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以装运集装箱为主的小型多用途集装箱船自80年代初出现以来,经过十多年的发展,已经为欧洲各国航运公司所广泛采用,作为港口之间特别是中小港口与大型集装箱枢纽港之间的集装箱喂给船,它亦具有装载件杂货、散货、长大件货甚至危险品等各类货物的能力,因为具有周转灵活、营运经济型好的优点。
随着国内集装箱运输的发展,这种已在欧洲发展成熟的穿行也越来越受到国内外船东的重视,自1989年以来,国内外船东要求各研究院所对该类船舶的报价陆续增多。
几年来,我国对这种穿行的研究改进工作一直没有停止。
1990年,在原有的3600多吨多用途货船的基础上,参考了国内外同类船舶,在保证船舶安全可靠的前提下,以提高经济型为指导思想,对船舶的尺寸、线型、布置及主要设备国产化选型等各方面均进行了优化改进后,推出了多种多用途船。
其中包括集散两用船舶。
随着世界航运业竞争日趋激烈,对船舶的性能和使用要求亦愈加增高,船舶的高技术化和多功能多用途化已经成为趋势。
然而,受东南亚金融危机影响,船价不断下降,似的造船业中的竞争更加剧烈。
企业为了能在竞争中站稳脚跟,在竞争中求生存,降低造船成本是一条必由之路。
1.2集装箱的定义:
集装箱(container)是指海、陆、空不同运输方式进行联运时用以装运货物的一种容器。
香港称之为"
货箱"
。
台湾称之为“货柜”。
关于集装箱的定义,国际上不同国家、地区和组织的表述有所不同。
国际标准化组织(ISO)对集装箱定义如下:
集装箱是一种运输设备;
具有足够的强度,可长期反复使用;
为便于商品运送而专门设计的,在一种或多种运输方式下运输时,无需中途换装;
具有快速装卸和搬运的装置,特别是从一种运输方式转移到另一种运输方式时;
设计时注意到便于货物装满或卸空;
内容积为1立方米或1立方米以上。
集装箱这一术语的含义不包括车辆的一般包装。
1.3集装箱的分类:
运输货物用的集装箱种类繁多,从运输家用物品的小型折叠式集装箱直到40英尺标准集装箱,以及航空集装箱等,不一而足。
这里仅介绍在海上运输中常见的国际货运集装箱类型。
按用途分类:
集装箱按箱内所装货物一般分为:
(1)通用干货集装箱(DryCargoContainer)这种集装箱也称为杂货集装箱,用来运输无需控制温度的件杂货。
其使用范围极广,据1983年的统计,世界上300万个集装箱中,杂货集装箱占85%,约为254万个。
这种集装箱通常为封闭式,在一端或侧面设有箱门。
这种集装箱通常用来装运文化用品、化工用品、电子机械、工艺品、医药、日用品、纺织品及仪器零件等。
这是平时最常用的集装箱。
不受温度变化影响的各类固体散货、颗粒或粉未状的货物都可以由这种集装箱装运。
(2)罐式集装箱(TankContainer)它是专用以装运酒类、油类(如动植物油)、液体食品以及化学品等液体货物的集装箱。
它还可以装运其他液体的危险货物。
这种集装箱有单罐和多罐数种,罐体四角由支柱、撑杆构成整体框架。
者由于侧壁强度较大,故一般装载麦芽和化学品等相对密度较大的散货,后者则用于装载相对密度较小的谷物。
散货集装箱顶部的装货口应设水密性良好的盖,以防雨水侵入箱内。
(3)台架式集装箱(PlatformBasedContainer)它是没有箱顶和侧壁,甚至连端壁也去掉而只有底板和四个角柱的集装箱。
这种集装箱可以从前后、左右及上方进行装卸作业,适合装载长大件和重货件,如重型机械、钢材、钢管、木材、钢锭等。
台架式的集装箱没有水密性,怕水湿的货物不能装运,或用帆布遮盖装运。
(4)平台集装箱(PlatformContainer)这种集装箱是在台架式集装箱上再简化而只保留底板的一种特殊结构集装箱。
平台的长度与宽度。
与国际标准集装箱的箱底尺寸相同,可使用与其他集装箱相同的紧固件和起吊装置。
这一集装箱的采用打破了过去一直认为集装箱必须具有一定容积的概念。
(5)敞顶集装箱(OpenTopContainer)这是一种没有刚性箱顶的集装箱,但有由可折叠式或可折式顶梁支撑的帆布、塑料布或涂塑布制成的顶篷,其他构件与通用集装箱类似。
这种集装箱适于装载大型货物和重货,如钢铁、木材,特别是像玻璃板等易碎的重货,利用吊车从顶部吊入箱内不易损坏,而且也便于在箱内固定。
(6)汽车集装箱(CarContainer)它是一种运输小型轿车用的专用集装箱船。
1.4内河集装箱船的特点
1.4.1内河集装箱船的船型结构特点:
内河集装箱船的船型较有特点,它多为带有首楼和尾甲板室,单层连续甲板,尾机型,甲板具有超大型开口、双桨、较瘦狭、柴油机驱动。
1)内河集装箱船的船型特点
内河集装箱船舶的船型较有特点,它多为带有艏楼和艉甲板室、单层连续甲板、艉机型、甲板具有超大型开口、双桨、较瘦狭、柴油机驱动。
2)内河集装箱船的结构特点
a.内河集装箱船结构型式
《钢质内河船舶入级与建造规范》规定的基本结构型式主要有三种:
双底双舷、双底单舷、单底单舷,并在舷侧顶部设置纵向抗扭箱结构。
b.内河集装箱船特点
内河集装箱船具有宽大的货舱开口及方整的货舱,舷侧上部设抗扭箱,通常上甲板、双层底、抗扭箱均为纵骨架式结构,其余舷侧、艏艉舱为横骨架式结构,集装箱四角船底部分需局部加强。
由于内河集装箱船具有宽大的货舱开口,其扭转强度的重要性已上升到与总纵强度同等的地位。
1.4.2结构设计原则
全船采用混合骨架式结构,货舱区采用双壳双底,首尾机舱区域为横骨架式。
无论采用什么骨架形式,纵向构件均应有良好的结构连续性;
甲板、舷册及船底骨架应能有效地连接,构成完整的钢性整体。
肋骨或纵骨间距一般应不大于600mm.板的取值如果小于10mm时,其小数点后面的数值小于0.25时舍去;
大于或等于0.75mm时进1mm,如果计算所得的板厚大于10mm,小数点后的数值按四舍五入。
当骨材直接与板相连接时,要求的剖面模数和惯性矩为带板的最小要求值;
普通骨材的带板宽度取骨材的间距;
强骨材带板宽度取强骨材跨距的1/6,但大于负荷平均宽度,亦不小于普通骨材间距。
若骨材仅一侧有带板时,则带板宽度取上述规定的50%。
当骨材不直接与板相连时,要求的剖面模数与惯性矩仅为骨材不带板最小要求值。
1.5敞口集装箱船
1.5.1敞口集装箱船优点
敞口集装箱船是指其一个或多个货舱不需设置舱口盖的船舶,它具有很多优点:
1)港口装卸速度快
由于没有(或很少)舱口盖需要开闭,也没有(或大部分没有)堆放在舱口盖上的集装箱,省掉了复杂的绑扎装置,使船舶停港时间大为缩短,特别是对那些短程航行并频繁停靠港口的集装箱船来说将带来更大利益。
2)货物堆置管理方便
一般集装箱船必须先把舱口盖上的集装箱移走并开启舱盖,才能吊取船内集装箱,而敞口集装箱船允许货物直接进行装卸,可以减少集装箱不必要的重新堆置和移换,尤其是装载重箱更体现其优越性。
对于停靠较多港口需反复装卸的集装箱船,将显得更加有价值。
3)减轻船员负荷
敞口集装箱船由于绑扎系统减少,绑扎索具的拆卸、安装和维修工作以及离港前的绑扎情况检查都减少,这样可大大减轻船员的工作负荷。
4)其它
一般集装箱船需有较大空间给翻滚和堆放舱盖用,故比敞口集装箱船有较大的船长。
此外,一般集装箱船存在舱口盖容易变形等缺点。
总之,货舱不设舱口盖,可供货物装卸简单快捷是显而易见的。
1.5.2存在问题及解决措施
因舱盖存在舱内进水问题,实际证明下雨是舱内有水的主要来源。
对舱内进水问题所采取的措施:
1)用得较多的措施是:
为了减少航行中海水溅入,穿首部1-2个货舱加盖,既能避免首部上浪进水又不可放不宜进水的集装箱。
另外,增大型深,或加高货舱前端围壁,或将上层建筑驾驶室前移至货舱前面,以减少货舱进水量。
2)在无舱盖上放设置轻便的活动遮雨蓬,防止暴雨袭击。
3)通过船模耐波性试验测定货舱进水量,据此配备足够余量的大容
量的自动舱底泵,排出货舱积水。
4)在水线以上适当高度处设置装有止回阀的排水孔,作为故障保护。
5)为了减少货舱底部积水的自由液面影响,货舱内用槽形内底或在
内底板上设300mm高的纵行。
6)采用球首和外飘的组合型船首,使首部上浪和飞溅降至最低。
1.6制约集装箱船大型化的因素
制约集装箱船大型化的因素主要有船舶本身的技术因素、港口方面的因素以及集装箱和集装箱绑扎的因素。
1、船舶本身的技术因素是:
a.结构强度:
超大型集装箱船的设计中结构强度,尤其是抗扭强度问题最为突出。
b.稳性:
船舶稳性的要求限制了集装箱的堆高。
但大型集装箱船因宽度增大,因此改善了稳性。
c.舱口盖的强度:
受制于岸吊的起吊能力,舱口盖的强度不能无限制的扩大,因而也制约了集装箱的堆高。
d..进系统:
受制于单个主机功率以及单个艉轴强度。
超大型集装箱船的航速要求
越来越高,对推进效率、主机马力、艉轴强度等要求都很高。
目前的6000箱船主机缸数已达12个缸,如建造12000箱船,单个主机能否发出足够的功率尚待研究。
2、港口方面的因素:
对8000箱以上的集装箱船所要挂靠的港口来说,其泊位长度、吃水,岸吊的臂展,装卸速度及码头堆场的容量要求均较高。
3、集装箱的因素:
集装箱自身的强度限制了集装箱的堆高。
4、集装箱绑扎的因素:
集装箱绑扎件的强度限制了甲板上堆放的数量和重量。
另外,经营超大型集装箱船,船东的揽货能力无疑是决定其发展的最重要商业因素。
1.7集装箱船结构设计中若干问题的探讨
1.7.1典型货舱的集装箱布置
一般来说,典型货舱的集装箱布置应合理而紧凑,它对集装箱船的主尺度、货舱及货舱口的大小、船体结构强度等有很大的影响。
通常一个货舱有2个货舱口,每个货舱口纵向布置2行20ft或1行40ft集装箱,每个货舱口长度为40ft集装箱长度加上集装箱与舱口的间隙,货舱口之间的横向甲板条一般取2档肋距。
对于一千几百箱级的集装箱船,通常货舱口的长度为16个肋距,肋距0.79m~0.8m,大型集装箱船的肋距可大到0.82m。
只要间隙够,应尽可能取小的肋距。
2个货舱口长度与横向甲板条加上货舱两端空间就决定了一个货舱长度。
货舱口宽度为集装箱列数乘以箱宽加上集装箱之间横向间隙,再加上集装箱与舱口的间隙。
集装箱与舱口间的纵向及横向间隙取决于导轨架的形式和舱口角隅半径。
上述这些间隙也影响货舱口的长度和宽度。
甲板上集装箱的列数通常比舱内集装箱多1~2列。
如多2列集装箱,双壳宽度(或甲板宽度)较大,达2.2m左右,纵舱壁可伸到双层底(;
而多1列集装箱,双壳宽度较小,在1.1m左右,纵舱壁不能伸到双层底,因此舱内最底层外侧1列集装箱需取消,改为阶梯平台。
显然双壳窄的船宽就小,结构重量也轻,更先进一些。
货舱内集装箱的层数确定后,船的型深和货舱舱口围板的高度就相应确定了。
其他货舱的集装箱布置可参照典型货舱集装箱布置依此类推。
1.7.2集装箱箱角处的加强
在集装箱箱座下面,双层底内应设置桁材和肋板,平台或甲板下应设置纵桁和横向强构件(如强横梁、横隔板或横舱壁)。
在集装箱箱座的水平方向,舷侧应设置水平构件(如桁材、纵骨、或平台),横舱壁初应设置水平桁。
1.7.3横向强度
集装箱船货舱区域的舷侧横强度也是十分突出的问题。
设计中应注意下述两点:
1)横向强肋框,它是由肋板、强肋骨和纵舱壁的垂直桁及甲板强横梁构成;
或肋板和带有开孔的横向强框架构成。
通常是3个–4个肋距设置,横向强肋框主要承受水压力和货物重力。
肋板和舷侧横向强框架连接处一般是高应力区,该部位的构件需适当加厚。
必要时,应进行二维有限元分析确定该处板厚值。
2)货舱区舷侧上部的纵向抗扭箱是集装箱船船体结构中最薄弱的部位,不但应力高,横向变形也大,这种特征在大型集装箱船上尤为显著。
尽管船体结构的横向变形是在弹性范围内,但它对甲板上放置集装箱或保证舱口盖的密封是不利的。
因此,应增加纵向抗扭箱构件的尺寸,特别是增加甲板的板厚,提高该区域的结构刚度,尽可能控制船体的横向变形。
但这会导致船体重量增加,重心提高。
比较合理的方法就是在开口区域设置一定数量的横向支持舱壁或横向抗扭箱结构,增加开口区域的横向刚度。
此外,可设置纵向连续舱壁围板。
虽然纵向连续舱口围板本身的抗扭作用并不明显,但它能计入总纵强度,增加船体舯剖面模数。
第二章船体结构规范计算书
2.1本船简介
本船为航行于长江A级航区的集散两用船。
主要用于运载标准集装箱及一般干杂类货物。
本船设单层连续强力甲板,并设有平台甲板。
货舱区域为纵骨架式,设双层底、双舷侧。
首、尾部为横骨架式,设单层底、单舷侧。
本计算书按CCS2009《钢质内河船建造规范》设计。
2.2船体主要参数
总长LOA89.60m
两柱间长Lpp85.50m
型宽B15.20m
型深D6.55m
设计吃水d5.80m
肋距s0.60m
主尺度比L/D=13.0B/D=2.43
2.3船体结构构件计算
2.3.0.肋距
由于总布置图中所给的肋距是s=0.6m。
取肋距:
s=0.6m
2.3.1外板及内底板
2.3.1.1船底板
根据《钢质内河船建造规范》(以下简称《内规》)8.3.1.1节
大舱口船货舱区域的船底板厚度t应不小于按下式计算所得之值:
mm
式中:
L------船长,m;
s------肋骨或纵骨间距,m;
a------航区系数,A级航区船舶取a=1;
α、β、γ------系数,纵骨架式取α=0.05β=3.9γ=1.0。
本船取:
L=85.5ms=0.6ma=1α=0.05β=3.9γ=1.0
计算得:
t=7.615mm
根据《内规》2.3.2.1节
船底板厚度t尚应不小于按下式计算所得之值:
mm
式中:
d------吃水,m;
s------肋骨或纵骨间距,m;
r------半波高,m,按《内规》1.2.4节的规定确定。
取r=1.25m;
本船取:
d=5.8ms=0.6mr=1.25m
t=7.65mm
船底板厚度取t=10mm满足要求
根据《内规》2.3.2.3节
首,尾部船底板厚度应不小于船中部的船底板厚度。
取t=11mm满足要求
根据《内规》2.3.2.4节
过渡区域船底板厚度应不小于船中部船底板厚度的0.8倍。
取t=10mm满足要求
2.3.1.2平板龙骨
根据《内规》2.3.1节
船中部平板龙骨厚度应按船中底部厚度增加1mm。
取t=11mm满足要求
首,尾部平板龙骨厚度应不小于船中部船底板厚度。
取t=12mm满足要求
平板龙骨宽度应不小于0.1B,且应不小于0.75m。
取b=1600mm满足要求
2.3.1.3舭列板
根据《内规》2.3.3节
若船底板厚度大于8mm时,则舭列板厚度厚度可与船底板厚度相同。
取船中t=10mm
首、尾部t=11mm满足要求
2.3.1.4舷侧列板
根据《内规》2.3.4节
船中部及过渡区域舷侧外板厚度应不小于船底板厚度的0.9倍。
取t=10mm满足要求
船首尾部舷侧外板厚度,应不小于船中部船底板厚度。
2.3.1.5舷侧顶列板
根据《内规》8.3.3节
舷侧顶列板在强力甲板下的宽度应不小于0.15D,且应不小于250mm。
取b=1000mm满足要求
船中部舷侧顶列板得厚度应不小于强力甲板厚度的0.85倍或舷侧外板厚度增加1mm,取其大者。
舷侧顶列板可逐渐向首尾两端减至首、尾部的舷侧外板的厚度。
取船中t=11mm;
首、尾部t=11mm满足要求
2.3.1.6内底板
根据《内规》2.3.9节
内底板厚度t应不小于《内规》2.3.2.1节和2.3.2.2节计算所得的0.8倍。
取t=8mm满足要求
根据《内规》8.3.5.2节
装载集装箱或件杂货物时内底板厚度t尚不应小于按下式计算所得之值:
mm
mm
h------计算水柱高度,m,自内底板上缘量至干舷甲板边线(或舱棚顶板与围壁板交线)的距离。
t1------由《内规》8.3.3.1节计算所得,
本船:
s=0.6mh=5.55mt1=7.615mm
t=7.774mmt=6.092mm
取t=10mm满足要求
根据《内规》2.3.9.3节
机舱内的内底板厚度和双层底内燃油舱的内底板厚度尚应加厚1mm。
取t=11mm满足要求
根据《内规》2.3.9.5节
内底边板的厚度应不小于内底板的厚度。
2.3.2.甲板
2.3.2.1强力甲板
根据《内规》2.4.1节
船长大于或等于50m的船舶,其中部强力甲板的最小厚度t应不小于按下式计算所得之值,首、尾部强力甲板最小厚度应不小于中部的0.9倍。
L------船长,m;
s------纵骨间距,m;
a------航区系数,对A级航区船舶取a=1。
计算得:
t=7.83mm
取t=10mm满足要求
首、尾部强力甲板厚度取t=10mm满足要求
2.3.2.2甲板边板
根据《内规》2.4.1.3节
船中部甲板边板的宽度应不小于0.1B,厚度应按甲板厚度增加1mm。
首、尾部甲板边板厚度可与该处的甲板厚度相同。
根据《内规》8.3.6.1节
货舱区域内的甲板边板的厚度t尚应不小于按下式计算所得值:
mm
L------船长,m。
计算得:
t=10.2mm
货舱区域以外的甲板边板可以逐渐减薄至与甲板相同的厚度。
取船中部:
b=1550mmt=11mm
首、尾部:
b=1550mmt=11mm满足要求
2.3.2.3非强力甲板
根据《内规》2.4.3节
其他各层非强力甲板厚度一般不小于3.0mm。
取t=8mm满足要求
顶篷甲板可以减薄至2.0mm。
取t=2mm满足要求
2.3.3货舱区域纵骨架式双层底骨架
2.3.3.1双层底高
根据《内规》2.6.1.2节
双层底无论何种骨架形式,其在中纵剖面处的高度h应不小于下式计算值,且不小于700mm也不大于1500mm。
B1------双层底计算跨度,m,双舷侧船取内舷板至内舷板间的距离。
本
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