介 15
3.4 结构有限元模型 17
3.5本章小结 20
第四章 横向强度有限元分析 21
4.1 计算工况 21
4.2 边界条件 21
4.2.1 纵中剖面对称边界条件 21
4.2.2 局部载荷工况边界条件 22
4.3.3 横倾工况边界条件 22
4.3 计算载荷 24
4.4计算结果分析 26
4.4.1许用应力衡准 26
4.4.2应力结果分析 27
4.4.3总结 32
4.5 本章小结 32
结语 34
致谢 36
参考文献 37
附录 38
第一章 绪论
1.1 集装箱船的发展概况
集装箱船因具有高航速、快速装卸、短时间停港等特点，而成为了海上运输货物的主要船型之一。因而，集装箱船越来越吸引航运和造船业的关注。在一个国家海上航运能力评估中，拥有集装箱船的数量和总吨位是一个极其重要的参考依据。1956年4月，第一艘集装箱船是历史性的首次航行。随着航运业的快速发展，集装箱船的发展经历了六个阶段：第一代集装箱船运载出现在上世纪50年代，该船是采用杂货船改装而成的，可载700-1000TEU；到了1960年代，横跨在太平洋和大西洋上出现了第二代专用集装箱船，其航运速度提高到26-27节，装载数也大大增加；第三代集装箱船出现在1973年，由于受石油危机的影响，虽然这一代船的装载数达至3000TEU，但航速有所降低；在20世纪80年代末，第四代集装箱船出现，集装箱船向大型化发展，最大装载数可达到4400TEU，且航速也进一步提高；1995年，由德国船厂建造的APLC-10型集装箱船问世，这船是第五代集装箱船的代表，其装载数可达到4800TEU；第六代集装箱船最多可装载8000TEU，属于超大型。因此可以发现，集装箱船向大型化发展。
近几年，随着全球经济贸易的迅速发展，集装箱船发展也很快,并已成为船舶运输行业的重要组成部分。现代大型集装箱船常设有甲板大开口和舱口围板结构，以争取更大空间来存放更多的集装箱,因而要求提高船舶的结构强度。
随着我国长江两岸地区经济的飞速发展以及上海集装箱码头沿海区域的迁移，未来几年对集装箱船的需求将大幅度增长，运输船型将面临着结构调整。因此，敞口集装箱船的海上航运具有广泛的市场前景。
1.2 集装箱船的分类
（1）按照装运集装箱情况划分：
集装箱船根据装运集装箱情况可分为部分全集装箱船、集装箱船和可变换集装箱船三种：
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。
部分集装箱船，其专用舱位是船的中央部位，其它舱位则装普通杂货。
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。(2) 集装箱船按照装箱量划分如下：
a.小型集装箱船 装箱量<1000TEU
b.中型集装箱船 1000TEU<装箱量<2500TEU
c.大型集装箱船 2500TEU<装箱量<8000TEU
d.超大型集装箱船 装箱量>8000TEU
(3) 按照巴拿马型的船舶划分：
表1-1 巴拿马型船舶
集装箱船型分类
装箱数(TEU)
超巴拿马型集装箱船
中超巴拿马型集装箱船
8000
小超巴拿马型集装箱船
5500-6500
巴拿马型集装箱船
巴拿马极限性集装箱船
5000
巴拿马型集装箱船
4200
(4) 按照集装箱船的发展情况划分
可分为第一、二、三、四、五、六代集装箱船，如表1-2：
表1-2 第一代～第六代集装箱船代表船型表
船舶情况
船长(m)
船宽(m)
吃水(m)
载箱量（TEU）
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