基于 HCSR 規范艙口角隅問題的研究

王勛

摘要：分析 HCSR 規范與 CSR 規范強度計算方面的主要不同，并依據兩種規范對船中區域貨艙口角隅進行對比計算;依據 HCSR 規范要求對船舶首尾部貨艙艙口角隅進行計算，發現原首尾部分艙口角隅的設計不滿足新規范的要求;對應力超過許用值的角隅進行細化分析并分析造成高應力的等效 設計波類型。在該設計波規范研究的基礎上，對比分析船舶各艙口角隅應力與其位置沿船長方向分布的關系，并預斷新船設計中艙口角隅應力變化趨 勢與其縱向位置的對應關系。

關鍵詞：HCSR規范;艙口角隅;有限元

中圖分類號：TP661 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）09-044-03

Abstract：ComparethemaindifferenceinRulesbetweentheHCSRandCSRinDirectStrengthAnalysis，andanalyzethehatchcornerinMidcargoholdregion basedondifferentRules;AndfindoriginaldesignofhatchinforeandaftpartnotsatisfythenewHCSRRulesafteranalysisthehatchcornerinforeandaftpart ofthecargohold;refinefiniteelementwhenthehatchcornerstressexceedingthescreeningfactorsandfindoutthedominateEquivalentDesignWave（EDW） whichinducedthehighstress.BasedontheruleregulationresearchofthedominateEDW，comparethehatchcornerstressandthelocationalongtheshipLongi- tudinaldirection，thenprejudgetherelationshipofhatchcornersandthelocationalongtheshiplongitudinaldirectioninnewshipdesign.

Key words： HCSR Rules; Hatch corner; Finite Element

0 引言

為保證船舶的安全性能，國際海事組織（IMO）決定制定目標型船建造 標準（GBS）作為重要的戰略項目，而共同結構規范（CSR）已經不能滿足

GBS 的要求，國際船級社協會（IACS）決定在 CSR 的基礎上研究《Common StructuralRulesforBulkCarrierandOilTankers[1]》（HCSR）。該規范已于

2015 年 7 月 1 月生效，取代《CommonStructuralRulesforbulkcarriers[2] 》

（CSR散貨船規范），July2012，《CommonStructuralRulesforDoubleHullOil

Tankers[3]》（CSR油船規范），July2012.

新生效的 CSR-H 相對于 CSR 規范在等效設計波、載荷工況、許用應力等方面提出了更高的標準。CSR 規范沒有對首尾部貨艙進行深入的計算，新的 HCSR 規范增加了該部分的計算，并提出了更細致的要求。在工程實踐中，發現新生效的規范對艙口角隅，貨艙 hopper knuckle 的折角點， 人孔等結構均產生了較大的影響，尤其是其中艙口角隅的結構設計成為較大的難點。

1CSR-H 和CSR 規范主要不同

1.1 載荷。在載荷方面，HCSR規范規定了7種等效設計波、11種波浪載荷狀態，相比 CSR 規范的 4 種等效設計波、8 種波浪載荷狀態更加詳細的分析了波浪對船舶運動響應和強度的影響。CSR-H 的 7 種等效設計波如表 1[4]所示。

表 1 HCSR 規范七種等效設計波選取

1.2 分析范圍。HCSR 規范分析包括整個貨艙區域的有限單元分析。包括內殼和外殼 、甲板 、雙層底肋板和桁材 、橫向和垂向強框、艙口圍 、水平筋 、橫向和縱向艙壁結構 、其它的主要支撐構件 、其它對船體梁強度起作用的結構構件。分析范圍如圖 1 所示。

CSR 規范分析船中三艙段（1+1+1）有限元模型中的包括艙壁在內的所有主要支撐構件，而不包括首尾部分貨艙的有限元計算。分析范圍對應 于圖 1 中的船中貨艙區域。

圖 1 HCSR 規范對有限元結構評估的貨艙區域劃分

1.3 約束邊界條件。HCSR 規范在邊界條件上與 CSR 規范也有所改進，選用了邊界梁單元作為模型兩端的邊界處理，用來模擬模型的剛度。

HCSR 規范貨艙區非船中區域的貨艙的強度評估模型的邊界條件同船中區域相同，但與最前部貨艙貨艙的有限元模型邊界條件有所不同;HCSR規范用中心線和內地板的交點來約束 x 方向的線位移，而不更多的約束獨立點，減少了獨立點約束的影響，CSR規范則在獨立點上進行x方向線位移的約束。

表 2CSR-H 和 CSR 散貨船規范邊界條件對比

CSR-H 規范 CSR 規范

MPC 關聯 DY袁DZ袁RX DX，DY，DZ

MPC 獨立點 前斷面 DY，DZ，RX DX，DY，DZ，RX

后斷面 DY，DZ DY，DZ，RX

內底板前/后端部中節點 DX -

端部梁 是 -

1.4 篩選準則和評判準則。CSR 艙口角隅的細化篩選準則為許用應力的0.95倍，細化網格的大小標準為200mm×200mm，以及評判標準280/k

（k為材料系數）;CSR-H艙口角隅的細化篩選準則0.95λperm，細化網格的大小標準為50mm×50mm，以及評判標準λf≤λperm。

2 船中區域不同規范強度計算對比分析

2.1 CSR 規范船中艙口角隅強度計算分析。利用必維船級社軟件Veristar-Hull，分別依據CSR，HCSR不同規范的要求對本散貨船船中區域第

4，5，6貨艙（后面簡寫如CH4，CH5，CH6）三個艙段進行強度評估，該軟件可以依據不同規范直接加載對應約束工況載荷等條件進行分析。計算取 S×S

（本船 960mm×960mm） 的粗網格模型進行計算整個貨艙段的分析，甲板區域的模型如圖 2 所示，艙口角隅用一個三角形單元進行模擬，角隅板厚度為

44mm。CSR角隅篩選準則為0.95×235/k=310MPa，k=0.72，HCSR角隅的篩選準則σVM≤0.95×λperm×RY=0.95×1×235/k=310MPa;兩種規范的計算結果均列在表 4 中。表中后端角隅為本貨艙尾部，依據兩種不同規范分別計算的應力結果，并將兩種計算結果取比值。可以從表 4 中看出船中依據兩種規范計算三個貨艙段的六個角隅的強度計算結果都超出了篩選準則的

310MPa，HCSR規范計算的結果均高于相應CSR規范計算結果。

圖 2 甲板區域的粗網格模型

表 4 不同規范計算的船中區域艙口角隅的結果對比

2.2 CSR-H 規范船中艙口角隅強度計算分析。根據 2.1 中計算的結果， 兩種規范的所計算船中三個艙段的角隅應力都超過篩選準則

310MPa。本船設計中艙口角隅的典型形狀為 a×b=2250mm×1300mm 的橢圓，依據兩種規范中要求較高的 HCSR 規范要求，對應力超過 310MPa 的單元進行細化研究以便于得到更精確的結果，細化網格大小為 50mm×

50mm，評判標準依據規范第7章，第3章節，6.2評判標準取490MPa，細化網格的計算結果列在表 5 中。同一貨艙的首尾兩個艙口角隅，取其中的應力較大者進行細化分析，如 CH4 貨艙后端角隅依據HCSR 計算的應力

415MPa，前端角隅應力421MPa，則取前端角隅進行細化分析。從Veris- tar-Hull 軟件中直接讀取細化分析結果并將最大應力列在表 5 中，同時讀取造成最大應力的裝載形式及載荷工況，即裝載形式/載荷工況No.1，讀取造成第二大應力的裝載形式/載荷工況No.2，同樣列在表5中。圖3為典型艙口角隅的細化模型。

表 5HCSR 規范艙口角隅細化結果及最大載荷工況

圖 3 船中區域艙口角隅的典型細化模型

2.3 船中區域兩種規范結果對比。通過表 4 的對比分析可以發現

HCSR 的計算應力值高于 CSR 規范計算應力值，也即 HCSR 規范提出了更高的要求。CH5艙兩種規范的計算結果相差10%左右，CH4，CH6艙分別相差約20%，18%，說明越遠離船舯，HCSR規范的要求越高。可以從表5中得到除CH5艙外，CH4，CH6引起最大應力的的第一種，第二種loadcase都為不同載況下的OST-1S，OST-2S工況，都是由斜浪工況OST引起的。但通過細化的分析方法可以發現船中區域能滿足細化后的標準，也即設計中依據HCSR 規范要求仍較易滿足要求。

3 CSR-H 首尾艙段角隅計算

3.1 CSR-H 首尾艙段角隅計算。首部貨艙段的計算包括 Forwardcargo holdregion的CH2、CH3貨艙，Foremostcargoregion的CH1貨艙;尾部貨艙段的計算包括Aftcargoholdregion的CH7、CH8貨艙，aftmostcargohold的

CH9貨艙;CSR規范不包含本部分艙口角隅的計算。故在本部分計算中僅依據CSR-H 規范對艙口角隅進行計算。艙段粗模型計算對應的單元大小S×S（本模型約 960mm×960mm）。首尾部分艙口角隅的粗網格模型與船中部分類似。粗網格計算結果列在表 6 中。從表 6 中可以看出除了第 2 貨艙外，其它貨艙角隅的應力值都超過許用值 310MPa。對粗網格應力超過篩選準則 310MPa 的艙口角隅進行細化，以便于得到更精確的結果。細化網格的大小為 50mm×50mm，角隅形狀統一為 a×b=2250mm×1300mm 橢圓， 細化的典型模型與船中區域類似。同一貨艙取前后艙口角隅的較大值進行細化分析，如CH8貨艙后端角隅值為433.4MPa，前端角隅值為399.5MPa，則取其中后端角隅進行細化計算，細化計算的結果同樣列在表 6 中。

表 6 首尾貨艙段角隅及細化結果

附注：其中X為角隅位置距離尾垂線的縱向距離，L為船舶規范船長。 可以從表中看出，首部的 CH1 艙及 CH2 艙較容易滿足新規范的要求，

尾部的 CH9 艙較易滿足規范的要求。其余 CH3， CH7， CH8 三個艙的細化結果都超過了許用值490MPa，首尾部分貨艙角隅在以前的CSR船舶設計中關注較少，新的 CSR-H 規范中對其提出了具體的要求，并成了較大的設計難點。需要分析其成因以便在該類型散貨船的設計中更好的指導設計。

3.2 影響工況分析。從 VeristarHull 軟件中讀取造成高應力的前兩種裝載形式及載荷工況列在表 7 中。可以從表中看出首尾部分的艙段，除應力超過許用值的 CH3，CH7，CH8 艙角隅，其余 CH2，CH9 的艙口角隅其引起最大應力的第一種工況也都是不同loadpattern下的OST工況，OST-1S，

2P，2S 的區別僅在于彎矩作用于左右舷，或者是最大最小彎矩的區別。可以得出首尾部貨艙對于新的 HCSR 規范新增加的 OST 工況對艙口角隅的設計提出了更嚴苛的要求。從而在艙口角隅的設計中應該預先考慮 OST 工況載荷的成因，及可能對結構產生的影響。在下列章節中將對 OST 工況進行規范的研究分析。

表 7 首尾部分貨艙角隅主導工況

4 波浪扭矩的分析

4.1 波浪扭矩的規范要求。OST 是斜浪時船在距離尾垂線 0.25L 處的扭矩達到最小或最大時的等效設計波，該等效設計波對應的波浪扭矩的計算 公式在HCSR 規范第 4 章第 4 部分船體梁載荷， 3.4 波浪扭矩中表述如下：

Mwt=M1 M2 （1）

其中： （2）

Mwt2=0.22f2LB R（3）

ft1， ft2：分布系數，取為：

ft1=0 當x<0

當 0≤ x≤L

ft1=0 當x>L

ft2=0 當x<0

當 0≤ x≤L

ft2=0 當x>L

4.2 波浪扭矩沿船長的分布系數

FIp-ost=5fxL 當x/L<0.2

FIp-ost=1.0 當0.2≤x/L<0.4

FIp-ost=-7.6fxL+4.04 當0.4≤x/L<0.65

FIp-ost=-0.9 當0.65≤x/L<0.85

FIp-ost=6fxL-6 當0.85≥x/L

4.3 尾部貨艙段波浪扭矩

4.3.1 尾部區域貨艙段波浪扭矩近似計算。尾部貨艙段的計算包括Aftcargoholdregion 的 CH7，CH8 貨艙， 和 aftmostcargohold 的 CH9 貨艙， 在本船的計算中CW=10.735，T=294m，B=50m，D=25m，CB=0.835，fps取

1.0，TLC在本船近似計算中取18.5m，依據4.1，4.2章節中的公式進行計算，計算結果如表 7 所示。表 8 中 x/L=0 和 0.531 經公式推導波浪扭矩沿船長分布系數為 0 的位置。

表 8 尾部貨艙角隅位置波浪扭矩近似計算數值表

科技研究

圖 4 尾部區域波浪扭矩分布曲線

4.3.2 尾部區域貨艙段波浪扭矩的結果分析。CH8 艙角隅的縱向位置為x/L為0.23，0.29，CH7艙角隅的縱向位置為x/L為0.33，0.38，可以從上圖中看出這四個位置的波浪扭矩處于圖形的最高附近。CH7 艙的 50mm×

50mm細化分析結果為646MPa，CH8艙的細化分析結果為617MPa，這與上圖的顯示結果是一致的。并且646MPa，617MPa遠遠的超過許用值

490MPa，在實際的設計中也需采用較多的如形狀設計或新節點設計才能 滿足規范要求。在貨艙尾部艙口角隅的設計中可以先用規范公式進行波浪扭矩的計算，進行預判。尤其是縱向位置超出船中區域的范圍不應該使 得參與總縱強度的構件尺寸直接下降。

4.4 首部區域貨艙波浪扭矩近似計算及結果分析

4.4.1 首部區域貨艙波浪扭矩近似計算。首部貨艙段的計算包括Forwardcargoholdregion 分別為 CH2，CH3 貨艙，和 Foremostcargoregion 的

CH1貨艙。在本船的計算中取CW=10.735，L=294m，B=50m，D=25m，CB=0.

835，fps取1.0，TLC在取18.5m以便于對比分析。表9中x/L=0.531和1經公式推導波浪扭矩沿船長分布系數為 0 的位置。

圖 5 首部區域波浪扭矩分布曲線

4.4.2 首部部分貨艙段波浪扭矩的結果分析。CH3 艙角隅的縱向位置為x/L為0.71，0.76，可以從圖5中看出0.71，0.76位置的波浪扭矩處于圖形的最高點。這與模型的細化分析結果是一致的，從而在貨艙首部艙口角 隅的設計中可以先用規范公式進行波浪扭矩的計算，進行預判。尤其是縱 向位置超出船中區域的范圍不應該使得參與總縱強度的構件尺寸直接下降。CH1，CH2艙的艙口角隅的縱向位置分別為0.8，0.85，0.88，0.94，可以從圖中看出處于這個縱向位置的波浪扭矩離最大值處較遠，而且通過細化分析的結果發現這四個位置的角隅比較容易設計要求，使用常規的橢圓角隅模型即可滿足設計要求。

5 結論

本文對比分析了HCSR 相對于 CSR 規范的主要變化，并進行了兩種規范船中區域艙口角隅的對比分析;其次用 CSR-H 規范對首尾部貨艙角隅進行校核，并發現 OST 斜浪工況對首尾艙口角隅的設計起主導作用;在對 OST 工況引起的波浪扭矩進行規范研究基礎上，得出波浪扭矩沿船長的分布規律并對角隅設計可能產生的影響，對本船的分析可以得出下列結論：

（1） 本船依據 HCSR 規范計算的船中三艙段艙口角隅的應力高于

CSR 規范計算結果，主要是由新增加的 OST 設計波引起，但在設計中仍能較易滿足規范要求。

（2）首部 CH1，CH2 艙艙口角隅的設計較易滿足規范要求，最大值出現在CH3艙的角隅處，細化模型的最大計算值為563.8MPa，與圖5顯示的首部區域波浪扭矩分部曲線變化趨勢是一致的。

（3）尾部 CH7，CH8，CH9 艙段中的 CH7、CH8 艙的艙口角隅細化模型的最大計算值 647MPa、617MPa 也超出了許用值 490MPa，其中最大值

647MPa出現CH7貨艙在縱向位置X/L=0.33，與圖4顯示的尾部波浪扭矩的分部規律也是近似一致的。

后續工作，通過總縱強度沿船長的分布規律，艙口角隅的幾何形狀設計，節點形式設計以使得艙口角隅能滿足規范的要求。在實際設計中，由于船舶結構，載荷及工況的多樣性，以及疲勞壽命由原 CSR 中的 20 年提高到25年，應力范圍概率水平從10-4變為10-2，以及規范在疲勞壽命評估方面做了改進[5]，導致艙口角隅設計中仍需經過實際計算。

參 考 文 獻 ： [1]IACS. CommonStructuralRulesforBulkCarrierandOilTankers[S]， 2014.

[2]IACS. Common Structural Rules for Bulk Carrier[S]， 2012.

[3]IACS. CommonStructuralRulesforDoubleHullOilTankers[S]， 2012.

[4]周廣喜. HCSR 和 CSR 規范結構強度評估方法比較研究[D]. 哈爾濱工程大學， 2013.

[5]張夢婷， 金永興. HCSR 對散貨船疲勞強度校核的新要求[J]. 船舶工程， 2014（5）： 30-33.