IACS協(xié)調共同結構規(guī)范的主要變化及影響

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(中國船級社，北京 100007)

2006年國際船級社協(xié)會(IACS)推出了《散貨船共同結構規(guī)范》(CSR BC)和《雙殼油船共同結構規(guī)范》(CSR OT)。這兩本規(guī)范之間存在著諸多不協(xié)調之處，如波浪載荷、尺度要求、直接計算、屈曲和疲勞校核等。IACS于2008年成立工作組，對《散貨船和油船共同結構規(guī)范》進行協(xié)調和修改，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構規(guī)范》，也稱為協(xié)調共同規(guī)范(HCSR)[1-2]。

HCSR規(guī)范將于2015年7月1日正式生效，新規(guī)范的實施勢必帶來一輪新的船型開發(fā)。那么，HCSR相對于CSR BC和CSR OT存在哪些變化，對船舶結構尺寸又有什么樣的影響，這是船舶工業(yè)界關心的問題[3]。限于篇幅，僅就HCSR規(guī)范對結構設計和尺寸要求影響較大者進行整理和概要分析，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)范在以下幾方面進行了修改。

①載荷；②描述性要求；③直接強度分析；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》中各裝載工況的彎矩曲線的包絡值和規(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，該值通常遠遠大于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值作為船體梁靜水剪力，而HCSR要求給出經過剪力修正后的船體梁靜水剪力。這就導致在規(guī)范計算中應用船體梁靜水剪力時，兩本規(guī)范也有所不同。

1)在描述性要求計算中，CSR BC需要對船體梁靜水剪力進行修正，再代入計算；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比

圖2 船體梁垂向波浪剪力對比

1.1.4. 等效設計波

HCSR對等效設計波的參數(shù)、運動加速度、動載荷組合系數(shù)以及動壓力計算都做了大范圍調整。以航速和考慮的浪向為例，對比見表1。

表1 航速和浪向對比

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，對比見表2。

表2 橫浪工況甲板壓力對比

1.2 描述性要求

1.2.1 船體梁強度

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

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

對于完整狀態(tài)下船體梁極限強度校核，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船體梁極限彎曲能力的折減。對BC-A型散貨船的空艙，船體梁極限能力將折減20%以上，可能導致部分散貨船不滿足極限強度要求。

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)、晃蕩載荷的強度要求、船底砰擊強度校核區(qū)域等進行了調整。

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，對比見表3。

表3 最小凈厚度對比

2)縱骨模數(shù)要求。HCSR采用了CSROT的要求，與CSR BC計入船體梁應力和材料屈服強度的方式不同。總體而言，HCSR對縱骨模數(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度要求，方法同CSR OT。對于散貨船的變化，見表4。

表4 晃蕩要求對比

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，擴大了散貨船的砰擊強度校核區(qū)域，見表5。

表5 船底砰擊區(qū)域對比

1.2.3 散貨船特殊要求

1)舷側肋骨上下連接支撐強度。CSR BC取支撐舷側肋骨上下端的縱骨的彈性剖面模數(shù)，而HCSR使用相關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，對于船長大于200 m的散貨船，HCSR要求的板厚有所增加。見表6。

表6 抓斗要求對比(按最小抓斗質量)

當設計的抓斗重量大于規(guī)范要求的最小抓斗重量時， HCSR要求的板厚會有所降低。見表7。

表7 抓斗要求對比 (按相同抓斗質量)

1.3 直接強度分析

1.3.1 艙段評估范圍

HCSR要求對包括最艏艉貨艙在內的所有貨艙區(qū)域進行三艙段模型直接計算強度校核。CSR則是將中部貨艙區(qū)域的評估結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)范對載荷工況進行了大范圍的調整，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個規(guī)范的載荷工況對比見表8。

表8 載荷工況對比

對于船中貨艙，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 艙段評估邊界條件

HCSR增加了計入船體梁轉矩的作用，不再保留平斷面假設，采用端面約束梁模擬船體結構對端部邊界的翹曲約束。

1.3.4 船體梁載荷調整

1)新增船中以外貨艙區(qū)域三艙段模型的彎矩調整方法。

2)新增船體梁扭矩調整方法。

3)剪力調整方法：主要采用CSR BC的通過端部施加同向彎矩調整剪力的方法，同時結合了CSR OT采用強框架施加集中力的方法。

①方法1。模型兩端施加同向彎矩，使得中間貨艙一個艙壁處的剪力達到目標值

②方法2。對于使用方法1調整后，中間艙另一艙壁處剪力超過目標值的情況，采用模型兩端施加同向彎矩，同時在各檔強框架處施加剪力的方法。

1.3.5 模型

HCSR統(tǒng)一了細化網格尺寸的規(guī)定，統(tǒng)一了應力計算所用的腐蝕折減的規(guī)定，見表10。

表10 有限元模型對比

1.3.6 細化網格分析區(qū)域

HCSR采用了CSR OT關于細化網格分析區(qū)域的技術路線，即分為強制細化區(qū)域和篩選細化區(qū)域相結合的方式，但修改了篩選衡準的要求。在此不詳細比較。

1.4 屈曲評估

1.4.1 屈曲評估方法

3個規(guī)范之間的主要區(qū)別見表11。

表11 屈曲評估方法對比

表中，關于邊界條件的兩種方法的區(qū)別是：方法A，單元邊界強制保持直邊；方法B，單元邊界不強制保持直邊。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，但球扁鋼加強筋腹板的長細比要求稍有降低。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、加強筋的屈曲。

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

3)HCSR統(tǒng)一了板和加強筋的屈曲強度校核公式，與CSR差異較大，導致屈曲評估結果的明顯變化。如板的屈曲校核公式對比見表12。

表12 屈曲校核公式對比

4)HCSR對一些細節(jié)的規(guī)定做了調整。以加強筋屈曲的有效軸向應力取值為例，見表13。

表13 加強筋屈曲的軸向應力

在HCSR中，beff1通常小于s，這就導致加強筋的有效軸向應力增大，使得加強筋的屈曲計算結果變差。

1.4.4 直接計算屈曲要求

HCSR在屈曲強度校核修改較大，限于篇幅，在此僅列出重要的修改說明。

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

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在校核的構件、載荷、參考應力及非矩形板格等效方法等方面進行了調整。見表14。

表14 直接計算屈曲要求對比

4)HCSR對槽型艙壁的屈曲、單舷側散貨船舷側外板的屈曲以及開孔的主要支撐構件的腹板屈曲的評估方法做了修改和完善。例如，對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比

1.5 疲勞強度校核

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 疲勞載荷對比

1.5.2S-N曲線

HCSR在計算疲勞累計損傷時，引入了空氣中(有涂層保護)和腐蝕環(huán)境中(無涂層保護)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)境會使得計算得到的疲勞壽命大幅降低。

1.5.3 簡化應力法

HCSR簡化應力法校核所用的幾何應力集中系數(shù)由CSR OT轉換得來，與CSR BC差異較大。以圖3節(jié)點形式中的A點為例進行對比。

圖3 對比節(jié)點圖示

HCSR與CSR BC的幾何應力集中系數(shù)見表17。

表17 應力集中系數(shù)對比

HCSR幾何應力集中系數(shù)的提升，將導致計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疲勞應力范圍的影響。對于軋制和擠壓成型的板和型材，以及經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，將導致疲勞壽命較CSR有所降低。

1.5.5 應力處理

1)對于有限元疲勞校核，HCSR采用熱點應力，與CSR OT相同，而CSR BC采用切口應力。兩種應力與名義應力的對比見圖4。

圖4 名義應力、熱點應力、切口應力對比

通常來講，切口應力大于熱點應力，因此該變化對改善BC的疲勞壽命是有利的。

2)HCSR的平均應力修正方法和熱點應力的插值方法都做了調整。與CSR BC和CSR OT的差異較大。這會對疲勞壽命有較大的影響。

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

2 實船評估

IACS通過對17型系列散貨船和油船進行規(guī)范評估計算對比，評估了HCSR規(guī)范帶來的影響。

計算評估內容如下。

1)描述性要求。船中貨艙、最艏貨艙、最艉貨艙、艏尖艙、機艙和艉尖艙。

2)直接計算分析。船中貨艙、最艏貨艙和最艉貨艙

3 實船的結果影響

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

3.1 船體梁強度

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

2)船體梁殘存強度。CA結果中所有評估船型均滿足要求，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)。部分結構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、機艙的舷側外板，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。對散貨船，HCSR對內底和底邊艙斜板的要求可提高0.5～1.5 mm，對船底、內底、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對板厚的要求降低，但對縱骨的模數(shù)要求提高。

對于油船，HCSR對內底板、底邊艙斜板以及內殼、縱艙壁和橫艙壁的上部板厚要求提高0.5～3.0 mm，對甲板，以及縱艙壁、內殼、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，HCSR的要求則有所提高。

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

3.3 有限元屈服校核

一般情況下，按照CSR規(guī)范設計的船，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

對于散貨船，單舷側散貨船舷側處的屈曲要求有所提高。

對于油船，縱艙壁和內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、雙層底實肋板。

2)油船。底邊艙斜板、內殼上部、縱艙壁上部、雙殼水平桁、雙層底實肋板。

3.5 簡化法疲勞

對于Capesize型散貨船，頂邊艙內的甲板、頂邊艙斜板和舷側縱骨疲勞壽命可能不滿足。

對于VLCC、Suezmax、Handymax等油船，船底和舷側縱骨疲勞壽命可能不滿足。

4 結論

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

2)HCSR規(guī)范的理論背景和技術路線更趨完善。

3)總體來說，HCSR對局部結構尺寸的要求既有提高的部分，也存在降低的部分。這就需要設計時進行優(yōu)化，以便在滿足HCSR規(guī)范要求的前提下，設計出更優(yōu)秀的船型。

4)HCSR對計算工作量的要求大幅提高，特別是直接強度分析的計算工作量。

[1] 國際船級社協(xié)會.IACS散貨船結構共同規(guī)范(中文)[S].中國船級社，譯，北京：中國船級社，2006.

[2] 國際船級社協(xié)會.IACS雙殼油船共同結構規(guī)范(中文)[S].中國船級社，譯，北京：中國船級社，2006.

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