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中 国 船 级 社 C H I N A C L A S S I F I C A T I O N S O C I E T Y 集装箱船结构强度直接计算指南 Guidelines for Direct Strength Analysis of Container Ship 2 0 0 3 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 1 目 录 第1章 总则 .（2）1.1 一般规定 .（2）1.2 定义 （3）1.3 构件尺寸 （3）第 2 章整船强度直接计算 .（4）2.1 一般规定 .（4）2.2 有限元计算模型 .（4）2.3 载荷工况 .（6）2.4 边界条件 .（8）2.5 许用应力 .（9）第 3 章货舱区域主要结构强度直接计算 .（10）3.1 一般规定 .(1 0)3.2 结构模型化 .(1 0)3.3 计算工况 .(1 3)3.4 边界条件 .(1 9)3.5 许用应力 .(2 2)3.6 屈曲强度校核 .(2 4)附录 1 设计波确定方法 .(26)附录 2 板格屈曲强度 .(30)集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 2 第 1 章 总则 1.1 一般规定 1.1.1 本指南适用于中国船级社 钢质海船入级与建造规范（以下简称 钢规）第二篇第 7 章“集装箱船”中规定的船体结构强度直接计算和钢规 适用范围以外的非常规的集装箱船船体结构的主要构件强度的直接计算。1.1.2 本指南给出了集装箱船整船、货舱段主要结构在规定载荷作用下的强度评估方法。1.1.3 船体结构的疲劳强度校核按本社的船体结构疲劳强度指南进行。1.1.4 结构模型和载荷规定应能充分反映下述结构响应：纵向构件在局部载荷和总纵弯矩载荷作用下的应力；主要横向构件（包括横舱壁）的应力；主要构件的屈曲特性。1.1.5 送审的直接计算技术文件应包括：(1)所使用的图纸清单；（2）静水载荷工况的详细说明，包括吃水、静水弯矩分布曲线。（3）波浪载荷工况的详细说明，包括各工况三向（如有时）波浪载荷计算数值及分布曲线。（4）各工况的惯性载荷（或加速度）的详细说明。（5）结构有限元模型的详细描述；（6）所使用的材料特性详细情况；（7）边界条件的详细描述；（8）所施加的载荷的详细情况；（9）描述与载荷有关的结构模型的响应的图形和结果；（1 0）总体和局部变形的归纳与图形；（1 1）描述所有构件的 von Mises 应力，各方向应力和剪应力不超过强度标准的汇总和详图；（1 2）板的屈曲分析和结果；（1 3）显示满足或不满足强度标准的结果表格输出；（1 4）必要时，对结构的建议修改方案，包括修改后的应力评估和屈曲特。1.1.6 对拟进行全船结构有限元分析的船，设计部门应在设计周期的早期与 C C S 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 3 研讨计算方案。1.1.7 计算程序如采用不同于本社 C o m p a s s系统中所列的，则送审单位还应提供所采用的计算程序的有关说明文件，并须征得本社同意。1.2 定义 1.2.1 单位制 质量：吨（t）；长度：米(m)；时间：秒(s)；力 ：牛顿(N)或千牛顿(kN)；应力：牛顿/毫米2（N/mm2）；压力：千牛/米2（kN/m2）。1.2.2 符号规定 L船长，m；与本社钢规（2001 版）第 2 篇第 1 章第 1 节的定义相同；B船宽，m；与本社钢规（2001 版）第 2 篇第 1 章第 1 节的定义相同；D型深，m；与本社钢规（2001版）第 2 篇第 1 章第 1 节的定义相同；d吃水，m；与本社钢规（2001版）第 2 篇第 1 章第 1 节的定义相同；Cb方形系数；与 CCS钢规（2001版）第 2 篇第 1 章第 1 节的定义相同；V航速，kn；g重力加速度，g=9.81m/s2；Cw波浪系数；海水密度，=1.025t/m3；x单元 x 方向的应力（N/mm2）；y单元 y 方向的应力（N/mm2）；xy单元 xy 平面的剪应力（N/mm2）；evon Mises 应力（N/mm2），=2xyyx2y2x3tssss+；l船体梁纵向的应力（N/mm2）；w船体梁横向或垂向的应力（N/mm2）；腹板总深度的平均剪应力（N/mm2）；k材料换算系数；E材料弹性模量。对钢材，E=2.06105 N/mm2；?材料泊松比。对钢材，?=0.3。集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 4 1.3 构件尺寸 1.3.1 直接计算中的构件尺寸指的是建造尺寸（除屈曲评估以外），若采用净尺寸，则许用应力另作考虑。集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 5 第 2 章 整船强度直接计算 2.1 一般规定 2.1.1 集装箱船的结构尺寸及布置属于下列情况者，一般应采用直接计算方法对其主要结构的总体强度进行评估：结构布置非常规型式、或结构尺寸超出规范规定；强力甲板舱口宽度大于0.8 9 B。2.1.2 对拟采用直接计算法进行全船主要结构总体强度评估的集装箱船，其计算模型、载荷工况、强度衡准、可按本指南的规定。2.1.3 全船结构直接计算适用范围（1）针对集装箱船的船体抗扭强度的特殊性，评估船体主要结构在弯扭载荷联合作用下的总体强度；（2）为局部结构细化应力分析（如有时）提供边界条件，如：机舱前端甲板开口角隅的详细应力分析；包括舱口围板的上甲板开口角隅的详细应力分析；（3）对局部结构非常规布置区域的详细分析提供边界条件。2.2 有限元计算模型 2.2.1 有限元模型范围 2.2.1.1 整船三维有限元模型包括整个船长、船宽范围的船体结构,包括左右舷结构在内的船体舯段、艏艉结构、机舱、上层建筑等结构的所有有效的纵向受力构件:甲板结构、舷侧及纵舱壁结构,双层底结构。模型中还包括横向主要结构如横舱壁、肋骨框架及横向甲板条等。对局部的支撑构件如肘板等不计入模型中，桁材、肘板的开孔忽略不计。2.2.1.2 当结构及载荷为左右对称时,整船模型可只计入左舷(或右舷),并在纵中剖面施加左右对称条件。2.2.2 有限元单元类型 2.2.2.1根据结构的实际受力状态将模型中的各类结构按建造厚度离散为下列几 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 6 种类型：?板壳元（四节点和三节点元）：甲板、舷侧外板及船底板、内底板、船底纵桁、纵舱壁及横舱壁、肋板、边舱腹板、舷侧纵桁等。在外板特别是舭部板的单元划分时，应避免出现翘曲的四边形元，应用三角形元来模拟；?梁元 纵桁、横梁及水密舱壁扶强材等；?杆元 支柱等。2.2.2.2 板材上的骨材等次要构件可以合并归入板单元的网格边界化为等效梁元，其截面积为合并的骨材面积之和，其剖面特性应计入等效梁与板连接的偏心设置。2.2.2.3 单元网格尺寸控制如下：?纵向：双层底肋板间距为一个单元。?横向：纵桁间距为一个单元。?垂向：垂向桁材或甲板间距为一个单元。在船中部区域单元的长宽比大致可控制在 1 3，其他部位大致可控制在 1 2。2.2.3 坐标系统的确定 整船模型的总体（基本）坐标系采用右手直角坐标系，原点设在船纵中剖面内尾垂线 0 号肋位和基线相交处：x 轴：沿船纵向，从船尾 0 号肋位处指向船首方向为正。y 轴：沿船横向，从中心线向左舷为正。z 轴：沿船垂向，从基线向上为正。图 2.2.1 所示为一典型集装箱的整船有限元模型。集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 7 图 2.2.1 一典型集装箱船全船结构有限元模型 2.3 载荷工况 2.3.1 每一计算工况由静水载荷工况和波浪载荷工况组成。2.3.2 静水工况 2.3.2.1 静水工况根据装载手册选取，一般取产生最大静水弯矩的满载工况为静水计算工况。2.3.2.2 静水计算工况一般应包括下列装载因素：.船舶处于正浮状态，达到或接近结构吃水。在船中区域有一 4 0 b a y 为空箱，且静水弯矩在船中 0.4 L 区域达到最大值。2.3.3 波浪载荷工况 2.3.3.1 由 3.2 确定的静水工况的载荷作为波浪载荷工况的基本装载工况。2.3.3.2 由设计波方法和程序确定波浪载荷工况的参数如：波长、波高和及相位等，详见附录“设计波确定方法”。2.3.3.3 设计波确定的波浪载荷工况应包括迎浪工况和斜浪工况。2.3.4 计算工况 2.3.4.1 计算工况由静水工况和波浪载荷工况的不同组合组成，对集装箱船，一般应计算的工况见表 2.3.4.1 所列。表 2.3.4.1 计算工况 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 8 波浪状况 静水工况 最大垂向波浪弯矩 1 最大水平波浪弯矩 2 L/2 处最大扭矩 3 3 L/8 处最大扭矩 4 5 L/8 处最大扭矩 5 满载工况 L C 1 L C 2 L C 3 L C 4 L C 5 *（1）表中各工况的波浪载荷（弯矩）均指以设计波方法模拟施加于全船模型的对应节点。*（2）对于按无限航区设计的船舶,预报在其生命周期内可能经受的最大波浪载荷主要包括在世界各海域内航行时经受的海况,用出现各种周期与波高的波浪出现的概率来表达。建议采用 I A C S推荐的波浪散布图譜.二维或三维波浪理论计算出在波浪谱各概率水平下的长期预报值.直接计算的概率水平取最大垂向波浪弯矩预报值量级与按规范计算值相近对应的概率水平。将船体置于确定的规则波上，波浪外载荷对船体的作用可采用设计波来模拟，而该设计波所具有的波长、相位和波高产生的载荷响应相当于长期预报值。整船三维有限元强度直接计算过程各步骤流程图见图 2.3.4.1。图 2.3.4.1 直接计算流程框图 2.3.5 组成上述工况中的各类载荷分量可分为以下几类：2.3.5.1 空船重量，在有限元模型中，可将全船有限元模型沿纵向按空船重量分布曲线分成一系列区域，用控制不同的材料密度系数来实现。机器重量按其所处的区域以节点力的形式作用在对应的结构节点上。其他一些次要的设备和机器也 各主要载荷参数的频率响应函数 统计分析(短期及长期预报)由长期预报确定设计波 按设计波计算波浪诱导波动压力及惯性力并施加到整船有限元模型 整船结构有限元准静态响应分析 强度衡准比较 结构强度评估 波浪谱和波浪资料 切片（包括三维切片）理论计算（船舶运动和载荷）集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 9 归入到材料密度作用在不同的区域节点上。2.3.5.2 舱内及甲板上的货物（集装箱）重量，按其载荷布置区域作用在相应的节点上。2.3.5.3 外部静水压力，按计算工况的吃水，作用在船体外部湿表面。2.3.5.4 波浪压力，用二维切片理论方法计算程序求得湿表面单元上的波动压力，施加于船体外壳单元上。2.3.5.5 惯性力，由结构质量和货物质量组成的质量模型与节点运动加速度相乘求得。各节点上惯性力的施加及全船有限元模型的外力动态平衡可用“C C S/N A S L O A D”加载及动平衡调整程序来实现。2.4 边界条件 2.4.1 全船动态平衡调整后，计算模型基本上已处于自由动态平衡状态，为消除刚体位移，在船体的相应节点施加 6 个线位移约束，如图 4.1 所示。图 2.4.1 边界条件示意图 2.4.2 船底平板龙骨（纵中剖面处）在船艉（图 4.1 中节点 1）、艏（图 2.4.1 中节点 2）末端处：约束条件如下：尾端节点 1：沿横向的线位移约束，即：Y0 首端节点 2：沿纵向、横向和垂向的线位移约束，即：集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 10 XYZ0 2.4.3 尾封板水平桁材距纵中剖面距离相等的左（节点 3）、右（节点 4）各一节点处，约束条件如下：节点3、节点 4：沿垂向的线位移约束，即：Z=0。2.5 许用应力 2.5.1 板应力指的是板单元中点处的中面应力。2.5.2 各板材（包括桁材腹板）的许用应力为：e 1 9 0/K N/m m2 =1 0 0/K N/m m2 2.5.3 梁单元的许用应力为：e 1 9 0/K N/m m2 2.5.4 板材在局部应力集中处的许用应力为：e 2 3 5/K N/m m2 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 11 第 3 章货舱区域主要结构强度直接计算 3.1 一般规定 3.1.1 货舱段的局部强度直接计算是评估（校核）货舱区域主要结构在典型局部载荷工况下的强度。主要结构包括：双层底结构；横向（横舱壁、强框架）结构；舷侧（纵舱壁）结构。3.1.2 结构的布置符合下列情况之一者，应进行货舱段结构直接计算：B 3 2.2 m；强力甲板舱口的宽度大于 0.8 5 B。其中：B 船宽，m；与钢规第 2 篇第 1 章第 1 节的定义相同。3.2 结构模型化 3.2.1 模型化范围一般取纵向为船中货舱区域“1/2货舱1个货舱1/2货舱”范围，即沿纵向 4 个 4 0 呎箱位的长度；垂向取型深范围；横向取船宽范围，且从左舷至右舷不计型线变化。3.2.2 有限元模型中一般应包括横向水密舱壁和横向支持舱壁，横向支持舱壁在二个舱长模型范围内位于两端和中间。图 3.2.2 为一典型的舱段有限元模型（图中为左半舷模型）。集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 12 图 3.2.2 典型的舱段有限元模型 图 3.2.9(1)典型的开孔横向构件有限元模型 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 13 图 3.2.9(2)典型的水密横舱壁有限元模型 图 3.2.9(3)典型的横向支持舱壁有限元模型 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 14 3.2.3 有限元模型的坐标系统取右手坐标系，即：x 方向为船体的纵向，以向船首方向为正；y 方向为船体的横向，以船纵中线向左舷为正；z 方向为船体的垂向，以基线向上为正。3.2.4 本指南中有限元模型的构件尺寸（厚度、长度等）如无特殊说明，均取图纸标定值（即建造尺寸）计入。3.2.5 货舱区域的所有主要板材，如：外壳板、内壳板、纵桁、横舱壁结构（包括舱壁上的垂向、水平桁材腹板）等，以板单元来模拟。对于次要构件，如板材上的骨材等用梁单元来模拟，其剖面特性应计入梁与板连接的偏心设置。3.2.6 构件的面板用杆单元来模拟，其轴向面积即为面板面积。3.2.7 腹板上的加强筋可用杆单元来模拟，其轴向面积即为其横截面积。3.2.8 有限元网格划分尺寸按以下规定：（1）沿船体横向和垂向以纵骨间距为一个单元。（2）沿船体纵向以肋位间距为一个单元。（3）主要构件（包括双壳间纵向平台、横向强框架、双层底纵桁和肋板、横舱壁的垂向、横向桁材等）腹板：沿这些构件的腹板高度方向划分为三个单元。3.2.9 一般双壳间强框架腹板及双层底肋板上的开孔可以用删除对应位置的单元来表达，图 2.9(1)至图 2.9(3)所示为典型横向构件有限元模型。3.3 计算工况 3.3.1 进行直接计算应考虑的工况如表 3.3.1 和图 3.3.1 所示。表 3.3.1 计算工况 外部载荷 货物（集装箱）载荷 工况 描述 工况 识别号 静水载荷 波浪 载荷 货舱内 舱盖上 边界条件类型 空舱箱位处 空舱上方 舱盖 工况 1（LC1）中间一40ft 箱位空舱 工况 1G（LC1G）dS（1）PW（2）其余箱位处 40ft 其余舱盖 40ft 对称 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 15 空舱箱位处 空舱上方 舱盖 40ft 工况 2（LC2）工况 2G（LC2G）dS（1）PW（2）其余箱位处 40ft 其余舱盖 40ft 对称 空舱箱位处 空舱上方 舱盖 20ft 工况 3（LC3）工况 3G（LC3G）dS（1）PW（2）其余箱位处 20ft 其余舱盖 20ft 对称 空舱箱位处 空舱上方 舱盖 船舶横倾中间一 40ft箱位 空舱 工况 4（LC4）dS(4)其余箱位处 40ft 其余舱盖 40ft 非对称 船舶 横倾 工况 5（LC5）dS(4)所有货舱 20ft 所有舱盖 20ft 非对称 船舶 纵荡 工况 6（LC6）所有舱内装载40ft，由纵向加速度产生的纵向 载荷 所有舱盖装载 40ft，由纵向加速度产生的纵向载荷 对称（1）dS结构吃水，m；（2）PW波峰引起的局部波浪压力，如图 3.5 所示；（3）横倾工况（LC4、LC5）中，取横倾角等于 300和 tan-1（2（DdS）/B）中的小者；（4）对于舱内载荷（20ft，或 40ft），取集装箱的最大许用重量；（5）舱盖上的载荷，取最大允许的堆重（20ft，或 40ft）；（6）工况 6 中，舱内及舱盖上的载荷值的确定，见 3.3.7 条的规定；（7）工况 1G、1G 和 3G 为对应工况下，再计及总纵弯矩的载荷计算工况，具体规定见本节 3.3.2和 3.3.3。3.3.2 工况 1、2、3 的双层底纵桁、内底板及外板强度评估中，除应进行局部强度校核外，尚应考虑船体梁受到的总纵弯矩产生的应力与局部载荷产生的沿船长方向应力合成的强度校核。船体梁的总纵弯矩下的应力响应可用本指南规定的有限元模型来计算，其边界约束条件见 3.4.3 的规定。集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 16 模型范围 4 0 英尺集装箱 模型范围 4 0 英尺集装箱 模型范围 2 0 英尺集装箱 模型范围 4 0 英尺集装箱 局部波浪载荷 局部波浪载荷 横倾时：在船舶纵中 剖线处的吃水 工况1 工况 2 工况3 工况 4 上甲板 上甲板 上甲板 上甲板 图3.3.1 计算工况 注：W T B 水密舱壁 N W T B 非水密舱壁 局部波浪载荷 模型范围 上甲板 横倾时：在船舶纵中 剖线处的吃水 2 0 英尺集装箱 工况5 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 17 3.3.3 船体梁的总纵弯矩包括静水弯矩和波浪弯矩，静水弯矩取装载手册所列的各装载工况下船中 0.4L 区域的最大中拱弯矩，波浪弯矩（中拱）按本社钢质海船入级与建造规范第 2 篇、第 2 章的规定计算。3.3.4 局部载荷工况计算中考虑的载荷分量包括如下:空船重量；集装箱载荷；吃水引起的静水压力；局部波浪载荷引起的附加压力，见 3.5 所述。由船舶纵向加速度作用在集装箱上产生的纵向载荷，按 3.7 的规定计算。3.3.5 作用于舷侧及船底的附加波浪压力见图 3.5 所示，在水线处：PWkW3CW kN/m2 在基线处：PBkB1.5CW kN/m2 在舷侧顶端处：PS0 kN/m2 kW1.1 kB1.5 PW与 PB之间线性插值 CW波浪系数，CW1 0.7 5-(3 0 0-L)/1 0 0)1.5 9 0 m L 3 0 0 m CW1 0.7 5 3 0 0 m L 3 5 0 m CW1 0.7 5-(L-3 5 0)/1 5 0)1.5 3 5 0 m L 5 0 0 m 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 18 3.3.6 横倾工况中（工况 4、工况5），将计算模型按工况的规定，处于一静横倾角状态，计算各载荷分量。货舱内集装箱随船舶横倾产生的横向载荷分量，按其在横舱壁对应的箱角分布位置为作用点，以一组集中力作用在横舱壁上。甲板上的集装箱载荷分量，以一组沿横向分布的剪力形式，作用在横向舱口围板顶端的单元节点上。3.3.7 由船舶纵向运动加速度作用在集装箱上引起的纵向载荷的确定 3.3.7.1 如设有箱型甲板纵桁，且甲板横向抗扭箱的跨距不超过 1 3.0 m，则工况6 可不必计算。3.3.7.2工况6 中的船舶纵向运动加速度计算按中国船级社 船体结构疲劳指南中第 3 章 3.4 节的规定。具体如下：纵向合成加速度la应按下式计算：22sin10)(mrppxlzzaaa+=m/s2 式中：（1）z 计算点到基线的垂向距离，m；（2）zr p横摇转动轴和纵摇转动轴到基线的垂向距离，应按下列两式计算，取小者：Pw Pw ds 图 3.3.5 集装箱船舷侧及船底波浪压头分布 P w=3.3 C w P B=2.2 5 C w d s-结构吃水 P w 与 P B 之间线性插值 P B P B 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 19 241dDzrp+=m 22Dzrp=m 其中：D 型深，m；d 吃水，m。（3）xa纵荡加速度；应按下式计算：bxCaa02=式中：bC方形系数；0a加速度系数，应按下式计算：LVCLCavw/30+=其中：50/LCv=，取不大于 0.2；L船长，m；V航速，k n；wC系数，按 3.4.3 计算。(4)pa纵摇角加速度；应按下式计算：2)/28.6(pmpTa=r a d/s2 式中：pT纵摇周期，s，按下式计算：10/80.1LTp=s 式中：L 船长，m。（5）m最大纵摇角，r a d，按下式计算，但不得大于 0.1 4：bmCa/25.00=r a d 式中：bC方形系数；0a加速度系数，见 3.3.7.2(3).3.3.7.3 货舱内每一集装箱纵向运动加速度产生的力按各集装箱的物理位置由 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 20 集装箱对应箱角位置传递到横舱壁（或横向支持舱壁）的主要结构上。3.3.7.4 舱盖上集装箱载荷的确定。（1）纵向载荷，按舱盖上堆高中点处加速度确定每舱口盖上集装箱的纵向力。由纵向力在每堆的基座处产生的力矩不计。（2）集装箱的层数取最大装载层数，按装载手册或货物操作手册中集装箱允许的最大堆重和层数。（3）甲板上位于舷侧至纵向舱口围板间的集装箱载荷不计。（4）作用在舱盖上的纵向载荷总量的 1 5 以分布力的形式，作用在纵向和横向舱口围板顶部的节点上，以模拟舱口围板处支承块由纵向运动受到的摩擦力。（5）其余舱盖上的 8 5 纵向载荷，作用在舱盖一端纵向止滑块对应（横向舱口围板顶端）的节点上。如止滑块位置未知，则假定为舱盖后端宽度的1/2 处，如舱盖数未知，假定每一舱口由 3 块舱盖覆盖。3.4 边界条件 3.4.1 纵中剖面约束条件 3.4.1.1 结构形式、载荷均左右对称的工况（如工况 1、2、3、6），有限元计算模型横向可只取半宽（如左舷），在纵中剖面上的所有节点施加下列左右对称约束条件：沿横向轴的线位移约束，即：y 0；绕纵向轴的角位移约束，即：x 0；绕垂向轴的角位移约束，即：z 0。3.4.2 局部载荷工况边界条件 3.4.2.1 本节给出的边界条件适用于表 3.3.1 中载荷对称的有限元模型。其模型的前后端面的边界条件可按前后对称近似方法处理。集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 21 强度评估区域图4.1 计算工况的边界条件符号示意图A 端面中和轴CLCJGFHDIN W T BW T BLKEN W T B注：N W T B 非水密横舱壁 W T B 水密横舱壁W T BN W T B中和轴KLHCGEFDCLB 端面 3.4.2.2 模型的前后两端平面 A 和 B（见图 3.4.1 所示）内的所有节点约束如下：端平面 A：沿船纵向轴的线位移约束，即：x 0；绕船横向轴的角位移约束，即：y 0；绕船垂向轴的角位移约束，即：z 0。端平面 B：绕船横向轴的角位移约束，即：y 0；绕船垂向轴的角位移约束，即：z 0。3.4.2.3 为消除刚体位移，前后端面 A、B 内，底边舱与舷侧板、纵舱壁板交点顶点 K、L 处，沿垂向轴的线位移约束，即：z 0。交线 L H、K G 上的其余节点施加两组垂向力，以减少支点处由约束产生的应力集中，即：此垂向力的总和应等于整个模型受到的货物载荷与外部水压力之和（矢量和）方向相反。3.4.2.4 对于工况 6（横舱壁施加纵向运动加速度产生的力），取模型两端（A、B端）舷侧板及纵舱壁分别在上甲板顶点 K，及纵向舱口围板顶点 L 处垂向线位移约束，即：z 0。3.4.3 船体梁总纵弯矩应力计算的边界条件。3.4.3.1 此边界条件仅适用于用有限元模型来计算船体梁的弯曲应力。图 3.4.1 计算工况的边界条件符号示意图 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 22 3.4.3.2 端平面 A、B 内，在船体横剖面中和轴与纵中剖面的交点 D 处（模型中设为独立点或主节点），施加船体梁的总纵弯矩，如有限元计算模型取半宽，则总纵弯矩取一半。3.4.3.3 端平面 A、B 施加平断面假定的边界条件：平面内除节点 D 以外的纵向连续构件上的所有节点（非独立点或从节点），施加下列自由度从属于独立点（即主节点）D 的刚性连接约束条件：沿纵向轴的线位移，即：x；绕横向轴的角位移，即：y；绕垂向轴的角位移，即：z。3.4.3.4 端面 A、B 内的独立点（主节点）D 处的约束条件如下：绕垂向轴的角位移约束，即：z 0；沿横向轴、纵向轴的线位移及绕纵向轴的角位移约束，即：y z x 0 3.4.3.5 端平面 A 内的独立点 D 处的沿纵向轴的线位移约束，即：x 0。3.4.3.6 为消除刚体位移，在平面 A、B 内中和轴与舷侧外板相交 F 节点处，沿垂向轴的线位移约束，即：z 0。3.4.4 非对称载荷（工况 4、工况 5）的边界条件 3.4.4.1 此边界条件适用于横倾工况，载荷非对称。计算模型取横向整个船宽结构。3.4.4.2 端面 A、B 分别施加前后对称条件，具体规定同 3.4.2.2。3.4.4.3 前后端面 A、B 内，底边舱与舷侧板、纵舱壁板交点 G、H 处，沿垂向轴的线位移约束，即：z 0。交线 L H、K G 上的其余节点施加两组垂向力，以减少支点处由约束产生的应力集中，即：此垂向力的总和应等于整个模型受到的货物载荷与外部水压力之和（矢量和）方向相反。3.4.4.4 前后端 A、B 平面内，在船底纵中桁的 I、J 节点处，沿横向的线位移约束，即：y 0。3.4.5 施加边界约束条件节点周围的单元，由于受边界条件的影响，其计算结果不能反映结构真实的受力情况，这些区域单元的计算结果不作校核。3.5 许用应力 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 23 3.5.1 在应力校核中，板单元的应力指的是单元中点处的中面应力。3.5.2 各主要构件对应校核工况下的许用应力见表 3.5.2 所示。表 3.5.2 强度衡准 许用应力（N/m m2）屈曲安全因子 构件名称 校核工况 L W e L C 1 G、2 G、3 G 2 2 0/k 1 0 船底外板、内底板 L C 1、2、3 1 0 0/k 1 4 0/k L C 1 G、2 G、3 G 2 2 0/k 2 3 5/k 1 0 双层底纵桁 L C 1、2、3 1 0 0/k 1 8 0/k 9 0/k 双层底肋板 横向强框架 L C 1、2、3、4、5 1 8 0/k 9 0/k 1 1 L C 1 G、2 G、3 G 1 0 舷侧板及纵舱壁 L C 1、2、3，4、5 1 4 0/k 9 0/k L C 1 G、2 G、3 G 1 0 边舱纵向平台 L C 1、2、3、4、5 1 0 0/k 1 8 0/k 9 0/k 横舱壁板 L C 1、2、3 1 4 0/k 1 8 0/k 9 0/k 1 1 L C 1、2、3 1 4 0/k 1 8 0/k 1 1 L C 4、5 1 4 0/k 1 8 0/k 横舱壁桁材 L C 6 8 5/k L C 4、5 1 4 0/k 1 8 0/k 9 0/k 1 1 甲板横向抗扭箱 L C 6 8 5/k 肘板趾端部局部应力集中 L C 1、2、3、4、5、6 2 2 0/k 纵骨及加强筋 同上 1 8 0/k 注：对板单元取单元中点的中面应力（或称膜应力），按上述表内的各许用应力分量进行校核；L船长方向正应力；W船宽或船深方向正应力；腹板总高度（或总深度）内的平均剪应力；k 高强度钢系数；计算的实际压缩应力复合临界屈曲应力。3.5.3 载荷工况 6 时，位于舱口围板顶端舱盖支承块处节点的单元，由于其直接承受来自舱盖载荷，其局部应力校核时的相当应力的许用值如下：e1 2 3/k N/m m2 其中：k 高强度钢系数。集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 24 3.6 屈曲强度校核 3.6.1 对于各主要构件的板材、桁材腹板，应按表 3.5.2 所列的屈曲安全因子校核板格的屈曲强度。3.6.2 本指南中的板格是指除周界以外，域中无任何骨材和加强构件的那一部分板材。在板格的屈曲计算中，仅考虑矩形板格。3.6.3 板格屈曲计算时，板厚应取按表 3.6.1 所规定的标准厚度扣除后的“净”厚度。表 3.6.1 用于屈曲强度计算的标准厚度扣除值 位置 标准厚度扣除值 tC（m m）甲板、边舱甲板（如：第二层甲板等）1 0 纵舱壁板（内壳板）1 0 外板（包括船底板）、内底板 1 0 双层底及边舱内结构（桁材、肋板）1 0 横舱壁结构（水密、非水密）0 0 甲板横向抗扭箱 0 0 3.6.4 单向、双向压缩应力、剪应力等的各向组合及其相关性应包括在屈曲计算中。3.6.5 应考虑对板格按表 3.6.1 的标准厚度扣除使板厚减薄而引起应力的增加，且修正如下：cttt=式中：用于屈曲计算中的修正压缩应力；从有限元计算得到的工作应力；t 有限元计算中的板厚值（建造厚度）；tc按表 3.6.1 所列的标准厚度扣除值。3.6.6 表 3.5.2 中的，可按附录 2 中所示方法求解，也可按其他公认的方法得出，但应经本社认可。集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 25 附录 1 设计波确定方法 1 波浪载荷计算 1.1 船舶运动及波浪载荷计算用二维线性切片理论程序 CCS006SR-96 或三维线性程序计算；1.2 计算取满载和压载计算工况，也可以根据需要取其他的计算工况；1.3 计算设计波下的船舶运动和波浪载荷响应输入参数按下列规定：（1）所取的波浪频率（波长）数为 2030，波浪频率范围应按波长与船长比（/L）范围的 0.23选取，步长取 0.1；（2）计算所取浪向角不应少于 7 个，包括 0o（顶浪）、30o、60o、90o、120o、150o、180o（随浪）；（3）计算航速取 0 航速。2 统计分析 2.1 船舶在不规则波上的运动和波浪载荷响应及其短期和长期预报计算采用P-M 波浪谱：=为其他值,02,cos)496exp(1242),(24425423/1231TTHTHS (2.1)式中：波浪圆频率，rad/s；31H有义波高，m；T2波浪跨零周期，t；2cos2能量扩散函数；组合波与主浪向之间的夹角，rad。2.2 计算中所取的波浪散布图为 IACS 建议使用的波浪资料（IACS Rec.No.34）3 设计波计算 3.1 设计波参数 设计波参数的定义见图 3.1：集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 26 H 图 3.1 设计波参数 图中：波长，相邻两个波峰间的最小距离，m；H波高，波峰到波谷间的最小距离，m；波面，为正弦方程。3.2 设计波的确定 3.2.1 主要载荷参数的选定：（1）对集装箱船整船结构评估，主要载荷参数按下列选取：?垂向波浪弯矩?水平波浪弯矩?波浪扭矩（2）主要载荷参数长期预报值的概率水平取为 CCS钢质海船入级与建造规范（2001）第 2 分册第二章第 2 节规定的垂向波浪弯矩值相对应的概率水平。3.2.2 计算主要载荷参数频率响应函数 应用计算程序计算出主要载荷参数在规则波不同航向角下的频率响应函数曲线。图 3.2.2 为频率响应函数示意图：集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 27 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 04 5 0 00.20.30.40.50.60.70.89 01 2 01 3 51 5 01 6 5吨.米Aa 图 3.2.2 频率响应函数示意图 3.2.3 根据频率响应函数确定主要载荷参数达到极值的波浪频率a。3.2.4 波长的计算（1）设计波波长按下式计算：2/)2(ag=(3.2.1)其中：设计波波长，m；g重力加速度；a主要载荷参数极值对应的波浪频率，由 3.2.3 确定，弧度/秒。3.2.5 波幅的计算 （1）设计波波幅用下式进行计算：jjwALa=(3.2.2)其中：wa 设计波波幅；Aj 主要载荷参数的极值；Lj 主要载荷参数的长期预报值，概率水平按 3.2.1（2）取；j 主要载荷参数编号，j=1 垂直波浪弯矩，j=2 水平波浪弯矩，j=3 波浪 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 28 扭矩。3.2.6 主要载荷参数达到极值的时刻（1）主要载荷参数达到极值的时刻 tj按下式确定：ajjnt/)2/(+=（3.2.3）其中：a主要载荷参数极值对应的波浪频率，由 3.2.3 确定，弧度/秒；j主要载荷参数极值对应的相位角，弧度；j同 3.2.5；n0 或 1，按照波浪垂向弯矩的中拱或中垂任选。3.2.7 波浪压力及其他载荷分量分布（1）设计波下的波浪压力及其他载荷分量用下式计算：)sin()(ijawiitaAP+=(3.2.4)其中：iP船体任意计算位置下的波浪压力或其他载荷分量值；Ai波浪压力或其他载荷分量iP频率响应函数的幅值；i波浪压力或其他载荷分量值iP对应的相位；tj主要载荷参数达到极值的时刻，根据 3.2.6确定。集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 29 附录 2 板格屈曲强度 1板格屈曲强度可选用下列两种计算方法的任意一种。2方法一：用有限元方法求解板格的屈曲强度。2.1 模型的建立 2.1.1 对选取要求进行屈曲强度校核的板格，板厚根据表 3.6.1 的规定进行减缩，网格的划分原则：各边不少于 8 个网格，尽量采用正方形网格。2.2 载荷和边界条件 2.2.1 载荷：根据所选定的工况，取出由舱段有限元模型计算在该板格处的的中面应力结果，sx、sy、txy（即施加应力 Applied Stress），分别乘上未减缩前的板厚，得到相应的压力（NX，NY，NXY），分别施加在相应的边界上,具体规定如下：Nx=sxto，Ny=syto，Nxy=txyto，式中:to为建造板厚。2.2.2 板格之间的压应力变化较大时，可做为线形分布的载荷施加，剪应力取平均值。2.2.3 边界条件：为约束刚体位移，选取板格四个边界中点，纵向边界中点约束x 方向位移，横向边界中点约束 y 方向位移，四边约束 z 方向位移。如图 2.2.2（a），2.2.2（b）。图 2.2.2（a）施加双向压力和剪力模型 集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 30 图 2.2.2（b）施加双向压力模型 注：1.边界约束，图 2.2.2（a）和图 2.2.2（b）中所示的约束均可；2.图 2.2.2（a）中显示的边界载荷类型为节点压力，图 2.2.2（b）中显示的边界载荷类型为边界压力。2.3 屈曲强度校核 2.3.1 在计算屈曲安全因子中，中国船级社 钢质海船入级与建造规范（2001）第 2 篇第 2.2.7 节定义的边界约束系数“C”应加以考虑。2.3.2 MSCPATRAN 后处理中显示的系数(factor)即为临界屈曲因子，可以根据边界约束情况乘上本附录 2.3.1 中规定的边界约束系数，应不小于本指南表3.5.2 规定的安全因子。3.方法二 简化公式法 3.1 临界屈曲应力及弹塑性修正 3.1.1 短边受压及弯曲板格弹性临界屈曲应力 x c r _ e定义如下：22221_/)()1(12mmNstECkxexcr=式中：kx短边受压及弯曲屈曲系数，按本附录表 3.1.1(a)计算，其中：x 1、x 2见 3.2.2；C1边界约束系数，见表 3.1.1(b)；E 材料弹性模量。对钢材，E =2.0 6 1 05 N/m m2；?材料泊松比。对钢材，?=0.3；t 板格厚度，m m；集装箱船结构强度直接计算指南 中国船级社 2 0 0 3 31 s 板格