HCSR 對81 200 DWT 散貨船設計的影響

李麗平，項靈平，黃寶文，劉 亞

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 511462）

1 前言

散貨船和油船協調共同結構規范（HCSR）是國際船級社協會（IACS）響應業界關于統一執行和應用油船共同規范（CSR-OT）和散貨船共同規范（CSR-BC）的要求，協調這兩份規范在載荷、屈曲和極限強度、有限元分析、疲勞強度和焊接等多方面的差異，并增加國際海事組織IMO 的目標型船舶建造標準GBS 的要求內容，形成一本同時適用于散貨船和油船的共同規范，并引入了許多新概念和要求以確保船舶的完整性安全，加大了規范的通用性和復雜性。HCSR 的推行，加大了對新船型開發的難度，增加了結構冗余、剩余強度等新要求，船舶建造和營運的成本必然隨之增加。

2 HCSR 編制過程和生效

CSR-BC 和CSR-OT 在諸多方面仍有很多不一致的地方，尤其是關于波浪載況等基礎問題方面，散貨船和油船承受的海況是完全相同的，然而規范卻是不同的。諸如此類的不合理性，催生了將散貨船和油船規范進行協調統一的想法。IACS 按照IMO GBS 要求，對共同結構規范進行研究，歷經8 年研究出臺了最新的共同結構規范（HCSR），完成了對載荷、屈曲和極限強度、有限元分析、疲勞強度和焊接等多方面的規定性規范要求的協調，該規范對2015 年7 月1 日以后簽合同的船舶強制生效。

3 CSR 與HCSR 的差異

HCSR 是散貨船共同規范（CSR-BC）和油船共同規范（CSR-OT）的綜合體，同樣尺度的船型，在改為滿足HCSR 以后，其結構重量會有所增加。HCSR 的內容分為兩部分，第一部分是散貨船和油船的共同需要滿足的要求，主要體現在載荷、屈曲和極限強度、有限元分析、疲勞強度和焊接等方面；第二部分分別闡述了散貨船和油船各自需要額外滿足的要求。

HCSR 實際運用到設計中時，對船廠最直觀的影響體現在有限元計算、最小厚度要求、屈服強度評估、屈曲強度評估以及疲勞強度評估。

3.1 有限元分析

（1）有限元模型范圍

縱向范圍：包括三個貨艙長度（含橫艙壁）；

橫向范圍：包括左舷和右舷；

垂向范圍：包括上甲板以上的主要支撐構件、管道、首樓和艙口圍板，不包括作為機械區域的上層建筑或甲板室和舷墻。

（2）有限元分析方法

采用HCSR 的分析衡準，取消CSR-OT 高級屈曲分析的方法。

（3）邊界條件

HCSR 保留了點約束，增加了通過兩端部剖面的中縱剖面和內底板的交點來約束X 方向的方法和端面梁約束新概念；與CSR 在獨立點上約束X 方向線的方法相比，HCSR 的方法既保證結構的支撐力和艙段的約束，還減少獨立點的影響。

3.2 最小厚度要求

HCSR 在協調CSR-BC 和CSR-OT 在最小厚度方面的差異時，為了確保協調后的最小厚度均能滿足CSR 的要求，同一構件的要求取兩個規范中的大者。

3.3 屈服、屈曲及疲勞評估

（1）HCSR 船體梁正應力評估方法與CSR-BC 相似，采用不同工況進行校核評估，但兩者選取的工況不同：CSR-BC 采用完整工況、港內工況和進水工況進行校核評估；而HCSR 采用完整航行、完整在港及進水航行工況進行校核評估；

（2）在屈曲評估方面，CSR-BC 僅對板的屈曲進行了評估，HCSR 則不僅是對板，而且對骨材也進行了屈曲評估；

（3）在疲勞載荷強度方面，HCSR 與CSR 的差別在于：HCSR 借鑒CSR-OT 引入了設計載荷組的概念，而CSR-BC 沒有。

4 HCSR 對船體結構的影響

HCSR 提高了散貨船的建造標準，改變了原有船型和設計理念，對設計和生產造成較大影響，并對船用鋼材提出了許多新的要求。船用鋼材是造船生產的先導，承接符合HCSR 的船舶，需要關注HCSR 對船用鋼材應用的影響。

4.1 81 200 DWT 散貨船主尺度

總長Loa 229.00 m

垂線間長Lbp225.50 m

型寬B 32.26 m

型深D 20.05 m

設計吃水 12.20 m

結構吃水 14.45 m

4.2 中橫剖面的設計

（1）雙層底高度

在CSR-BC 中對貨艙雙層底高度dDB的要求是：除另有規定外，雙層底的高度應不小于B/20 或2 m，取小值。根據82 000 DWT 散貨船型寬B=32.26 m 計算，雙層底高度不能低于1.613 m；但在HCSR 中，船長150 m 及以上，一個或多個貨艙裝載壓載水的散貨船，雙層底高度不小于： 。

目前81 200 DWT 散貨船的雙層底高度為1.7 m＜1.75 m，但是也滿足若girder 和floor 距離不太大可以折減的要求，具體折減方法HCSR 沒有給出，但根據設計院經驗判斷是符合HCSR 的，如下圖1 所示。

圖1 雙層底高度圖

（2）抓斗對貨艙內底的影響

HCSR 增加了BC-A 和BC-B 的船舶的抓斗強制要求，對結構設計影響很大，共同規范中有如下描述：對具有[3.2.1]所述附加營運特性BC-A 或BC-B 之一的船舶，附加標志GRAB[X]是強制性的，對于這些船舶應符合HCSR 中Part 2、Chaper 1、Section 6 中規定的GRAB[X]附加標志要求。81 200 DWT 散貨船的船長Lbp=225.5 m，按要求需要配30 噸的抓斗，相較于以往配備的25 t 抓斗，按HCSR 要求配備了30 t 抓斗后導致了原內底板、底邊艙斜板和底墩側板等處的板厚普遍增加1～1.5 mm 左右。

（3）頂邊艙PSM 開孔

PSM 高度不得小于開孔的2.5 倍。本船頂邊艙強框內，甲板縱骨穿過強框的地方有部分縱骨原先沒有補板，導致開孔過大，因此增補了肘板。

（4）頂邊艙PSM 上ring 周圍的加強筋

82 000 DWT 散貨船的頂邊艙ring 都是設計成加偏筋加強的形式，如圖2 所示。

圖2 頂邊艙CSR-BC 要求

根據HCSR Ch8 Sec2 Slenderness Requirement 4.PSM的要求，本船不滿足的厚度要求。若按照原有的加強筋FB150*14（9.5）計算，tf=150/12=12.5，采用凈厚度為12.5 的加強筋顯然不合理，因此只能減小bf-out 的值；另外，由于不能過分減小PSM 的模數，最簡便的方法就是將原來的偏筋改成T 型材面板模式，使得bfout 取值減半，這樣面板厚度可以維持不變，模數也沒有損失，如圖3 所示。

圖3 頂邊艙HCSR 要求

（5） 縱向骨材和背肘板問題

對于縱骨穿過PSM 連接處的節點形式，在規范計算中主要考慮兩方面問題：第一方面是CH3 Sec6，考慮到連接面積、趾端大小、是否有背肘板等方面，保證連接處的應力；第二方面是考慮縱骨疲勞，根據Pt1 Ch9 Sec4 Table4 的各種趾端應力系數，結合Mars 軟件對縱骨的疲勞壽命進行校核。

82 000 DWT 散貨船設計中，CH6 的內底縱骨加強筋處有背肘板，如圖4 所示。

圖4 內底縱骨CSR-BC 要求

根據HCSR 計算，該處背肘板可以取消,如圖5所示。

圖5 內底縱骨HCSR 要求

另外，原頂邊艙斜板DL4、5 處有背肘板，底邊艙HL1、3、4、5 處有背肘板，根據HCSR 計算，背肘板也可以取消。

4.3 焊接要求

HCSR 明確規定了普通雙面連續焊的適用范圍，不要求連續焊的區域可以采用間斷焊，補充了全焊透的范圍，具體了深熔焊的位置要求；HCSR 中的焊腳高度計算系統與CSR-BC 完全不同，HCSR 并不是區分F1、F2 等，而是直接在公式中引入各種系數,并列表將系數與結構進行對應。

4.4 全船重量統計

重量影響是HCSR 對于散貨船設計產生的最大影響，本船的重量統計方法，主要采用了手工統計（貨艙區主要縱向構建）、軟件統計和估算增量。

（1） CSR-BC 理論設計，全船結構重量為10 720 t（不含焊接）；

（2）由于Grab 的影響，內底增重是全船較大的增重項目，約增重45 t；

（3）由于buckling 原因，舷側外板約增重50 t；

（3） 船底板由于前兩艙平底拍擊對板厚要求有所降低，可以減少重量約35 t；

（4）增量中含余量，余量主要是指腐蝕余量。

由于本項目為第一次進行 HCSR 計算，方法和經驗仍有很多不足之處，因此本著保守客觀的態度，認為全船重量增加控制在210 t 以內是一個比較客觀負責的結論，即結構重量增加約1.95%。

5 結束語

通過對81 200 DWT 散貨船應用與計算，總結CSR和HCSR 的差別，從HCSR 的基本要求、結構設計準則、船體梁結構、直接強度計算等方面，分析論證實船建造中需要面臨的新要求、新改進，以及對造船成本等的影響，可以看出HCSR 實施后加大了新船型的開發和設計難度。為了減少設計工作量和返工量，保證圖紙質量，提高設計人員對HCSR 理解能力，提前熟悉和理解HCSR 的要求對后續的船舶設計建造有著重要的意義，為后續產品提供了寶貴經驗。