IACS共同結構規范2020 RCP1屈曲規范最新進展

中國船級社 呂毅寧

油船散貨船共同結構規范（CSR BC&OT）是IACS各個成員船級社共同建立的一套先進的船體結構規范，是滿足IMO目標型規范要求（GBS）的第一套船體結構規范。該規范是在原有的IACS散貨船共同結構規范（CSR BC）和油船共同結構規范（CSR OT）基礎上，通過盡可能協調對船體結構強度的規范要求而建立的，并于2013年推出。

CSR BC&OT屈曲規范吸收了CSR BC規范中基于DIN 18800（1990）德國工業標準的閉合公式形式的規范公式，基本保留了原有骨材屈曲能力方程，并主要對板的屈曲能力方程進行了改進。數十年來，相關公式在國內外大量船型（包括CSR油船、散貨船以及各船級社吸收CSR規范入級建造的各類型海船以及海工結構等）的屈曲評估中得到廣泛應用，對于保障結構安全發揮了重要作用。

RCP1屈曲規范修改的背景

骨材屈曲能力方程是基于梁柱結構的彈性屈曲，通過考慮二階效應，并將加筋板結構的面內載荷統一等效為側向載荷而建立的。對于骨材帶板的面內軸向應力（σ_x）可以比較精確地考慮，但是對于橫向應力（σ_y）和剪應力（τ）的影響，在等效過程中做了較多的簡化。

近年來，隨著船舶大型化和高強度鋼的廣泛應用，像單舷側散貨船、LNG、LPG的舷側結構以及大型礦砂船（VLOC）的雙層底肋板等一些橫骨架式結構，其橫向應力和剪應力對于結構的屈曲強度起到決定作用，CSR 2020規范公式中的相關簡化導致了一些不合理的評估結果，如圖1所示。

圖1 對于不同骨材間距加筋板結構的屈曲強度分析

此外，對于一些高腹板的加筋板結構，扭轉屈曲強度評估的相關規范公式也需要進一步完善。

IACS PT PH43屈曲規范研究項目組

針對工業界和相關船級社的反饋意見，IACS船體委員會建議開展對規范中骨材屈曲能力方程的深入研究，并與針對各船型屈曲規范協調等專題研究一起成立了專門的PT PH43項目組（Harmonisation of Buckling Requirements in IACS Resolutions）。該項目組由中國船級社（CCS）擔任項目經理，DNV GL、NK、RINA共同參與。

2020年5月， 該 項 目 組 提交的規范修改建議（CSR 2020的RCP1）經IACS船體委員會審核完成后正式提交全球工業界征求意見。中國、日本等造船大國以及國際干散貨船東協會（INTERCARGO）、活躍造船專家聯盟（ASEF）等都積極參與。經過廣泛的意見征求和進一步完善，目前相關規范修改已經得到IACS各船級社技術委員會及工業界的認可。詳細的規范修改建議已經在IACS官方網站發布，并即將于2021年7月1日生效實施。

圖2 IACS PT PH43項目組在北京CCS總部召開第一次技術會議

屈曲規范修改

該規范修改建議主要針對CSR規范第8章第5節中加筋板結構的整體屈曲失效模式和骨材的扭轉失效模式，分別提出了新的屈曲能力計算公式，并對骨材梁柱彎曲失效模式的極限能力方程進行了改進。此次規范修改突出了對理論性方面的要求，針對兩種屈曲失效模式的分析都是基于可靠的力學模型和數學分析方法，并廣泛應用了非線性有限元分析作為驗證手段，提升了規范理論基礎的完備性。因此，對CSR屈曲規范要求和技術背景在文本內容上都做了較多的修改和完善。

圖3 從基于一維梁柱結構的簡化分析模型升級為基于板殼理論的二維分析模型

1、加筋板整體彈性屈曲及骨材梁柱彎曲屈曲失效模式規范修改

針對加筋板結構的整體彈性屈曲失效模式，基于各向異性板理論和板殼結構穩定性分析方法，推導了新的整體彈性屈曲能力方程。相比CSR 2020規范中基于一維梁柱結構的簡化分析模型，板殼結構分析模型與實際的物理結構更接近，從而提高結構屈曲強度評估的精度。

尤其是對于前述一些船型上的典型橫骨架式結構，基于新理論的規范公式對相關結構設計的合理性和安全性保障是一個根本性的提升。圖4是針對某散貨船單舷側結構的整體彈性屈曲強度分析，顯示新規范的評估結果與有限元計算結果一致，并能夠很好地考慮上下端部的邊界約束作用。圖5是針對某舷側結構采用系列不同板厚（凈厚度12mm-18mm）分析結果的比較，顯示隨著板厚逐漸增加CSR 2020規范給出的屈曲評估結果存在較嚴重的趨勢性錯誤，而新規范給出的屈曲能力與有限元計算結果不但趨勢上是一致的，而且數值上也吻合得非常好。

圖4 單舷側散貨船舷側結構的整體彈性屈曲強度分析

圖5 對于某舷側結構采用不同板厚設計時的屈曲利用因子計算結果

2、骨材扭轉屈曲失效模式規范修改

針對加筋板結構的扭轉屈曲失效模式，基于薄壁梁結構的扭轉和翹曲變形分析模型，推導了新的骨材彈性扭轉屈曲強度公式，更新了球扁鋼、角鋼等型材的截面扇形慣性矩，并用實際載荷代替假定載荷重新校準了翹曲應力的計算公式。

針對某高腹板T型材加筋板結構的屈曲強度分析（如圖6）所示，新的規范公式能夠對型材加筋板結構的扭轉屈曲臨界應力和模態進行更精確的計算，尤其是對剛度尺度比較小的骨材以及高腹板加筋板結構設計會有較大的影響。

圖6 某高腹板T型材加筋板結構的扭轉屈曲能力分析

船型影響分析

如前所述，IACS CSR 2020的RCP1對加筋板結構的屈曲評估規范進行了較多的修改，包括對一些重要的規范公式進行了較大的修改。加筋板結構是船體和海工結構的基本組成構件，包括CSR船以及各船級社吸收CSR規范入級建造的各類型海船以及海工結構等可能都會受到一些影響。尤其是對于橫骨架式結構、高腹板加筋板結構等的結構設計可能會產生較大的影響。

IACS PTPH43 針對Handysize、8.2萬噸、18萬噸、21萬噸級等系列散貨船，15萬噸級、VLCC等油船以及部分LNG、LPG、VLOC船體結構進行了規范影響評估，如圖7所示，顯示總體上要求有所降低。在征求工業界意見過程中，項目組又針對一些特定的散貨船艙口間甲板和雙層底縱桁結構設計補充進行了影響評估，如圖8所示，顯示總體上要求有所提高。

圖7 對系列散貨船舷側結構屈曲強度評估的影響分析

圖8 對艙口間甲板和雙層底縱桁結構屈曲強度評估的影響分析

總之，IACS CSR 2020的RCP1對船體結構的屈曲評估將會產生較廣泛的影響。考慮到CSR屈曲規范在國內外大量CSR及非CSR船型中的實際應用，有必要盡快引起船級社和設計單位等更廣泛的重視。由于新的屈曲規范的理論性較強，相關規范計算公式的復雜性有所提高，建議船級社盡早推出相應的規范計算軟件，以方便工業界對新規范的理解和應用。