輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的新穎度評價及安全評估方法

吳嘉蒙 湯雅敏 朱文博 蔡詩劍 韓 濤 朱俊俠 王 元

（1.上海市船舶工程重點實驗室 上海 200011；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

目前，作為國際海事組織（international maritime organization，IMO）公認的節(jié)能減排技術(shù)措施之一，輕量化（lightweight）技術(shù)不僅已成為未來船舶發(fā)展的重要趨勢，也是提升我國船舶核心競爭力的有效措施。工業(yè)和信息化部已將突破新材料與船體輕量化設(shè)計技術(shù)作為海洋工程裝備和高技術(shù)船舶重點領(lǐng)域的關(guān)鍵共性技術(shù)之一[1]。從船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域來看，輕量化技術(shù)雖有應(yīng)用但成果有限，較多仍集中于構(gòu)件尺寸優(yōu)化和有限的方案優(yōu)選等，在新穎或替代設(shè)計方面開展較少，特別是在國內(nèi)[2]。

隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，特別是拓撲優(yōu)化技術(shù)和復(fù)合材料的不斷工程化應(yīng)用，突破規(guī)范或超規(guī)范的新穎設(shè)計將不斷出現(xiàn)，各自呈現(xiàn)不同的新穎度。而現(xiàn)有規(guī)范的安全評估要求大多針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，可能無法直接保證其適用于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計（特別是那些已突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的新型結(jié)構(gòu)，以及采用新材料、新穎度較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計等）。因此，深入研究并建立1 套評估輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性評估方法，已成為滿足船舶安全規(guī)范規(guī)則以外更高層次保證船舶輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計安全的必要手段。

中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院（下文簡稱“本院”）自2016 年成立輕量化技術(shù)研究團隊以來，一直致力于將輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)實用化，借助“船體實用輕量化設(shè)計技術(shù)研究”科研課題，結(jié)合多種船型的輕量化實船結(jié)構(gòu)設(shè)計，對輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的新穎度評價及安全評估方法開展了深入研究。

1 船舶結(jié)構(gòu)安全評估體系綜述

1.1 基于規(guī)范的結(jié)構(gòu)安全評估體系

船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范是船舶入級應(yīng)達到的結(jié)構(gòu)強度的最低安全標(biāo)準(zhǔn)。基于規(guī)范的結(jié)構(gòu)安全評估體系，是目前船舶結(jié)構(gòu)安全設(shè)計與評估的主要方法之一。

船舶行業(yè)的規(guī)范雛形源于18 世紀(jì)下半葉由倫敦勞埃德咖啡館的海運保險商所制定的船舶安全性評價系統(tǒng)。與其他國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展相似，船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范也遵循著從單純“經(jīng)驗”到“經(jīng)驗+經(jīng)典理論”，再到“經(jīng)驗+經(jīng)典理論+計算理論”，直至目前的“經(jīng)驗+經(jīng)典理論+計算理論+管理理論”四位一體格局[3]。其中，經(jīng)驗性規(guī)范在目前結(jié)構(gòu)規(guī)范的最小厚度要求方面仍有體現(xiàn)；二位一體規(guī)范所采用的經(jīng)典力學(xué)理論，形成了目前結(jié)構(gòu)規(guī)范的描述性尺寸要求；2015 年由國際船級社協(xié)會（international association of classification societies，IACS）發(fā)布實施的散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（common structural rules for bulk carriers and oil tankers,CSR）[4]，已經(jīng)成為三位一體規(guī)范體系的重要標(biāo)桿；而目前最能體現(xiàn)四位一體格局的新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，就是近年來由IMO 推出的針對散貨船和油船的目標(biāo)型船舶建造標(biāo)準(zhǔn)[5]，這是采用確定性/描述性方法制定的目標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)（goal-based standards，GBS），也稱GBS 建造標(biāo)準(zhǔn)，其集中了IMO、主管機關(guān)、船級社、國際船東組織或行業(yè)組織等海事相關(guān)利益方的技術(shù)力量。

1.2 基于風(fēng)險的結(jié)構(gòu)安全評估體系

相較于偏重經(jīng)驗性和描述性的基于規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，基于風(fēng)險的方法則更偏向于全壽期的安全管理[6]，以確保在全壽期內(nèi)船舶處于可接受的風(fēng)險水平，即在設(shè)計階段通過基于風(fēng)險信息的規(guī)范或基于第一原理的分析工具等盡可能降低風(fēng)險；在營運階段監(jiān)控管理殘余風(fēng)險；在突發(fā)事件時有相應(yīng)的應(yīng)急管理。從1990 年起，基于風(fēng)險的方法在海工領(lǐng)域已被廣泛接受和普遍使用；而在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，則主要集中在IMO 層面的綜合安全評估[7]（formal safety assessment，F(xiàn)SA）和采用安全水平法（safety level approach，SLA）制定的目標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)方面[8]。

FSA 是一種結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)性的分析方法。在采用SLA 制定GBS 時使用FSA，目的是全面、綜合地考慮影響安全的諸多因素；通過風(fēng)險、費用和受益評估，提出合理且能有效控制風(fēng)險的規(guī)范要求，從而不斷改進和提高規(guī)范的水平。GBS 原則上屬于基于風(fēng)險評估的標(biāo)準(zhǔn)，無論是采用確定性/描述性方法或是以SLA 來制定GBS，GBS 自上而下都包括5 層要求，如下頁圖1 所示。

圖1 GBS 的5 層框架體系

IMO 推出的FSA 框架主要包括5 個步驟，即：危險識別、風(fēng)險評估、風(fēng)險控制方案、成本效益評估、提供決策參考建議。將FSA 的5 個步驟和GBS 的5 個層次結(jié)合起來看：FSA 的第1 步“危險識別”，可用來確定GBS 的研究范圍；第2 步“風(fēng)險評估”，包括結(jié)構(gòu)可靠性分析（structural reliability analysis,SRA），其可對某種船型或其中某個系統(tǒng)進行整體風(fēng)險分析，確定研究對象的風(fēng)險水平，根據(jù)所得結(jié)果設(shè)定安全目標(biāo)；FSA 的第3 步“風(fēng)險控制方案”，是為了找出符合成本效益比的風(fēng)險控制方案，以達到符合風(fēng)險接受標(biāo)準(zhǔn)的安全水平，在GBS 框架中對應(yīng)的是功能性要求的符合驗證；FSA的第4步“成本效益評估”和第5 步“提供決策參考建議”，對于GBS 第4 層的船級社規(guī)范的建立及替代設(shè)計的選擇有積極作用。

因此，可以認為SRA 和FSA 都是發(fā)展基于SLA 的GBS 的重要工具。GBS 第1 層的安全環(huán)保等目標(biāo)均是通過第2 層的具體功能性要求來實現(xiàn)，而這些功能性要求則需通過SRA 和FSA 等風(fēng)險分析方法來量化。

1.3 基于極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)安全評估體系

極限狀態(tài)安全評估[9]是一種系統(tǒng)的方法，其要求每個結(jié)構(gòu)構(gòu)件都應(yīng)按既定設(shè)計場景下可能的失效模式（見表1）進行安全評估。每種失效模式可能與1 個或多個極限狀態(tài)關(guān)聯(lián)，因此船體結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是多種失效模式與特征載荷的組合。

表1 不同極限狀態(tài)涉及的可能失效模式

船體結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)主要包括以下幾種：

（1）正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)（serviceability limit state，SLS），指超越了該狀態(tài)則不再滿足特定的要求，如局部損壞或局部過大變形。

（2）最終極限狀態(tài)

最終極限狀態(tài)（ultimate limit state，ULS），指完整（無破損）條件下，對應(yīng)于最大載荷承受能力的極限狀態(tài)；或在某些情況下對應(yīng)于最大應(yīng)變或變形的極限狀態(tài)，如大變形、失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)成為塑性鉸等。

（3）疲勞極限狀態(tài)

疲勞極限狀態(tài)（fatigue limit state，F(xiàn)LS），指由于時變（交變）載荷而引起的結(jié)構(gòu)失效。

（4）事故極限狀態(tài)

事故極限狀態(tài)（accidental limit state，ALS），指結(jié)構(gòu)抵抗事故的能力。

基于極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)安全評估，就是根據(jù)上述劃分的不同極限狀態(tài)，確定其包含的不同設(shè)計場景，通過合理的技術(shù)方法確定各場景下結(jié)構(gòu)構(gòu)件能承受的最小極限載荷，可認為各場景在一定極限載荷下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的響應(yīng)滿足安全衡準(zhǔn)，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效。

每種極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全評估，可采用基于規(guī)范或基于風(fēng)險的結(jié)構(gòu)安全評估方法。現(xiàn)行CSR的制定原則之一就是參照了極限狀態(tài)安全評估理念，其中SLS、ULS和FLS所對應(yīng)的是營運工作危險。這些危險的直接原因雖然是各類工作及環(huán)境載荷的作用，但其本質(zhì)還是由于結(jié)構(gòu)本身安全能力不足而引起，因此分析危險事件出現(xiàn)頻率實則是分析結(jié)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下的失效概率。這相當(dāng)于研究孤立的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效，只需考慮結(jié)構(gòu)本身特性（如彈性模量、構(gòu)件尺寸等），采用SRA 即可得出結(jié)構(gòu)失效概率。而ALS 的事故危險與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)并無直接關(guān)系，內(nèi)在原因是其他非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在功能缺陷，結(jié)構(gòu)破壞也只是事故的后續(xù)效應(yīng)，因此ALS 的事故頻率分析其實是分析其他非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性。

就結(jié)構(gòu)本身的安全目標(biāo)而言，工作與環(huán)境載荷無法避免。若載荷水平不高，船體結(jié)構(gòu)在其作用下必須正常工作。因此，在SLS、ULS 和FLS 下，只需確保結(jié)構(gòu)正常工作的能力達到目標(biāo)水平，而無需考慮結(jié)構(gòu)損傷后的情況。多數(shù)情況下可采用工作應(yīng)力衡準(zhǔn)作為安全水平目標(biāo)，部分情況下可采用SRA指標(biāo)作為安全水平目標(biāo)（如船體梁極限強度或剩余強度等）。而當(dāng)?shù)皖l率的ALS 出現(xiàn)且載荷水平較高時，結(jié)構(gòu)在其作用下難以保持完整，此時的控制重點是確保損傷后結(jié)構(gòu)體系不進一步崩潰并引發(fā)災(zāi)難性后果。ALS 設(shè)計評估既需減少事故發(fā)生，又需控制事故后果，可采用FSA 臨時導(dǎo)則制定風(fēng)險指標(biāo)作為安全水平目標(biāo)。

無論FSA 還是SRA，都需要大量的歷史數(shù)據(jù)支撐。只有根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)評估現(xiàn)有船舶的安全水平，才能以此為基礎(chǔ)尋找適當(dāng)?shù)目山邮茱L(fēng)險水平，并制定合適的安全準(zhǔn)則。對于輕量化結(jié)構(gòu)（特別是突破傳統(tǒng)形式的新型結(jié)構(gòu)以及采用新材料、新穎度較高的結(jié)構(gòu)）而言，現(xiàn)階段顯然缺乏可靠的數(shù)據(jù)支持，現(xiàn)有數(shù)據(jù)的樣本量和覆蓋面也不足以推出可靠的安全水平。在此條件下，采用確定性/描述性方法制定輕量化結(jié)構(gòu)安全評估準(zhǔn)則顯然更合適。

無論采用基于規(guī)范還是風(fēng)險的結(jié)構(gòu)安全評估體系，每種極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全評估都涉及相關(guān)場景下的載荷、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法以及相應(yīng)的安全衡準(zhǔn)[10]。

2 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全評估方法

2.1 替代設(shè)計

輕量化設(shè)計常常伴隨著新穎設(shè)計或者新材料的應(yīng)用，其安全評估沒有明確的法規(guī)和規(guī)范要求，通常可采用替代設(shè)計理念。此處的替代設(shè)計，屬于一種基于目標(biāo)的船舶設(shè)計方法，是指不直接滿足國際公約、法規(guī)和規(guī)范的描述性要求，而是通過風(fēng)險分析等手段，提出符合目標(biāo)和功能要求并能有效控制風(fēng)險的新穎或特殊設(shè)計，從而在與描述性要求具有同等安全水平下得到最優(yōu)化的設(shè)計方案和最合理（成本效益比）的安全保護[11]。

IMO 在國際海上人命安全公約（international convention for safety of life at sea，SOLAS）中規(guī)定了若干項等效替代原則，包括：SOLAS II-1/55 的輪機及電氣裝置的替代設(shè)計和布置、SOLAS II-2/17的消防安全系統(tǒng)的替代設(shè)計與布置、SOLAS III/38的救生器具及布置的替代設(shè)計和布置、SOLAS XIV/I-B/4 的極地水域營運船舶安全措施的替代設(shè)計和布置。

替代設(shè)計流程一般包括以下4 個階段，如下頁圖2[11]所示：

圖2 替代設(shè)計流程

（1）替代設(shè)計的準(zhǔn)備（概念設(shè)計階段）；

（2）定性的初步分析（初步設(shè)計階段）；

（3）定量分析（最終設(shè)計階段）；

（4）試驗和工程分析。

2.2 新穎度評價

在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除分析其是否偏離任何國際公約、法規(guī)和規(guī)范的描述性要求外，還要進一步分析其是否已達到需要進行風(fēng)險分析的程度。針對該問題，本院輕量化技術(shù)研究團隊提出采用新穎度來評價輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的新穎性。文獻[10]通過技術(shù)狀態(tài)及其應(yīng)用領(lǐng)域來綜合判斷確定替代設(shè)計的新穎性，以決定是否需要對其進行風(fēng)險分析。參照該分類方法，可通過結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)及其應(yīng)用船型來定義輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎度的技術(shù)分值，如表2所示。其中，應(yīng)用船型分為已有船型和新船型2 種，對應(yīng)分值分別為0 和1；結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)分為已驗證、有限使用經(jīng)驗、全新或未驗證3 類，對應(yīng)分值分別為1、2、3。

表2 新穎度評價

通過對應(yīng)用船型和結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)的組合分析，可以得到輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎度的技術(shù)分值。若輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計僅涉及結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、常規(guī)構(gòu)型或布置的形狀優(yōu)化，可認為其新穎度技術(shù)分值為1，即完全滿足現(xiàn)有國際公約、法規(guī)和規(guī)范的描述性要求，不存在任何偏離。若輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及的船型偏離了規(guī)范適用的船型參數(shù)范圍（如船長L/船寬B大于5），結(jié)構(gòu)布置、形狀偏離了常規(guī)結(jié)構(gòu)布置，或形狀的認知范圍屬于全新或未驗證；采用的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在某些船型或場景下使用過，但在目標(biāo)船型或特定場景下從未使用過或使用經(jīng)驗有限；抑或采用的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案本身屬于全新或未驗證。此時，相應(yīng)的新穎度技術(shù)分值可能為2 ～ 4，對應(yīng)的輕量化技術(shù)就應(yīng)認定為新技術(shù)，相應(yīng)的設(shè)計方案可認為是結(jié)構(gòu)替代設(shè)計或新穎設(shè)計方案，應(yīng)進行替代設(shè)計相應(yīng)的工程分析和評估。

2.3 評估準(zhǔn)則及流程

2.3.1 評估準(zhǔn)則

對于新穎度技術(shù)分值為1 的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可完全參照現(xiàn)有結(jié)構(gòu)規(guī)范要求的計算評估和分析方法；對于新穎度技術(shù)分值為2 ～ 4 的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)基于極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)安全評估理念，采用“安全等效”原則制定對應(yīng)的評估準(zhǔn)則，即船體結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則。此處的“安全等效”是指結(jié)構(gòu)替代設(shè)計或新穎設(shè)計預(yù)期的安全水平，應(yīng)等效或優(yōu)于其所偏離的規(guī)范要求。

面對靈活多變的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可考慮采取以下方法確定評估準(zhǔn)則：

（1）安全水平法（SLA），該方法可用來確定相關(guān)驗證衡準(zhǔn)的要素水平；

（2）《經(jīng)修訂的用于IMO 規(guī)則制定過程的綜合安全評估導(dǎo)則》（FSA），其中包括風(fēng)險矩陣法、F-N 曲線等方法，可用來制定新穎設(shè)計或替代設(shè)計的評估準(zhǔn)則；

（3）類似散貨船和油船基于確定性/描述性制定的GBS 方法，可用來制定評估準(zhǔn)則。

如前所述，在缺乏數(shù)據(jù)支撐的條件下，推薦采用“確定性/描述性”方法制定輕量化結(jié)構(gòu)安全評估準(zhǔn)則。

2.3.2 評估流程

對于新穎度技術(shù)分值為2 ～ 4 的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)當(dāng)從載荷、描述性、直接強度評估、屈曲強度評估、疲勞強度評估和新材料等要求開展規(guī)范適用性分析。分析前，設(shè)計方應(yīng)與船級社充分交流，使船級社了解輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的背景、思路、應(yīng)用范圍，以及所采用的設(shè)計和評估方法，明確輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計同常規(guī)設(shè)計的區(qū)別所在。

開展具體規(guī)范適用性分析時，應(yīng)首先判斷輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計是否從根本上與規(guī)范適用范圍存在區(qū)別，例如：超尺度、超尺度比、特殊疲勞設(shè)計壽命、限定航行海域等。若存在適用范圍的偏離，意味著必須從載荷評估開始就進行特殊考慮。若分析后認為新穎或替代設(shè)計總體上仍在規(guī)范適用范圍內(nèi)，但部分規(guī)范要求對特定設(shè)計無法適用，則應(yīng)對無法適用的具體規(guī)范要求進行研究，然后梳理規(guī)范各條款，篩選并判斷與具體設(shè)計是否相關(guān)或規(guī)范條款是否適用。

分析時，應(yīng)根據(jù)規(guī)范技術(shù)背景文件，判斷某條規(guī)范要求是否適用于特定設(shè)計。若判斷為不相關(guān)，則無需繼續(xù)考慮該條款；若判斷為相關(guān)且適用，則可依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范條款進行評估；若判斷為相關(guān)但不適用，則應(yīng)注明分析理由并考慮處理方案，通常分為“改造現(xiàn)有規(guī)范要求”和“研究提出新要求”這2 種途徑。對于所有經(jīng)適用性研究分析后有新制定、新補充的要求，應(yīng)通過合理的方式檢驗其有效性和合理性，包括但不限于數(shù)值分析和模型試驗。

綜上所述，針對輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全評估流程如圖3 所示。

圖3 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全評估流程

3 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計安全評估案例分析

基于上述的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全評估方法，以國內(nèi)公開發(fā)表文獻中涉及的油船、散貨船和集裝箱船新穎結(jié)構(gòu)設(shè)計方案為例，進行安全評估案例分析。對于新材料的實船應(yīng)用，因文獻較少，本文暫不進行案例分析。

3.1 油船輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計典型案例

針對油船結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化，本院近年來積累了豐富的經(jīng)驗[12-15]。文獻[13]針對具有1 道中心縱艙壁的油船貨艙區(qū)典型主要支撐構(gòu)件（primary supporting members，PSM），通過結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化獲得了如圖4 所示的類桁架式輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖4 類桁架式輕量化結(jié)構(gòu)示意圖

本文對上述類桁架式輕量化結(jié)構(gòu)進行新穎度技術(shù)分析，認為其結(jié)構(gòu)布置（特別是撐桿）偏離了常規(guī)油船結(jié)構(gòu)布置的認知范圍，屬于全新或未驗證內(nèi)容，新穎度技術(shù)分值為3，故需進行規(guī)范適用性判斷。經(jīng)分析后認為：

（1）CSR 的載荷模型仍適用于類桁架式PSM。

（2）類桁架式PSM 由于將油船常規(guī)PSM 對應(yīng)的單跨梁結(jié)構(gòu)形式改為復(fù)雜梁系，致使結(jié)構(gòu)強度和剛度的描述性要求均發(fā)生根本變化，因此無法直接采用CSR 關(guān)于油船PSM 的描述性要求，而需對原規(guī)范條文進行適當(dāng)調(diào)整或研究制定新的描述性要求，抑或采用直接計算方法作為替代驗證手段。

（3）CSR 的三艙段有限元強度評估要求仍然適用于類桁架式PSM。對類桁架式PSM 帶來的典型開孔圓弧和軟趾等需開展強制的細化分析；對類桁架式PSM 彎矩剪力變化所引起的高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)視粗網(wǎng)格評估結(jié)果來判斷并選擇可能的細化分析區(qū)域。

（4）CSR 的屈曲強度評估要求原則上適用于類桁架式PSM。除此之外，針對類桁架式PSM 中出現(xiàn)的斜撐承壓構(gòu)件，一方面要在直接強度評估中校核其構(gòu)成板格的屈曲強度；另一方面，還應(yīng)滿足描述性要求的整體屈曲以及極限軸向承載能力校核。校核中的端部固定系數(shù)可通過非線性有限元計算確定，屈曲利用系數(shù)可參照CSR 中針對支柱或撐桿的要求。CSR 中針對橫撐的描述性屈曲校核要求和流程，可應(yīng)用于類桁架式PSM 中的斜撐結(jié)構(gòu)。

（5）類桁架式PSM 雖然會導(dǎo)致較多應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)，但CSR 疲勞強度評估中的精細網(wǎng)格評估方法仍然適用。CSR 中的細網(wǎng)格疲勞篩選要求，由于應(yīng)力放大系數(shù)的確定源于常規(guī)PSM 的疲勞計算樣本，因此不適用于類桁架式PSM 的情況。

陳倩等[16]針對采用類桁架式PSM 的油船雙層底肋板的描述性要求進行了分析研究。其基于有限元強度評估結(jié)果，提出類桁架斜撐下雙層底肋板的簡化梁模型；通過理論推導(dǎo)結(jié)合直接計算，給出了適用于類桁架斜撐下雙層底肋板的剪力分布系數(shù)，并開展多型船的計算以驗證公式的普適性（參見圖5）。

圖5 類桁架斜撐下雙層底肋板描述性要求及剪力分布驗證

湯雅敏等[17-18]針對類桁架式PSM 中斜撐結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的屈曲問題，通過數(shù)值分析和模型試驗開展分析評估（如下頁圖6 所示）。

圖6 類桁架斜撐的屈曲強度分析及模型試驗驗證

其發(fā)現(xiàn)斜撐承載后主要易發(fā)生整體彎扭屈曲失效，且斜撐中部為最易失效區(qū)域；然后，其通過非線性有限元分析確認了CSR 中關(guān)于臨界屈曲應(yīng)力的計算方法對斜撐仍然適用，但端部系數(shù)應(yīng)近似取為4。

3.2 散貨船輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計典型案例

謝小龍等[19]在某散貨船槽形橫艙壁底凳內(nèi)橫隔板上端靠近折角點的區(qū)域設(shè)計了應(yīng)力釋放孔，如圖7 所示。經(jīng)有限元分析，發(fā)現(xiàn)該高應(yīng)力區(qū)域的結(jié)構(gòu)材料在應(yīng)力釋放孔邊緣得以自由變形，有效減小了局部結(jié)構(gòu)在外載荷下的變形量即應(yīng)變，進而降低了該高應(yīng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)的合成應(yīng)力水平，有利于折角點處的結(jié)構(gòu)疲勞。應(yīng)力釋放孔在其他行業(yè)有一定使用，但在船舶行業(yè)的使用并不多。經(jīng)新穎度技術(shù)分析，認為該應(yīng)力釋放孔布置的位置屬于國內(nèi)散貨船上首次使用，考慮到應(yīng)力釋放孔在船舶行業(yè)的使用經(jīng)驗有限，故新穎度技術(shù)分值為3，需進行規(guī)范適用性判斷。

圖7 高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力釋放孔的示意圖

經(jīng)規(guī)范適用性判斷分析，該高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力釋放孔屬于局部結(jié)構(gòu)細節(jié)，僅與節(jié)點的細化應(yīng)力評估和疲勞強度評估相關(guān)，完全適用現(xiàn)行CSR 關(guān)于載荷、描述性要求、直接強度評估、屈曲強度評估等要求。其中，細化應(yīng)力評估時，為真實反映應(yīng)力釋放孔的幾何形狀，開孔附近的網(wǎng)格尺度應(yīng)適當(dāng)減小，但不小于該區(qū)域的板厚。

疲勞強度評估方面，需校核鄰近底凳上折角點處橫框架與開孔自由邊緣處的疲勞強度。前者屬于腹板結(jié)構(gòu)上的疲勞評估，可參照CSR 針對腹板疲勞應(yīng)力的插值方法求解熱點應(yīng)力，但需考慮應(yīng)力釋放孔引起的主應(yīng)力方向變化；后者屬于開孔自由邊緣處的疲勞評估，可參照散貨船開口角隅邊緣的疲勞評估方法。

經(jīng)輕量化技術(shù)研究團隊分析評估[2]，該折角點橫隔板高應(yīng)力區(qū)域4 個典型熱點位置的疲勞壽命都較高，有應(yīng)力釋放孔的最低疲勞壽命高于無應(yīng)力釋放孔的，說明應(yīng)力釋放孔能夠提高該區(qū)域的疲勞壽命。另外，對應(yīng)力釋放孔也開展了疲勞裂紋擴展的試驗研究（如圖8 所示）。

圖8 應(yīng)力釋放孔的裂紋擴展試驗

研究發(fā)現(xiàn)：離折角點直線距離最近的應(yīng)力釋放孔邊緣一旦存在初始缺陷，在循環(huán)次數(shù)相同的情況下，其裂紋擴展長度增長最大；此外，在擴展的初始階段，裂紋擴展速率相對緩慢，但應(yīng)力釋放孔附近的損傷將會隨著循環(huán)次數(shù)增加而逐漸累積且不可逆，最終會導(dǎo)致裂紋擴展速率越來越快。因此在實際應(yīng)用時，應(yīng)力釋放孔必須通過數(shù)控來開孔，且邊緣需仔細打磨，避免出現(xiàn)初始缺陷。

3.3 集裝箱船輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計典型案例

李丹丹等[20]基于規(guī)范和直接計算，探討了不同的集裝箱船橫艙壁并進行設(shè)計對比分析，給出了改進后的混合式支撐橫艙壁（如下頁圖9 所示），并通過艙段強度評估方法驗證了其強度滿足規(guī)范要求。

圖9 改進的混合式支撐橫艙壁的示意圖

經(jīng)新穎度技術(shù)分析后發(fā)現(xiàn)：相比于現(xiàn)有集裝箱船的常規(guī)或混合式支撐橫艙壁，改進的新型支撐橫艙壁取消了較多的垂直桁結(jié)構(gòu)，以T 形材取代傳統(tǒng)的水平角鋼，在2 個垂直桁之間連接作為導(dǎo)軌的支點。由于該方案是基于有限的使用經(jīng)驗在已有船型上的改進設(shè)計，故新穎度技術(shù)分值為2，需進行規(guī)范適用性判斷。

經(jīng)規(guī)范適用性判斷分析后認為：船級社關(guān)于集裝箱船的結(jié)構(gòu)規(guī)范完全適用于該新型橫艙壁結(jié)構(gòu)，但需要補充針對水平撐桿及中間撐桿（T 形材或角鋼）承擔(dān)的載荷、梁系分析，以及水平撐桿與垂直桁之間連接節(jié)點的疲勞強度評估要求。

經(jīng)輕量化技術(shù)研究團隊分析[2]，給出如下評估要求與建議。

3.3.1 載荷分析

對于水平及中間撐桿承擔(dān)的載荷，可取為集裝箱箱腳位置支點處的載荷。按以下2 種工況考慮：

① 橫向運動工況：箱腳位置支點處的橫向作用力見式（1）：

② 縱向/垂向運動工況：箱腳位置支點處縱向作用力見式（2）：

上述兩式中：H1和L1分別表示某支點處下一層集裝箱的橫向和縱向載荷，N；H2和L2分別表示某支點處上一層集裝箱的橫向和縱向載荷，N。

3.3.2 梁系分析

對于水平及中間撐桿的梁系分析，水平撐桿通常支撐在左右2 道垂直桁處（搭接焊或?qū)雍福笥疫吔缈梢暈楹喼В恢虚g撐桿連接前后2 道水平撐桿，連接節(jié)點通常為搭接焊，可模擬為鉸接；在水平撐桿的上下箱位處通常設(shè)置水平桁，或隔檔設(shè)置水平桁（此時應(yīng)將鄰近的水平撐桿及中間撐桿一并建模），必要時可在上下2 道相鄰的水平桁中間建模一段導(dǎo)軌，同水平撐桿及中間撐桿一起進行梁系分析（導(dǎo)軌與上下水平桁的交點可為對稱約束）。梁系分析的許用應(yīng)力見式（3）：

式中：ReH為材料的屈服應(yīng)力，N/mm2

3.3.3 疲勞分析

對于水平撐桿與垂直桁的連接節(jié)點，以角鋼為例，其包含的疲勞熱點位置（HS1 至HS6）如圖10 所示。其中，HS5 處若有肘板，則考察肘板與角鋼連接處的趾端（角鋼處熱點）。熱點類型、應(yīng)力讀取方法可參照相關(guān)船級社規(guī)范和指南。

圖10 水平角鋼與垂直桁連接節(jié)點的熱點位置

撐桿面板與垂直桁面板的連接存在對接和搭接這2 種情況。如果是搭接（角鋼與垂直桁面板搭接），則可參考CSR。2 個面板均用殼單元模擬且錯開一定距離（兩面板的中面距離），如圖11 所示。

圖11 角鋼面板與垂直桁面板搭接節(jié)點的建模方法

在連接的端部采用殼單元將2 個面板連接起來，連接單元的厚度可取為2 個面板凈厚度之和。

集裝箱對橫艙壁的作用力通過導(dǎo)軌與連接肘板來傳遞。較準(zhǔn)確的方法是將導(dǎo)軌與連接肘板建在模型中，力作用在導(dǎo)軌上；另一種方法是將連接肘板與垂直桁面板連接處的節(jié)點以及導(dǎo)軌作用力處的節(jié)點，通過多點約束且非剛性的方式連接。

基于上述評估要求，本文對于新型支撐橫艙壁建立有限元模型，開展橫向和縱向運動下的結(jié)構(gòu)安全性評估，結(jié)果驗證滿足評估衡準(zhǔn)要求，說明補充的評估要求和建議必要且合理。

4 結(jié) 語

本文在船舶結(jié)構(gòu)安全評估體系綜述的基礎(chǔ)上，針對輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了新穎度技術(shù)評價指標(biāo)及方法；基于等效替代的原則，構(gòu)建面向輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全評估流程及評估準(zhǔn)則確定方法。在此基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)公開發(fā)表的關(guān)于油船、散貨船和集裝箱船輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的典型案例，開展了新穎度技術(shù)評價、規(guī)范適用性判斷分析、現(xiàn)有規(guī)范的適應(yīng)性改造或新評估要求等應(yīng)用性分析，以及必要的驗證分析。

對于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，參考符合GBS 要求的CSR 等規(guī)范要求進行規(guī)范要素水平的相對標(biāo)定，可為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全評估提供相對可靠的方法與衡準(zhǔn)。隨著“經(jīng)驗+經(jīng)典理論+計算理論+管理理論”四位一體規(guī)范體系的日趨完善，船舶結(jié)構(gòu)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫的擴充，以及風(fēng)險分析方法的不斷完善，未來可針對新穎度技術(shù)分值為4 的新穎設(shè)計，開展更靈活的基于風(fēng)險的安全評估方法研究。