協調前后共同結構規范對比與實船計算分析

褚 洪,唐梓喬

(1.中國船級社 江蘇審圖中心，江蘇 南京 210011；2.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引言

為制造出更堅實耐用和更加安全的船舶，國際船級社協會(IACS)于2006年正式發布散貨船、油船共同結構規范(CSR-BC&CSR-OT)。多家IACS成員合作研究，基于堅實的技術背景，首次使用等效設計波和凈尺寸等全新的理論，編制出兩種船型的共同結構規范，使全球船舶制造水平得到了普遍提高。然而，這兩本規范是各自獨立開發的，采用的技術方法也不盡相同。為了消除規范中的技術差異并在整體上取得一致，IACS決定將兩本規范協調合并。該計劃于2008年啟動，主要工作集中在協調兩本規范中的關鍵技術上，如波浪載荷、疲勞評估、有限元評估和屈曲評估等。協調統一后的規范仍然稱為共同結構規范(CSR-H)，于2015年7月1日生效[1]，并替代原有規范。CSR-H包括三個部分：第一部分是船體結構的總體要求，適用于兩種船型；其余兩部分則針對散貨船和油船的結構特點做出相應規定。本文主要對比規范協調前后散貨船屈服強度直接計算的理論和方法，嘗試解析部分規范的改編原因，并進行實例計算比較，為新規范的使用人員提供參考。

1 規范對比

1.1 評估區域

CSR-BC中規定需要進行有限元直接計算的是船中貨艙區域，而CSR-H將評估區域擴展到所有貨艙區域，包括最首艙和最尾艙。具體來說，在CSR-H中，貨艙被分成5個區域：貨艙中部、貨艙前部、貨艙后部、最首貨艙和最尾貨艙，而這五個區域中所有結構不相同的艙室都要進行有限元直接計算。CSR-H屈服強度評估區域見圖1。圖中，L為規范船長。

圖1 CSR-H屈服強度評估區域

由于在CSR-BC中不評估最首貨艙和最尾貨艙，需要直接計算確定的結構都是用中貨艙的結構類比替代。若最首貨艙和最尾貨艙的邊界、載荷與中貨艙有很大的差異，不對其進行直接計算評估難以得到準確結果。CSR-H擴大評估區域是合理、必要的，但將大大增加有限元計算的工作量。

1.2 邊界約束

CSR-H的邊界約束與CSR-BC相比，在約束模型前端面X方向位移時，沒有約束獨立點，而是約束中剖面和內底板的交點，見圖2。三艙段模型端面應當采用簡單支持，理論上只要約束一個點的X向位移就可以消除剛體位移。為了更符合實際情況，相對于CSR-BC約束整個端面，CSR-H盡可能減少約束。而選取中剖面和內底板的交點，一方面在模型中該點本身就存在，方便尋找并施加約束；另一方面，該點最靠近位于中和軸的獨立點，使約束X方向位移而產生的垂向彎矩降至最低，能夠減少邊界約束反力對結果的干擾。CSR-H在后端面獨立點施加了端面扭矩MT-end，即在斜浪作用下的扭矩，更真實地模擬了船舶在營運中遇到的載荷。

另外，對應于端面扭矩MT-end，CSR-H還提出端部梁的概念。實際情況下，船體結構在波浪中自由扭轉，翹曲并沒有必要計算。可是在兩端約束的模型上施加MT-end，端面翹曲變形較大，需要考慮對結果的影響[2]。為了盡可能模擬真實工況，減少不現實的翹曲變形對應力結果的影響，在端面縱向連續構件以及橫向甲板之上設置端部梁來約束翹曲變形。可以看出，CSR-H在增加設計波時就從整體上考慮對其他部分的影響，并采取措施使之降至最低。

圖2 中縱剖面和內底板X方向約束

1.3 等效設計波與裝載工況

等效設計波(EDW)理論是船舶及海洋工程在波浪下的運動響應分析中較為前沿和便捷的方法。通過長期不規則波運動響應分析預報，確定某特定規則波可以產生與長期不規則波相同的極限響應[3]，如加速度、橫搖角等，這樣在后續的強度計算中就能夠使用簡單的規則波來模擬船舶在整個營運周期內可能遭遇的最嚴重工況，極大簡化了波浪載荷計算過程。CSR-BC采用4種EDW。而CSR-H為了更全面地評估船舶在營運周期內的結構強度，采用7種EDW，其中增加了使首部加速度最大的設計波HSA，對應于最首艙的評估。在HSA設計波下，靠近首部貨艙所受到的貨物及壓載水載荷將達到最大值。而增加的斜浪設計波OST和OSA則考慮了扭轉對船體結構的影響，尤其對大開口船有著重要意義。CSR-H增加的等效設計波也為規范適用船型的擴展打下基礎，如集裝箱船等。

裝載工況方面，CSR-H基本使用CSR-BC的工況組合，將CSR-BC的剪力工況納入到所有工況中，即在每個工況中施加靜水剪力，更符合實際情況。CSR-H則更全面地考慮營運情況，增加了隔艙裝滿工況、港內單艙裝滿工況和港內連艙隔艙裝載工況。

可以想象，十幾種裝載工況和7種設計波組合將超過100種計算工況，全部納入規范既不現實也無必要。在CSR-H規范研發時，針對計算工況的選取做了大量的研究工作，對不同尺寸、類型的船體進行計算分析，最終確定的工況將對船體主要支撐結構(PSM)產生最大壓力、最大局部剪力和彎矩[4]，但是計算工況數相對于CSR-BC還是有相當程度的增加。表1給出一艘常規散貨船中貨艙在CSR-BC和CSR-H中的計算工況數，增幅均超過150%。計算工況數大幅增加，對軟件施加載荷、調整剪力彎矩和生成計算文件等方面的效率提出了更高的要求。

表1 計算工況數比較

1.4 船體梁載荷施加與調整

與CSR-BC相同，CSR-H要求艙段中部達到目標垂向彎矩和目標水平彎矩，其中目標垂向彎矩由靜水彎矩和波浪彎矩按工況系數合成，目標水平彎矩由相應等效設計波產生。調整艙段中心位置達到目標垂向彎矩和目標水平彎矩，使用的是簡單梁理論。考慮剪力調整、局部載荷、約束反力等因素對艙段中心彎矩的影響，算出調整彎矩值，以集中力的形式按平面梁理論施加于模型端面。對散貨船的OST工況和OSA工況，直接在端面獨立點上施加調整扭矩MT-end，使模型特定位置達到目標扭矩。散貨船非斜浪工況則要求將扭矩調整為0，消除由模型誤差產生的附加扭轉應力。

而CSR-H的剪力施加與調整相對于CSR-BC來說要復雜得多。CSR-BC要求在剪力工況下將前后橫艙壁處的剪力調整至同樣大小的目標值，且并沒有規定調整方法。而CSR-H先要判斷前后艙壁處由于局部載荷產生的剪力值大小，再用靜水剪力、波浪剪力以及散貨船修正剪力計算出各自的目標值。該目標值的設計目的是使靠近橫艙壁處的結構在最嚴重的局部載荷作用下疊加船體梁剪應力。在CSR-H裝載工況中，將前后艙滿載、中艙空載以及前后艙空載、中艙滿載的工況定義為最大剪力工況(Max SFLC)，容易看出這類工況橫艙壁前后的載荷差異較大，引起的剪力也明顯大于其他裝載工況。對SFLC工況和非SFLC工況的剪力調整要經過多重判斷，選擇不同的調整方法，具體流程見圖3。圖中，M1和M2為兩種不同的調整方法。M1較為簡單，直接在模型兩端施加彎矩，讓目標位置的剪力達到目標值。M2可以看作M1的延續，在模型兩端施加彎矩后，繼續在強框架上施加垂向力，調整剪力至目標值。

1.5 屈服評估衡準及分析

1.5.1屈服評估衡準

CSR-BC中粗網格屈服評估衡準簡明單一，其方法見式(1)。因絕大多數用戶都使用各項同性材料建模，故本文不考慮各項異性材料。

σE<235/k

(1)

式中：σE為單元等效應力；k為材料系數。

相比之下，CSR-H粗網格屈服評估衡準則較為復雜，見表2。

圖 3 CSR-H剪力調整流程

表2 CSR-H粗網格屈服評估衡準

1.5.2CSR-H的評估衡準分析

首先，港內工況的許用應力是航行工況的80%，可以理解為對港內工況留出了20%的裕量，這部分裕量應對的是港內可能出現的波浪載荷，并確保意外的超量裝載不會對結構造成永久性變形。

其次，承受液體側向壓力的水平槽型艙壁和帶有底凳的垂直槽型艙壁殼單元，相對于其他船體結構留出了10%的安全裕量，該部分與CSR-OT一致[5]，應該是根據油船的建造及使用經驗直接采用。而在干散貨側向壓力下的槽型艙壁則不需要此裕量，因為在散貨船的規范計算中已經考慮了更為嚴重的貨艙意外進水工況。

最后，對于承受側向液體壓力的無底凳的垂向槽型艙壁的槽條的殼單元，進一步留出了10%的裕量。這是因為根據營運經驗，無底凳的垂向槽型艙壁更容易產生局部裂紋等損壞。而對于此類構件在規范計算中并無要求，采取放大安全裕量是比較穩妥的方法。

由此可見，CSR-H的評估衡準考慮更全面，納入其他規范獲得認可內容及營運經驗更加合理。

1.6 細化網格分析

CSR-BC中規定，粗網格應力值超過許用值95%的關鍵位置需要進行細化網格分析，而CSR-H對細化網格分析要求較高，規定了強制細化的結構以及細化篩選準則。

(1)對船中貨艙區域，CSR-H強制進行細化分析的結構位置有：雙舷側船舶的底邊艙折角；舷側肋骨端部肘板和單舷側散貨船的底邊艙下折角;大開口;甲板和雙層底縱骨與橫艙壁的連接處;槽型艙壁與鄰接結構的連接處。

(2)對船中貨艙區域，應當進行細化分析篩選的結構位置有：主要支撐構件腹板上的開孔，如水平桁、雙層底中的實肋板和縱桁；橫向強框架上的肘板趾端，如水平桁與雙層底或支撐結構的連接；橫艙壁水平桁根部；橫向底凳與雙層底縱桁的連接以及縱向底凳與雙層底實肋板的連接；底邊艙與橫向底凳結構的連接；頂邊艙與內殼間的連接；槽條和上部支撐結構與頂凳的連接；艙口角隅區域,如艙口圍端肘板、艙口角隅和艙口端橫梁的連接。

(3)對船中貨艙以外區域，應當進行細化分析篩選的結構位置有：底邊艙折角；舷側肋骨端部肘板；大開口；槽條與鄰接結構的連接。

在CSR-BC的實際操作中，根據經驗超過許用值95%的位置細化后一般也不滿足要求。因此將許用值降低5%來評估粗網格應力，對應力超出的結構直接加強，很少需要進行細化網格分析。CSR-H根據營運經驗及粗網格與細網格應力相關性分析，對最容易發生損壞的位置強制細化分析。為減少重復工作，對具有最大屈服利用因子處的其他關鍵位置制定篩選準則，找出需要細化分析的位置。很明顯在細化網格分析上CSR-H的工作量將遠多于CSR-BC。

2 實例計算分析與建議

2.1 IACS實船計算

為評估協調后的規范對船體結構尺寸影響，IACS成員進行了實船對比計算。該項工作基于2014年1月版的CSR-H規范，共選取了4型10艘有代表性的散貨船，包括3艘Capesize、2艘Babycape、2艘Panamax和3艘Handymax，均符合最后一版CSR-BC的要求[6]。從粗網格直接計算的結果來看，除個別結構應力值超過許用值，船中區域的結構基本可以滿足CSR-H的要求。而對最首艙和最尾艙來說，各個船型都需要不同程度地增加結構尺寸以滿足規范在粗網格屈服強度中的要求。

2.2 實船計算對比分析

作者對某雙舷側散貨船同時進行了CSR-BC和CSR-H粗網格屈服評估，分別使用的是CCS開發的CSR-DSA軟件和HCSR-DSA軟件。該散貨船的主要參數見表3。

表3 計算實船參數

本文只計算船中貨艙的重貨艙，其結果均符合規范要求，只有雙層底縱桁底凳下方個別單元超過許用值，由應力集中所致，可以忽略不計。為方便比較，按式(2)將計算結果無因次化處理。

λy=σmax_vm/[σ]

(2)

式中：σmax_vm為單元在全部工況下最大等效應力；[σ]為單元所在結構及相應規范中的許用應力。

對部分主要支撐結構的屈服利用因子λy進行比較，見圖 4～圖 7。

圖4 外底板屈服利用因子

圖5 舷側外板(左舷)屈服利用因子

圖7 內底板屈服利用因子

整體上來看，主要支撐結構的屈服利用因子在CSR-H中較CSR-BC普遍有明顯提高，也就是說CSR-H對結構的要求更加保守，但是并不用提高到需要大面積增加結構尺寸。原來符合CSR-BC要求的船體結構基本上也可以滿足CSR-H。

進一步分析屈服利用因子。從外底板對比可以明顯看出，CSR-H在靠近橫艙壁處的要求更高，這是由于在所有工況中加入了剪力，調整橫艙壁處的剪力值達到目標值，與彎矩和局部載荷疊加，使靠近橫艙壁處的結構應力到達極值。對比上甲板屈服因子，CSR-H的橫向甲板應力明顯高于CSR-BC，這是因為增加了OST和OSA兩個斜浪工況，使船體產生扭轉，從而提高了橫向甲板的應力水平。再比較內底板屈服因子分布，不難發現靠近船首的結構應力明顯提高，可以理解為使得船首加速度最大的HSA工況下，靠近前部的艙內貨物載荷增大。從其他的圖還可以總結出，CSR-H對離船底較近的縱向連續結構，如內殼縱艙壁、舷側外板等，要求更加保守。總之，計算結果基本符合前文對載荷、裝載工況等方面的分析，與IACS的對比計算保持一致。

3 結語

本文對協調前后的共同結構規范屈服強度直接計算的相關部分進行了詳細的比較，給出部分協調規范的編寫背景并探討原因。CSR-H在屈服強度直接計算的要求大大提高，特別是評估區域、等效設計波、船體梁載荷調整及細化網格分析方面，汲取各船級社多年積累的營運經驗，納入業界更加認可的規范條文，使得規范更加全面、安全、合理。通過計算實例驗證CSR-H對船體結構的要求更加保守，但是并不需要大面積的增加尺寸，原來符合CSR-BC要求的船體結構只需稍加修改即可滿足要求，制造成本可控。但是，CSR-H直接計算工作量將成倍地增加，對船級社的人力資源及軟件效率提出挑戰。