IACS協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的主要變化及影響

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(中國船級(jí)社，北京 100007)

2006年國際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)推出了《散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》(CSR BC)和《雙殼油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》(CSR OT)。這兩本規(guī)范之間存在著諸多不協(xié)調(diào)之處，如波浪載荷、尺度要求、直接計(jì)算、屈曲和疲勞校核等。IACS于2008年成立工作組，對(duì)《散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》進(jìn)行協(xié)調(diào)和修改，于2014年1月正式推出了新的規(guī)范，即《散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》，也稱為協(xié)調(diào)共同規(guī)范(HCSR)[1-2]。

HCSR規(guī)范將于2015年7月1日正式生效，新規(guī)范的實(shí)施勢必帶來一輪新的船型開發(fā)。那么，HCSR相對(duì)于CSR BC和CSR OT存在哪些變化，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)尺寸又有什么樣的影響，這是船舶工業(yè)界關(guān)心的問題[3]。限于篇幅，僅就HCSR規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸要求影響較大者進(jìn)行整理和概要分析，希望能為我國船舶工業(yè)界使用HCSR規(guī)范提供一些參考和借鑒。

1 規(guī)范的主要變化

HCSR規(guī)范在以下幾方面進(jìn)行了修改。

①載荷；②描述性要求；③直接強(qiáng)度分析；④屈曲要求；⑤疲勞校核。

1.1 載荷

1.1.1 船體梁靜水彎矩

HCSR規(guī)定的《船體梁許用靜水彎矩是裝載手冊(cè)》中各裝載工況的彎矩曲線的包絡(luò)值和規(guī)范規(guī)定的最小值之大者，與CSR OT相同。而CSR BC則是根據(jù)船體梁的彎曲能力扣除波浪彎矩后，反推給出的船體梁許用靜水彎矩，該值通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HCSR規(guī)范的要求值。

1.1.2 船體梁靜水剪力

HCSR規(guī)范采用了CSR OT的規(guī)定，對(duì)于散貨船有所變化。CSR BC要求給出各裝載工況的船體梁剪力包絡(luò)值作為船體梁靜水剪力，而HCSR要求給出經(jīng)過剪力修正后的船體梁靜水剪力。這就導(dǎo)致在規(guī)范計(jì)算中應(yīng)用船體梁靜水剪力時(shí)，兩本規(guī)范也有所不同。

1)在描述性要求計(jì)算中，CSR BC需要對(duì)船體梁靜水剪力進(jìn)行修正，再代入計(jì)算；而HCSR則直接采用給定的值。

2)在有限元校核中，CSR BC的船體梁靜水剪力可直接用于有限元校核；而HCSR則需先根據(jù)公式反推出修正前的剪力，再代入計(jì)算。

1.1.3 船體梁水平波浪彎矩、垂向波浪剪力

HCSR規(guī)范降低了船體梁水平波浪彎矩和垂向波浪剪力。例如，以某型VLCC為例，HCSR與CSR BC和CSR OT的船體梁水平波浪彎矩和垂向波浪剪力對(duì)比見圖1、圖2(CSR BC與CSR OT值相同，曲線重疊)。

圖1 船體梁水平波浪彎矩對(duì)比

圖2 船體梁垂向波浪剪力對(duì)比

1.1.4. 等效設(shè)計(jì)波

HCSR對(duì)等效設(shè)計(jì)波的參數(shù)、運(yùn)動(dòng)加速度、動(dòng)載荷組合系數(shù)以及動(dòng)壓力計(jì)算都做了大范圍調(diào)整。以航速和考慮的浪向?yàn)槔瑢?duì)比見表1。

表1 航速和浪向?qū)Ρ?/p>

以橫浪工況的甲板壓力分布為例，HCSR橫浪工況下的甲板壓力大于CSR BC和CSR OT，對(duì)比見表2。

表2 橫浪工況甲板壓力對(duì)比

1.2 描述性要求

1.2.1 船體梁強(qiáng)度

HCSR船體梁彎曲強(qiáng)度校核采用了CSR BC的校核方式，剪切強(qiáng)度校核采用了CSR OT的校核方式。

HCSR增加了殘存強(qiáng)度的要求，需要校核碰撞和擱淺破損狀態(tài)下的船體梁極限強(qiáng)度要求。

對(duì)于完整狀態(tài)下船體梁極限強(qiáng)度校核，HCSR引入了雙層底彎曲影響系數(shù)γDB，用于考慮雙層底彎曲對(duì)船體梁極限彎曲能力的折減。對(duì)BC-A型散貨船的空艙，船體梁極限能力將折減20%以上，可能導(dǎo)致部分散貨船不滿足極限強(qiáng)度要求。

1.2.2. 船體局部尺寸

HCSR在板的最小凈厚度、板厚要求、縱骨剖面模數(shù)、晃蕩載荷的強(qiáng)度要求、船底砰擊強(qiáng)度校核區(qū)域等進(jìn)行了調(diào)整。

1)最小凈厚度。HCSR取CSR OT和CSR BC中較大的要求。以船底板要求為例，對(duì)比見表3。

表3 最小凈厚度對(duì)比

2)縱骨模數(shù)要求。HCSR采用了CSROT的要求，與CSR BC計(jì)入船體梁應(yīng)力和材料屈服強(qiáng)度的方式不同。總體而言，HCSR對(duì)縱骨模數(shù)的要求高于CSR BC。

3)板厚要求。HCSR增加了冗余度系數(shù)χ，將使得散貨船內(nèi)底和底邊艙斜板的板厚要求提高13%。

4)晃蕩要求。HCSR增加了散貨船液艙的晃蕩載荷引起的強(qiáng)度要求，方法同CSR OT。對(duì)于散貨船的變化，見表4。

表4 晃蕩要求對(duì)比

5)船底砰擊區(qū)域。HCSR與CSR OT的船底砰擊區(qū)域規(guī)定相同，擴(kuò)大了散貨船的砰擊強(qiáng)度校核區(qū)域，見表5。

表5 船底砰擊區(qū)域?qū)Ρ?/p>

1.2.3 散貨船特殊要求

1)舷側(cè)肋骨上下連接支撐強(qiáng)度。CSR BC取支撐舷側(cè)肋骨上下端的縱骨的彈性剖面模數(shù)，而HCSR使用相關(guān)縱骨的塑性剖面模數(shù)，要求降低。

2)散貨船抓斗要求。HCSR規(guī)范提高了最小抓斗重量的規(guī)定，同時(shí)修改了抓斗要求的公式。

①按照最小抓斗重量要求確定板厚尺寸時(shí)，對(duì)于船長大于200 m的散貨船，HCSR要求的板厚有所增加。見表6。

表6 抓斗要求對(duì)比(按最小抓斗質(zhì)量)

當(dāng)設(shè)計(jì)的抓斗重量大于規(guī)范要求的最小抓斗重量時(shí)， HCSR要求的板厚會(huì)有所降低。見表7。

表7 抓斗要求對(duì)比 (按相同抓斗質(zhì)量)

1.3 直接強(qiáng)度分析

1.3.1 艙段評(píng)估范圍

HCSR要求對(duì)包括最艏艉貨艙在內(nèi)的所有貨艙區(qū)域進(jìn)行三艙段模型直接計(jì)算強(qiáng)度校核。CSR則是將中部貨艙區(qū)域的評(píng)估結(jié)果延伸至其他貨艙區(qū)域。

1.3.2 載荷工況和裝載模式

HCSR規(guī)范對(duì)載荷工況進(jìn)行了大范圍的調(diào)整，并且增加了艏部和艉部貨艙的裝載工況。總校核工況數(shù)量大幅增加。3個(gè)規(guī)范的載荷工況對(duì)比見表8。

表8 載荷工況對(duì)比

對(duì)于船中貨艙，HCSR的裝載模式與CSR基本相同，僅BC-A型散貨船增加了兩種裝載模式，見表9。

表9 HCSR新增裝載模式

1.3.3 艙段評(píng)估邊界條件

HCSR增加了計(jì)入船體梁轉(zhuǎn)矩的作用，不再保留平斷面假設(shè)，采用端面約束梁模擬船體結(jié)構(gòu)對(duì)端部邊界的翹曲約束。

1.3.4 船體梁載荷調(diào)整

1)新增船中以外貨艙區(qū)域三艙段模型的彎矩調(diào)整方法。

2)新增船體梁扭矩調(diào)整方法。

3)剪力調(diào)整方法：主要采用CSR BC的通過端部施加同向彎矩調(diào)整剪力的方法，同時(shí)結(jié)合了CSR OT采用強(qiáng)框架施加集中力的方法。

①方法1。模型兩端施加同向彎矩，使得中間貨艙一個(gè)艙壁處的剪力達(dá)到目標(biāo)值

②方法2。對(duì)于使用方法1調(diào)整后，中間艙另一艙壁處剪力超過目標(biāo)值的情況，采用模型兩端施加同向彎矩，同時(shí)在各檔強(qiáng)框架處施加剪力的方法。

1.3.5 模型

HCSR統(tǒng)一了細(xì)化網(wǎng)格尺寸的規(guī)定，統(tǒng)一了應(yīng)力計(jì)算所用的腐蝕折減的規(guī)定，見表10。

表10 有限元模型對(duì)比

1.3.6 細(xì)化網(wǎng)格分析區(qū)域

HCSR采用了CSR OT關(guān)于細(xì)化網(wǎng)格分析區(qū)域的技術(shù)路線，即分為強(qiáng)制細(xì)化區(qū)域和篩選細(xì)化區(qū)域相結(jié)合的方式，但修改了篩選衡準(zhǔn)的要求。在此不詳細(xì)比較。

1.4 屈曲評(píng)估

1.4.1 屈曲評(píng)估方法

3個(gè)規(guī)范之間的主要區(qū)別見表11。

表11 屈曲評(píng)估方法對(duì)比

表中，關(guān)于邊界條件的兩種方法的區(qū)別是：方法A，單元邊界強(qiáng)制保持直邊；方法B，單元邊界不強(qiáng)制保持直邊。通常方法B的要求高于方法A。

1.4.2 剛度和尺度比要求

HCSR的要求與CSR OT幾乎相同，但球扁鋼加強(qiáng)筋腹板的長細(xì)比要求稍有降低。與CSR BC的要求有所區(qū)別。

1.4.3 描述性屈曲要求

1)HCSR增加了加筋板格的整體屈曲校核，而CSR BC和CSR OT均僅有校核板、加強(qiáng)筋的屈曲。

2)HCSR采用了CSR BC的載荷及應(yīng)力組合方式，與CSR OT差異較大。

3)HCSR統(tǒng)一了板和加強(qiáng)筋的屈曲強(qiáng)度校核公式，與CSR差異較大，導(dǎo)致屈曲評(píng)估結(jié)果的明顯變化。如板的屈曲校核公式對(duì)比見表12。

表12 屈曲校核公式對(duì)比

4)HCSR對(duì)一些細(xì)節(jié)的規(guī)定做了調(diào)整。以加強(qiáng)筋屈曲的有效軸向應(yīng)力取值為例，見表13。

表13 加強(qiáng)筋屈曲的軸向應(yīng)力

在HCSR中，beff1通常小于s，這就導(dǎo)致加強(qiáng)筋的有效軸向應(yīng)力增大，使得加強(qiáng)筋的屈曲計(jì)算結(jié)果變差。

1.4.4 直接計(jì)算屈曲要求

HCSR在屈曲強(qiáng)度校核修改較大，限于篇幅，在此僅列出重要的修改說明。

1)HCSR規(guī)范統(tǒng)一采用公式法進(jìn)行校核，刪除了油船的高級(jí)屈曲分析方法。

2)HCSR重新修改了屈曲校核的公式，與原CSR規(guī)范變化較大。

3)HCSR在校核的構(gòu)件、載荷、參考應(yīng)力及非矩形板格等效方法等方面進(jìn)行了調(diào)整。見表14。

表14 直接計(jì)算屈曲要求對(duì)比

4)HCSR對(duì)槽型艙壁的屈曲、單舷側(cè)散貨船舷側(cè)外板的屈曲以及開孔的主要支撐構(gòu)件的腹板屈曲的評(píng)估方法做了修改和完善。例如，對(duì)垂直槽型艙壁的屈曲模式，HCSR與CSR的見表15。

表15 槽型艙壁屈曲模式對(duì)比

1.5 疲勞強(qiáng)度校核

1.5.1 疲勞載荷

HCSR修改了疲勞載荷的概率水平和韋伯形狀參數(shù)，見表16。

表16 疲勞載荷對(duì)比

1.5.2S-N曲線

HCSR在計(jì)算疲勞累計(jì)損傷時(shí)，引入了空氣中(有涂層保護(hù))和腐蝕環(huán)境中(無涂層保護(hù))兩種情況，并分別選擇S-N曲線。而CSR BC和CSR OT均不考慮腐蝕環(huán)境下的情況。通常情況下，考慮腐蝕環(huán)境會(huì)使得計(jì)算得到的疲勞壽命大幅降低。

1.5.3 簡化應(yīng)力法

HCSR簡化應(yīng)力法校核所用的幾何應(yīng)力集中系數(shù)由CSR OT轉(zhuǎn)換得來，與CSR BC差異較大。以圖3節(jié)點(diǎn)形式中的A點(diǎn)為例進(jìn)行對(duì)比。

圖3 對(duì)比節(jié)點(diǎn)圖示

HCSR與CSR BC的幾何應(yīng)力集中系數(shù)見表17。

表17 應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)比

HCSR幾何應(yīng)力集中系數(shù)的提升，將導(dǎo)致計(jì)算得到的疲勞壽命較CSR降低。

1.5.4 影響因素

1)HCSR根據(jù)節(jié)點(diǎn)形式確定厚度影響系數(shù)的指數(shù)n，其取值為0～0.25 ，而CSR BC和CSR OT則固定為0.25。對(duì)于十字接頭(如底邊艙下折角)和T形接頭等，HCSR與CSR的板厚影響系數(shù)相同；其他情況下，HCSR的系數(shù)有所降低，這將導(dǎo)致疲勞壽命較CSR有所提高。

2)HCSR引入了母材的表面處理系數(shù)Ksf，用以反映母材表面處理對(duì)疲勞應(yīng)力范圍的影響。對(duì)于軋制和擠壓成型的板和型材，以及經(jīng)過倒角或倒圓的切割邊，該系數(shù)將提高疲勞壽命；其他情況下，將導(dǎo)致疲勞壽命較CSR有所降低。

1.5.5 應(yīng)力處理

1)對(duì)于有限元疲勞校核，HCSR采用熱點(diǎn)應(yīng)力，與CSR OT相同，而CSR BC采用切口應(yīng)力。兩種應(yīng)力與名義應(yīng)力的對(duì)比見圖4。

圖4 名義應(yīng)力、熱點(diǎn)應(yīng)力、切口應(yīng)力對(duì)比

通常來講，切口應(yīng)力大于熱點(diǎn)應(yīng)力，因此該變化對(duì)改善BC的疲勞壽命是有利的。

2)HCSR的平均應(yīng)力修正方法和熱點(diǎn)應(yīng)力的插值方法都做了調(diào)整。與CSR BC和CSR OT的差異較大。這會(huì)對(duì)疲勞壽命有較大的影響。

3)對(duì)于母材自由邊的邊緣應(yīng)力，HCSR的方法是在自由邊附加梁單元，以其軸向應(yīng)力作為邊緣應(yīng)力，而CSR BC采用母材的板單元應(yīng)力外插得到邊緣應(yīng)力。HCSR的方法更接近真實(shí)應(yīng)力。

2 實(shí)船評(píng)估

IACS通過對(duì)17型系列散貨船和油船進(jìn)行規(guī)范評(píng)估計(jì)算對(duì)比，評(píng)估了HCSR規(guī)范帶來的影響。

計(jì)算評(píng)估內(nèi)容如下。

1)描述性要求。船中貨艙、最艏貨艙、最艉貨艙、艏尖艙、機(jī)艙和艉尖艙。

2)直接計(jì)算分析。船中貨艙、最艏貨艙和最艉貨艙

3 實(shí)船的結(jié)果影響

HCSR規(guī)范對(duì)不同船型的影響差異較大，甚至即便噸位相近的船型，由于設(shè)計(jì)的差異，其結(jié)果影響也不盡相同。通過對(duì)上述船型評(píng)估結(jié)果的梳理分析，得出了一些共性的結(jié)論。

3.1 船體梁強(qiáng)度

1)船體梁極限強(qiáng)度。由于HCSR增加了雙層底影響系數(shù)γDB，對(duì)于BC-A型散貨船的空艙影響較大。CA報(bào)告中，兩型Capesize BC船中貨艙不滿足要求，大約相差2%～4%。

2)船體梁殘存強(qiáng)度。CA結(jié)果中所有評(píng)估船型均滿足要求，且多數(shù)船型還有較大的安全余量。

3.2 船體局部尺寸

1)最小凈厚度(含剛度尺度比要求)。部分結(jié)構(gòu)的尺度由最小凈厚度決定，且HCSR的板厚要求提高0.5～1.5 mm，如：散貨船貨艙的雙層底非水密縱桁、機(jī)艙的舷側(cè)外板，油船貨艙的龍骨、舷頂列板、雙層底非水密縱桁、雙殼非水密水平桁等。

2)局部壓力要求。對(duì)散貨船，HCSR對(duì)內(nèi)底和底邊艙斜板的要求可提高0.5～1.5 mm，對(duì)船底、內(nèi)底、甲板縱骨模數(shù)要求可能提高近20%。在艏部船底砰擊區(qū)域，HCSR對(duì)板厚的要求降低，但對(duì)縱骨的模數(shù)要求提高。

對(duì)于油船，HCSR對(duì)內(nèi)底板、底邊艙斜板以及內(nèi)殼、縱艙壁和橫艙壁的上部板厚要求提高0.5～3.0 mm，對(duì)甲板，以及縱艙壁、內(nèi)殼、橫艙壁的上部的縱骨的模數(shù)要求提高。

3)散貨船特殊要求。

①抓斗要求。在采用相同抓斗重量的情況下，HCSR降低了抓斗要求。而采用規(guī)范要求的最小抓斗重量時(shí)，HCSR的要求則有所提高。

②鋼卷要求。相對(duì)CSR BC，HCSR對(duì)板厚要求稍有降低，對(duì)縱骨的模數(shù)要求提高。

3.3 有限元屈服校核

一般情況下，按照CSR規(guī)范設(shè)計(jì)的船，也基本能夠滿足HCSR的有限元屈服校核。

3.4 屈曲要求

3.4.1 描述性屈曲要求

對(duì)于散貨船，單舷側(cè)散貨船舷側(cè)處的屈曲要求有所提高。

對(duì)于油船，縱艙壁和內(nèi)殼上的部分縱骨可能不滿足HCSR要求。

3.4.2. 有限元屈曲校核

HCSR屈曲要求有所提高，下列位置可能不滿足HCSR屈曲校核。

1)散貨船。甲板、艙口間甲板、頂邊艙斜板、底邊艙斜板、雙層底縱桁、雙層底實(shí)肋板。

2)油船。底邊艙斜板、內(nèi)殼上部、縱艙壁上部、雙殼水平桁、雙層底實(shí)肋板。

3.5 簡化法疲勞

對(duì)于Capesize型散貨船，頂邊艙內(nèi)的甲板、頂邊艙斜板和舷側(cè)縱骨疲勞壽命可能不滿足。

對(duì)于VLCC、Suezmax、Handymax等油船，船底和舷側(cè)縱骨疲勞壽命可能不滿足。

4 結(jié)論

1)HCSR規(guī)范在波浪載荷、尺寸要求、直接強(qiáng)度分析、屈曲評(píng)估和疲勞強(qiáng)度校核等方面進(jìn)行了協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

2)HCSR規(guī)范的理論背景和技術(shù)路線更趨完善。

3)總體來說，HCSR對(duì)局部結(jié)構(gòu)尺寸的要求既有提高的部分，也存在降低的部分。這就需要設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，以便在滿足HCSR規(guī)范要求的前提下，設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的船型。

4)HCSR對(duì)計(jì)算工作量的要求大幅提高，特別是直接強(qiáng)度分析的計(jì)算工作量。

[1] 國際船級(jí)社協(xié)會(huì).IACS散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范(中文)[S].中國船級(jí)社，譯，北京：中國船級(jí)社，2006.

[2] 國際船級(jí)社協(xié)會(huì).IACS雙殼油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(中文)[S].中國船級(jí)社，譯，北京：中國船級(jí)社，2006.

[3] 胡勝謙，張延昌，劉 昆.基于CSR共同規(guī)范的船體梁極限強(qiáng)度分析[J].船海工程，2013，42(1)：5-8.