散貨船CSR與HCSR設(shè)計(jì)對(duì)比

高占峰，廖耀輝，賀德陽(yáng)，趙志堅(jiān)

（中遠(yuǎn)船務(wù)技術(shù)中心，大連 116600）

0 引言

國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）的共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR）在2006年4月推出后，是我國(guó)船舶工業(yè)設(shè)計(jì)建造水平迅速提升，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，僅僅五年時(shí)間，一躍成為世界第一造船大國(guó)。現(xiàn)如今，IACS在CSR基礎(chǔ)上開發(fā)的協(xié)調(diào)后的共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（HCSR）已有初稿問世，介于過去發(fā)展趨勢(shì)，這很可能是我國(guó)船舶工業(yè)由第一大國(guó)到強(qiáng)國(guó)發(fā)展的最佳時(shí)機(jī)。

1 概述

IACS近來年傾情打造的協(xié)調(diào)共同規(guī)范(HCSR),是將油船和散貨船結(jié)構(gòu)共同規(guī)范（CSR）合成為一本結(jié)構(gòu)規(guī)范協(xié)調(diào)共同規(guī)范（HCSR），HCSR的要求不低于目前油船和散貨船CSR的要求。其增加了IMO GBS對(duì)規(guī)范的要求內(nèi)容，如剩余強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)冗余度等，形成一本具有共同規(guī)范要求部分加基于船型特點(diǎn)要求部分的綜合規(guī)范。2012年7月1日對(duì)外發(fā)布第一版HCSR草稿。2012至2013年，IACS和工業(yè)界將對(duì)HCSR草稿進(jìn)行討論。2013年6月30日，IACS理事會(huì)將正式批準(zhǔn)最終的HCSR，2014年，HCSR將正式生效（圖1）。HCSR對(duì)業(yè)界產(chǎn)生的影響是:規(guī)范應(yīng)用將更復(fù)雜，新船型開發(fā)和設(shè)計(jì)難度將加大，增加人為因素、結(jié)構(gòu)冗余、剩余強(qiáng)度等新要求，這必將會(huì)提高船舶營(yíng)運(yùn)和建造的成本。

協(xié)調(diào)共同規(guī)范（HCSR）主要針對(duì)油船和散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范在波浪載荷、屈曲計(jì)算方法、有限元計(jì)算方法、腐蝕余量、焊接要求、疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法、營(yíng)運(yùn)要求、規(guī)定性要求等方面的不協(xié)調(diào)問題或業(yè)界有較大爭(zhēng)議問題，通過項(xiàng)目組“長(zhǎng)期”的協(xié)調(diào)工作，建立起新框架結(jié)構(gòu)下的協(xié)調(diào)后共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（HCSR）（圖2）。

圖1 HCSR規(guī)范執(zhí)行時(shí)間表

圖2 CSR和HCSR規(guī)范組織結(jié)構(gòu)

圖3 Fr127剖面及FR111橫艙壁規(guī)范計(jì)算模型

2 規(guī)范計(jì)算研究?jī)?nèi)容

中遠(yuǎn)船務(wù)技術(shù)中心根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及即將生效的規(guī)范規(guī)則已經(jīng)做了大量的研究。本文是介紹運(yùn)用日本船級(jí)社今年7月發(fā)布的HCSR規(guī)范計(jì)算軟件PrimeShip-HULL HCSR，對(duì)目前交付及在建的35k DWT散貨船進(jìn)行符合HCSR的規(guī)范計(jì)算。本文主要從船體梁彎曲強(qiáng)度剪切強(qiáng)度規(guī)范校核、船體梁極限強(qiáng)度規(guī)范校核、局部強(qiáng)度及最小厚度要求規(guī)范校核、船體梁屈曲規(guī)范校核等四個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算并比較。

2.1 船體梁彎曲強(qiáng)度剪切強(qiáng)度規(guī)范校核

船體梁總強(qiáng)度校核是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的一項(xiàng)重要內(nèi)容，包括船體梁的彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度的校核。各家船級(jí)社的總強(qiáng)度校核要求都是基于國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）的UR S11要求。

35k DWT散貨船是廣東中遠(yuǎn)船務(wù)在建的實(shí)船項(xiàng)目，是中遠(yuǎn)船務(wù)技術(shù)中心及廣東中遠(yuǎn)船務(wù)技術(shù)部自主設(shè)計(jì)、具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型設(shè)計(jì)。目前已交付1條船，已經(jīng)得到船東的一致認(rèn)可，并且多條船正在建造。本文根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)建造情況，選擇具有代表性的FR127剖面及Fr111橫艙壁進(jìn)行研究（圖3）。

通過日本船級(jí)社規(guī)范計(jì)算軟件計(jì)算比較（圖4），可以看出在35k DWT散貨船校核中，HCSR規(guī)范比現(xiàn)行的CSR規(guī)范總強(qiáng)度要求略大，但變化不大。中遠(yuǎn)船務(wù)設(shè)計(jì)的35k DWT散貨船滿足HCSR規(guī)范的船體梁彎曲強(qiáng)度要求。

HCSR規(guī)范對(duì)船體梁剪切強(qiáng)度的要求反映在剪力設(shè)計(jì)值的具體要求上。通過計(jì)算比較，HCSR規(guī)范在剪切強(qiáng)度相對(duì)于CSR規(guī)范，要求值變化不大，但35k DWT散貨船在HCSR中具有的剪切強(qiáng)度減小約4.5%。由此我們可以得出結(jié)論:HCSR規(guī)范對(duì)船體結(jié)構(gòu)的腐蝕余量的要求高于CSR規(guī)范，這就造成船體結(jié)構(gòu)的凈厚度變小，行之有效辦法是增加建造厚度，必然造成船體結(jié)構(gòu)增加，造船成本增加。35k DWT散貨船在FR127剖面的剪切強(qiáng)度滿足HCSR規(guī)范的要求（圖5）。

表4 船體梁彎曲強(qiáng)度規(guī)范校核

表5 船體梁剪切強(qiáng)度規(guī)范校核

表6 CSR與HCSR航行工況下的極限強(qiáng)度

2.2 船體梁極限強(qiáng)度規(guī)范校核

船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度評(píng)估對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)和維修都非常重要 ,因此船體梁極限強(qiáng)度研究成為近幾十年來船舶工程界的熱點(diǎn)研究課題之一。通過計(jì)算比較（圖6，圖7），極限強(qiáng)度的計(jì)算要求變化很大，而且在35k DWT散貨船極限強(qiáng)度上，HCSR要求更加嚴(yán)格，提高要求約為14.5%。35k DWT散貨船新的設(shè)計(jì)滿足HCSR規(guī)范的要求。

2.3 局部強(qiáng)度及最小厚度規(guī)范校核

船體局部強(qiáng)度是不涉及船體總縱強(qiáng)度的局部結(jié)構(gòu)抵抗外力的能力，局部強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的外力是局部力。

保證船體局部強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)幾乎包括船體的每一局部結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，如板架強(qiáng)度、艙壁強(qiáng)度結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。船舶的總體強(qiáng)度雖然重要,個(gè)別構(gòu)件的局部強(qiáng)度也不能忽視。比較圖8的計(jì)算結(jié)果，可知HCSR規(guī)范的要求并不是一律增加，也有優(yōu)化減小部分，但絕大部分是板厚構(gòu)件尺寸增加。

計(jì)算過程中注意到HCSR最小厚度要求t_net=3.5+ 0.015L（t_net為規(guī)范要求的凈厚度），比CSR規(guī)范要求增加0.5mm，這將導(dǎo)致散貨船空船重量增加。

2.4 船體梁屈曲強(qiáng)度規(guī)范校核

裝屈曲破壞是結(jié)構(gòu)失效的主要形式之一，隨著高強(qiáng)鋼的大型船舶結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，使船體梁屈曲強(qiáng)度問題在大型船舶中尤為突出。通過下面板材和加強(qiáng)筋的屈曲強(qiáng)度校核，可知:HCSR在板材雙層底部分要求更加嚴(yán)格，但水線附近的要求不如CSR要求高（圖9（a），（b））；加強(qiáng)筋的要求變化不大，但在甲板處，HCSR的要求比CSR要求更高（圖9（c），（d））。

表7 CSR與HCSR港內(nèi)工況下的極限強(qiáng)度

表8 CSR（a）（c）與HCSR（b）（d）最小厚度要求及局部強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表9 CSR（a）（c）與HCSR（b）（d）船體梁屈曲強(qiáng)度規(guī)范計(jì)算結(jié)果

3 規(guī)范計(jì)算結(jié)論

從目前HCSR進(jìn)展情況來看，結(jié)合工業(yè)界對(duì)CSR的具體意見，可以預(yù)計(jì)未來HCSR對(duì)船舶總體結(jié)構(gòu)來說不會(huì)產(chǎn)生很大影響，比如，空船重量的變化應(yīng)該可以基本控制在1%以內(nèi)，更多的變化體現(xiàn)在因規(guī)范局部要求的變化而導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)局部的改變。眾所周知，船舶工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，往往是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，產(chǎn)品局部的改變通常會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)流程，所以，HCSR的影響重在應(yīng)用方面。

[1]IACS. Common Structure RuleBulk Carrier.Presentation to Chinese Shipbuilders[S]. 2012.

[2]IACS. Harmonized Common Structure Rule[S]. 2012.