第0章绪论
0.1背景
长江黄金水道是连接东部沿海开放、中部崛起和西部大开发的战略大通道，支撑着长江流域大物流、综合运输体系、沿江九省二市的经济和社会发展。建设长江经济带，要注重发挥水运运量大、成本低、节能节地的优势，抓好综合立体交通走廊建设，推进内河船型标准化，研究推广三峡船型和江海直达船型，鼓励发展节能环保船舶。
长江全长6300余公里，是我国第一、世界第三长河，干流流经九省二市，流域集聚了我国46%以上的经济总量。长江水运量约占中国内河水运总量的80%。长江干线船舶的发展对中国经济发展起着重要的作用。目前，长江干线船舶存在以下问题：专业运输化程度不高，不能完全适应市场需求；现有船型不能完全适应航道、港口等通航基础设施现状及发展；船舶技术经济性能较差，竞争力不强；船舶节能环保技术应用不足；运力结构不尽合理，运输效率不高。针对当前长江干线对货运船型的需求，以及现有老龄、高耗、低效船舶更新换代的需要，很有必要开发满足航线要求的、经济环保的高性能江海直达船舶。江海直达船舶以直达方式减少中间环节，可减少货损、节约时间、节省运费、提高运输效率，进而提高产品核心竞争力；可充分发挥长江干线航道、港口等通航基础设施的潜力，增强竞争力，提高营运经济性。
环境的日益恶化带来全球气候变暖并伴随着各种灾难问题，使全球节能减排的步伐日益加快，发展低碳经济已成为全球共识。调整能源结构、发展清洁能源是我国各行业的发展趋势。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）于2011年制定《新船设计能效指数》标准，并于2015年强制执行。2013年1月，中国船级社颁布施行《内河绿色船舶规范》、《绿色船舶规范》（海船）两项行业标准，对入级船舶的能耗与排放等指标进行了规定。绿色船舶评价分级制以能效、环保、工作环境为要素，由低到高相应评出GreenShipI、GreenShipⅡ、GreenShipⅢ三个等级。同时，石油能源价格的上涨使航运成本不断提高，燃油成本占航运成本的50%以上。在航运市场不景气的现状下，货源不足营运收入有限，降低营运成本是提高船舶经济性*有效的手段，因此采取措施降低能源消耗、减少排放，节省燃油费可以达到降低成本的目的。
当前经济和社会发展需要以节能、环保、经济、高效（称为“4E”）为特征的江海直达船舶。船体结构设计的任务是在确保结构安全可靠的前提下进行轻量化设计[1，2]，通过先进技术手段，进行船体结构极限强度、砰击强度和疲劳强度计算分析以保证结构安全可靠性，同时进行结构轻量化、材料轻量化及工艺轻量化设计，*大限度地发挥材料性能，以达到船舶轻量化的目的[3]。船舶轻量化能够减少原材料的使用，节约钢材等资源，降低造船成本；减少燃油消耗，减轻能源短缺的压力，减少氮氧化物、硫化物和颗粒物等污染物的排放；有助于航行中的加减速、制动等航行性能的改善，进一步实现操纵稳定性的优化，提高船舶的舒适性；可增加载货量，提高船舶的经济性，提升产品的核心竞争力。
减重增载已成为当前“4E”船舶的重点，进行江海直达船舶船体结构轻量化关键技术研究，突破轻量化技术壁垒，提升江海直达船舶的内在竞争力，可以为长江经济带建设提供高效、经济、可靠的航运支撑。
0.2江海直达船舶船体结构设计
当前航运市场大型船舶具有良好的经济性和竞争优势，但长江作为天然航道，通航船舶的船长、吃水均受限，型深受桥梁净空高制约，大型化唯有增加船宽，设计成宽扁型船舶。同时，为提高装卸效率，往往要求长大开口，这使原本总纵强度就偏弱的宽扁型船更是雪上加霜。
江海直达航线涵盖从内河至入海口的江段，以及从入海口至沿海港口的海段。江段风浪较小，船舶遭受的波浪载荷也较小；海段则相反，因此要有足够的结构强度。在海段遭遇大风浪时，宽扁型船体结构容易因砰击作用引起颤振，诱发高频振动，在动载荷作用下增大船体结构失效的概率。
由于江海直达船舶在江段和海段受到的载荷不同，船体结构在变幅载荷作用下的疲劳特性与常规的海船疲劳特性有很大的不同，因此需要对变幅载荷作用下宽扁型船舶典型结构的疲劳特性展开研究，以确保其结构安全可靠。
进行江海直达船舶船体结构轻量化设计，需要从船舶使用特点出发首先确定波浪载荷超越概率，然后从航线的波浪散布特性出发，进行波浪载荷短期预报和长期预报，建立载荷-结构一体化结构强度直接计算与评估系统，对可能遭遇的各种恶劣海况下船体结构的极限强度、砰击强度、疲劳强度进行计算分析，以确保船体结构安全可靠。在此基础上，通过结构轻量化、材料轻量化和工艺轻量化技术，实现船舶轻量化，在安全可靠的前提下有效减轻船体结构重量，增加载货量，实现“减重增载”，提升船舶营运时的盈利能力。
第1章江海直达船舶船体强度与结构设计
1.1江海直达船舶船体结构特点
为提高市场竞争优势，江海直达船舶往往被设计成宽扁肥大型，同时具有长大开口，这使其总纵强度较弱，因此进行结构设计时需要特别注意。常见的江海直达船舶有散货船、集装箱船、商品汽车滚装船三种船型。下面从结构特征和结构强度注意事项等对这三种船型进行阐述。
1.1.1江海直达船舶船体结构特征
江海直达散货船一般有顶边舱和底边舱结构。单壳江海直达散货船典型横剖面如图1.1所示。双层底结构由船底板、内底板、船底纵骨、内底纵骨、实肋板和船底纵桁等组成。货舱的数量通常为2～3个。每个货舱在甲板处都有一个大的开口，以便装卸货物。
底边舱的斜板一般倾斜45°～50°，以方便卸载谷物类货物；顶边舱的底板一般倾斜30°左右，这是堆积货物的休止角，可以防止货物在舱内运动。在底边舱和顶边舱内，每隔几个肋位设置一道强横框架，以支撑相应的纵骨。横舱壁一般采用槽形舱壁，通过顶墩与甲板和顶边舱连接起来，通过底墩与内底板和底边舱连接。
江海直达集装箱船为布置地位型船，货舱体积和形状的设计要能满足装载*大数量集装箱的要求。因此，集装箱船一般设计为大开口形式，两舷侧双壳结构的宽度尽可能小，使船体梁的扭转刚度较低。江海直达集装箱船典型横剖面图如图1.2所示。
随着集装箱船的装箱数量不断增加，船的尺度和甲板的厚度也随之增加。高强度钢（屈服应力355MPa以上），以及厚板都在江海直达集装箱船中得到广泛使用。
江海直达集装箱船艏部一般有较大的外飘，以增加甲板面积，装载更多的集装箱和方便系泊设备布置。另外，一般设计为敞口，无需舱口盖，配有扭锁、绑扎条等集装箱绑扎设备。
商品汽车滚装船（pure car carrier，PCC）是一种用于载运车辆的布置地位型船舶。其各层甲板空间用来停放车辆。由于车辆要在甲板上移动，因此支柱和舱壁的数量要尽可能地少。汽车运输船只在强力甲板下设有水密舱壁。早期的强力甲板上方设有部分横舱壁以防止横剖面的扭变形。早期的汽车运输船如图1.3所示。近年来都是采用舷侧肋骨框架来代替部分横舱壁，以便车辆在甲板上移动。舷侧肋骨框架式汽车运输船如图1.4所示。
1.1.2江海直达船舶船体结构强度注意事项
下面从船体结构强度和结构设计的角度出发，对各种类型江海直达船舶各主要构件的特点及结构设计注意事项进行阐述[4]。
1）散货船
为响应船舶市场大型化需求，作者团队开发的宽扁型江海直达散货船载重量可达20000吨，能够大大提高长江黄金水道的运输潜能。江海直达散货船一般由双层底、底边舱、双舷侧和顶边舱等结构单元构成。
双层底结构是由板和梁组成的板架结构。双层底结构的应力由货物/压载水对内底板的压力，以及船底板的水压力决定。在均匀装载时，货物的压力和船底水压力基本可以相互抵消，弯曲应力较小。在舱中装载重件时，双层底结构基本上自由支持在横舱壁和底边舱结构上。由于船舶较宽，货舱中间位置会产生较大的弯曲变形和弯曲应力。
由于双层底结构在横向上与底边舱相连，底边舱的扭转刚度和底边舱内实肋板的面内刚度在很大程度上会影响双层底在该处的扭转边界条件。如果扭转刚度很大，则双层底中间位置处的弯曲应力会变小。
作用在双层底结构上的分布载荷通过实肋板和底纵桁以剪力的形式分别传递到底边舱和横舱壁上，因此实肋板与底边舱连接位置，以及底纵桁与横舱壁相接区域的强度评估非常重要。
此外，底边舱结构会受到双层底结构的剪力和弯矩作用，货物压力作用于底边舱斜板上，舷外水压力作用于船底、舭部和舷侧板上。底边舱连接着实肋板和肋骨的横框架结构，处于复杂应力状态，并且应力往往较大。尤其是与肋骨相接的位置处，要特别注意校核其屈曲强度和疲劳强度。
另外，一般内底板折板后与底边舱斜板相接，并在其下设旁龙筋。这样在内底板、底边舱斜板底部和旁龙筋相交处往往会应力集中。
作用在舷侧板上的主要是三角形分布的侧向压力，因此在跨距中间位置，以及与顶边舱或底边舱连接的端点位置处会产生较大的弯曲应力，在设计阶段要特别加以注意。
槽型横舱壁的上、下端通常通过顶墩和底墩与甲板、顶边舱、内底板、底边舱结构连接。特别是，当一个舱室空载而相邻舱室重载时，在底墩与槽型舱壁连接处，以及底墩与内底板连接处会产生较大的应力，在设计阶段要特别加以注意。
2）集装箱船
作者团队开发的宽扁型江海直达1140标准箱（twenty-feet equivalent unit，TEU）敞口集装箱船具有节能、环保、经济、高效的特点，首条示范船“汉海1号”被评为“2018年全球明星船舶”。
江海直达敞口集装箱船的典型剖面是一个开口截面，抗扭刚度较低，会产生转大的扭转变形，并且伴随着高剪切应力和翘曲应力。因此，对波浪，尤其是斜浪抗扭强度进行评估是非常必要的。此外，扭转变形在开口的角隅处受限会产生应力集中，因此要特别注意角隅处的形状和厚度。
*近，各船级社纷纷推出全船结构有限元分析指南，因此需按照指南规定的方法和流程对舱口角隅处进行包括疲劳强度在内的强度评估。另外，为有效控制舱口变形，对舱口边梁和舱口端梁刚度的评估需要特别关注。
由于集装箱船有较大的艏外飘，往往会引起艏部砰击，因此考虑船首砰击引起的附加弯矩，对结构强度的评估是非常必要的。
3）商品汽车滚装船武汉是重要的汽车产业基地，从武汉到舟山航线的江海直达商品汽车滚装船*多可装载1800辆汽车。
江海直达商品汽车滚装船横舱壁的数量较少，所以在横剖面上易产生较大的扭变形，使舷侧肋骨框架的下端部产生较大的应力，因此在设计阶段应对该处的疲劳强度特别关注。
从横向强度的角度出发，必须对甲板横梁的强度进行仔细校核。同时，要对车重的静力、动力载荷作用导致的垂向变形进行全面分析，分析时要考虑焊接残余应力的影响。这是为了保证甲板横梁到车顶之间的间隙是足够安全的。因此，相对于散货船和集装箱船，汽车运输船的结构设计有更多的限制。
商品汽车滚装船也是布置地位型船，有与集装箱船一样的较大的外飘结构，所以要特别注意船艏砰击问题，一般要对首部结构的板厚和加强筋尺寸进行详细校核。
1.2江海直达船舶船体结构规范设计
18世纪20年代以前，所有船舶都凭经验建造，因此遭受了巨大的损失。后来，通过对建造实践和航行经验的总结与提高，
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