HCSR對實船優化設計的影響

堯孝君 黃寶文 范相威 李麗平 付永麗

摘? ? 要：為了滿足 GBS要求，IACS 協調了CSR-OT和CSR-BC的差異，推出了HCSR，取代原先的 CSR。本文從結構布置、承受沖擊載荷的結構、抓斗附加入級標志以及最小厚度要求等方面，分析HCSR和CSR的差別，并舉例82000DWT散貨船優化設計，分析HCSR對散貨船設計建造成本的影響，探討有效的應對措施。

關鍵詞：HCSR；CSR-OT；CSR-BC；結構重量；設計建造成本

中圖分類號：U663.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Influence of HCSR Rules on Real Ship Optimization Design

YAO Xiaojun，? HUANG Baowen，? FAN Xiangwei，? LI Liping，? FU Yongli

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，? Guangzhou? 510715 ）

Abstract： In order to meet the requirements of GBS， IACS coordinated the differences between CSR-OT and CSR-BC， and recommended HCSR to replace the original CSR. This paper analyzes the differences between HCSR and CSR from the aspects of structural arrangement，structures subjected to impact loads， additional class notation of grab and minimum thickness requirements.Taking the upgrading design of 82000 DWT bulk carrier as an example， this paper summarizes the impact of the new codes on the design and construction cost of bulk carrier，and discusses the effective countermeasures in the industry.

Key words： HCSR;? CSR-OT;? CSR-BC;? structural weight;? design and construction costs

1? ? ?前言

HCSR（散貨船油船協調共同結構規范），是IACS（國際船級社協會）響應業界關于統一執行和應用CSR-OT（油船共同規范）和CSR-BC（散貨船共同規范）的要求，協調CSR-OT和CSR-BC在波浪載荷、強度衡準、有限元分析、腐蝕與焊接要求及疲勞強度等方面的差異，同時兼顧IMO GBS（國際海事組織的船舶建造標準）的要求內容，形成一部同時適用于散貨船和油船的共同規范。HCSR迎合IMO對船舶設計建造和航運安全、環保的目標，提高了散貨船和油船的建造要求[1]，使得規范的應用變得更復雜，船舶設計建造的成本隨之增加。

2? ? HCSR編制過程和生效

以IMO GBS為依準，協調CSR的差異，形成HCSR。HCSR適用于船長 90～500 m船舶，以25年作為船舶的使用周期，而CSR-BC的適用范圍為船長 90～350 m，因此HSCR的實施，對超大型散貨船設計建造具有更深遠的影響，HSCR適用于2015 年7 月1 日及以后簽訂的建造合同[2]。

3? ? HCSR對散貨船結構的影響

以某82 000 DWT散貨船為例，在不改變總體布置、基本參數并保留原先結構布置的情況下，分析HCSR對散貨船的優化設計產生的影響。

3.1? ?船的主尺度

總長Loa ? ? ? ? ? ? ? ? 229.00 m

垂線間長Lbp 225.50 m

型寬B ? ? ? ? ? ? ? ? 32.26 m

型深D ? ? ? ? ? ? ? ? 20.05 m

設計吃水 ? ? ? ? ? ? ? ? 12.20 m

結構吃水T ? ? ? ? ? ? ? ? 14.45 m

3.2? ?HCSR的結構對比與設計優化

為了滿足HCSR的要求，對全船的典型結構形式、節點以及典型的尺寸進行分析對比。

3.2.1 首部區域

1）首柱

對于首柱厚度的要求， HCSR較CSR-BC較低。

（1）CSR

式中：SB為水平縱桁、強胸橫梁或等效水平加強構件的間距， m[3]。

（3）對于船首沖擊加強區域強胸橫梁/隔板的凈厚度 tw，HCSR要求不小于：

根據上述公式，實船需要增加水平隔板的板厚。

2）首部平底砰擊區域

CSR-BC 與 HCSR 在首部平底砰擊方面的規定差異較大，體現在船底砰擊范圍和板厚尺寸上。

（1）CSR-BC

平底砰擊區域為艏垂線向后0.2 V? ? 之前的船底平坦區域及從基線起0.05 TB 或 0.3 m（取小者）高度范圍內，即平底砰擊區域大概為首柱向后 45 m、高度 0.3 m。

（2）HCSR

平底砰擊區域為艏垂線向后 0.3 L之前的船底平坦區域及從基線起 0.5 m高度范圍內[4]，即平底砰擊區域大概為首柱向后 67 m、高度 0.5 m。

從兩者對比可以看出：在首部平底砰擊區域的定義方面，HCSR在縱向和垂向的定義都比 CSR-BC 大很多；但在砰擊范圍內的相同坐標處，HCSR計算出的板厚要比 CSR-BC小很多，約有 3～6 mm的差異。因此可以總結為雖然HCSR定義的首部平底砰擊區域范圍較大，但強度要求較CSR-BC低，從而導致按HCSR首部平底砰擊區域的結構重量反而減少了30 t。

3.2.2 尾部區域

HCSR 對于受到螺旋槳激振力的區域的尺寸和端部形式作出了要求[5]：

1）位于螺旋槳以上的艉尖艙、壓載艙或淡水艙內的肋板和桁材的骨材的高度hstf，不應小于：

hstf = 80 lstf ，lstf為骨材長度，對于扁鋼骨材不必大于 5 m；

hstf = 70 lstf ，lstf為骨材長度，對于球扁鋼和有翼板的骨材不必大于 5 m。

上述要求也適用位于縱向延伸介于舵柱前緣和螺旋槳槳轂后端、橫向位于螺旋槳直徑以內區域內的骨材；

2）端部肘板，按以下要求設置：

lstf-t超過 4 m 時，上下兩端應設置端部肘板；

lstf-t超過 2.5 m 時，下端應設置端部肘板。

綜上所述，發現按HCSR部分加強筋不能滿足要求，需要加大尺寸；而對于本身長度較大的加強筋，從結構優化方面考慮不能一味地加大尺寸，故在相應加強筋部位設置了水平筋進行優化。

3.2.3 頂邊艙區域

1）PSM開孔要求

關于甲板結構， HCSR 要求比 CSR-BC 更簡潔，然而有一點需要注意： HCSR 對 PSM 的腹板高度要求當縱骨貫穿孔不封閉時，PSM 腹板高度要大于孔深度的 2.5 倍。原船的頂邊艙強框內，甲板縱骨穿過強框的貫穿孔較大，導致PSM 腹板高度沒有達到HCSR的要求。為此，在相應的貫穿孔增加補板，減少貫穿孔深度，避免PSM腹板高度的加大。

2）PSM 上 ring 周圍的加強筋修改

在HCSR中明確了主要支撐構件翼板凈厚度的要求：

式中：Cf 為翼板的長細比系數，取Cf? = 12。

在原船的設計中，頂邊艙PSM的ring都是加強筋偏裝的加強形式，按照計算， tf =150/12=12.5 mm，采用凈厚度為 12.5 mm的加強筋需要增厚3 mm，不符合結構優化的目的。根據公式分析，可以減小 bf-out 的值來控制加強筋的變化；同時考慮需確保PSM的剖面模數，加強筋的實際尺寸不能變小，可以采取優化加強筋安裝方式來滿足HCSR的要求，將原來的偏筋改成 T 型材面板模式，使得bf-out 取值減半，根據計算可以確定面板厚度維持不變，同時PSM的剖面模數也沒有損失。

3.2.4 雙層底區域

1）雙層底桁材最小厚度

（1）中縱桁： 根據 HCSR最小厚度的要求，雙層底中縱桁在貨艙區內最小厚度為 5.5+0.025xL2=11.05 mm，因此本船 Cl 中縱桁厚度應取 13（11）AH36，比原先的 12（10） AH36 增加 1 mm。

（2）旁縱桁 BL6、10、14：這三條旁縱桁根據 HCSR， PSM 最小厚度要求為 5.5+0.02xL2=9.94，因此本船取13（10）AH36，比原船的 12（9）AH36增加了 1 mm。

旁縱桁 BL6、BL 10、BL 14 上的縱向加強筋，也從原來的 L125x80x10（7）AH，改成L125x75x12（9）AH。

2）加強筋和背肘板

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：第一是考慮到連接面積、趾端大小、是否有背肘板等，保證連接處的應力；第二是考慮縱骨疲勞，根據各種趾端應力系數，結合 Mars 軟件對縱骨的疲勞壽命進行校核[6]。

（1）原船艙6的內底縱骨加強筋處有背肘板，而根據 HCSR 計算，該處背肘板可以取消；

（2）原底邊艙 HL1、 3、 4、 5 處有背肘板，根據 HCSR 計算背肘板也可以取消。

3）抓斗強制要求

HCSR 增加了 BC-A 和 BC-B 船舶的抓斗強制要求。

對具有附加營運特性 BC-A 或 BC-B的船舶，附加標志 GRAB[X]是強制性的，空抓斗重量 X 應不小于：

對于 L≥250 m 的船舶，取 35 t；對于 200 m≤L<250 m 的船舶，取 30 t；其他，取 20 t。

HCSR 的抓斗強制要求對設計影響相當大， 其計算公式也跟CSR-BC 完全不同，內底板計算公式為：

式中：MGR為空抓斗的質量， t。

對于超過 200 m 的船舶，我們以往一般只取25t 的抓斗，現 HCSR 對大型船舶增加了強制抓斗的要求，這將導致內底板、底邊艙斜板以及底墩側板的板厚增加，內底板厚度普遍增加 1～1.5 mm左右，重量共增加約34.5 t。

3.2.5 舷側

1）舷側外板

舷側板材由于 HCSR與 CSR-BC 采取完全不同的方法，因此無論規范計算還是有限元計算，都比原設計更加保守，增加約 2 mm 的板厚。

（1）由于CSR-BC中不強制要求最首艙（1艙）也做有限元分析，而 HCSR 增加了該要求，所以按照HCSR進行校核，初步判斷1艙增量最大；

（2）2、6艙存在部分增量；

（3）3、4、5艙增量較大；

（4）7艙大部分板厚保持和原來一致，有部分板厚減小，總體變化不大。

2）舷側肋骨

舷側肋骨在以載荷模型為基礎，計算出能夠承擔側向壓力的尺寸之后，需驗證其屈曲性能；而由于 HCSR 的算法相比 CSR-BC 修改很多，計算結果相差較大。經過比較發現，絕大多數需要增大尺寸，主要是面板加寬加厚，估算增加重量約 20 t。

3.3? ?全船結構重量統計

結構重量增加是HCSR對船舶設計產生的最大影響，根據重量統計資料， 實行 HCSR的要求后，同一艘船的結構設計重量增加約1.31%，即增加約140 t。此數據僅是理論計算得出的，按照設計經驗，考慮到船東特殊要求和設備基座強度裕度，加上一定的設計余量，增重將增加可能達到200 t左右。

4? ? 結束語

通過對某82 000 DWT散貨船應用與計算，面對HCSR的基本要求、結構設計準則、船體梁結構、直接強度計算要求等，我們可從下述的幾點作為切入點展開相關的工作：

1）加深對HCSR的研究，梳理出一批對結構輕量化設計有幫助的結構設計優化，例如：局部位置縱骨穿過 PSM 連接處的節點形式可以取消背肘板；在首部平底拍擊范圍和板厚尺寸取值方面，HCSR要求的區域變廣，然而強度變低，對減少結構重量有很大的幫助；

2）按照船舶特性，通過優化高強度鋼材的使用范圍，減少相應的零件厚度，從而達到降低結構重量的目的；

3）拓展結構設計思維，從均等布置、縱骨間距優化、主結構布置優化入手，提升結構可靠性，減少結構件數。

參考文獻

[1] Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers [S]. IACS， 2021.

[2]李濤. 關于協調共同結構規范（HCSR）的簡介[J]. 船舶標準化與質量，?2015（01）.

[3]鐘玲艷，姜艷.基于協調共同規范的散貨船結構優化設計[J].中國科技投資， 2016（36）.

[4]相運福. 共同結構規范（HCSR）淺析[J]. 青島遠洋船員學院學報，2014（04）.

[5]金璐.HCSR規范關鍵技術及要點研究分析[J].現代制造技術與裝備，2019（ 03）.

[6]張夢婷，金永興.HCSR對散貨船疲勞強度校核的新要求[J].船舶工程， 2014（ 05）.