UR S11A及UR S34对超大型集装箱船结构设计的影响

徐义刚，韩 钰，李丹丹，陈 磊

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

UR S11A及UR S34对超大型集装箱船结构设计的影响

徐义刚，韩 钰，李丹丹，陈 磊

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

比较国际船级社协会（International Association of Classification Societies，IACS）制定的针对集装箱船总纵强度评估的标准“UR S11A”与集装箱船有限元强度评估工况的最低要求“UR S34”的差异，主要比较总纵强度评估方法、垂向波浪弯矩和垂向波浪剪力公式的差异。结合中国船舶及海洋工程设计研究院自主开发设计的某2种类型超大型集装箱船，计算分析UR S11A对集装箱船3个典型位置（船体0.25L，0.50L和0.75L处）纵向结构构件尺寸的影响，特别是对剪切强度的影响。同时，介绍UR S34的一些关键内容。

UR S11A；UR S34；集装箱船；总纵强度；垂向波浪弯矩；垂向波浪剪力

0 引 言

2007年和2013年发生的2起与船体梁强度有关的集装箱船海损事故引起了国际海事界的广泛关注，促使国际船级社协会（International Association of Classification Societies，IACS）重新制定针对瘦长型船舶的总纵强度校核标准。IACS基于大量实船数据，应用目前较为成熟的计算理论和方法，借鉴当前主流船级社规范和共同规范的思想及方法，制定出针对集装箱船总纵强度评估的标准“UR S11A”和采用有限元方法进行集装箱船强度评估的最低要求“UR S34”[1]，并从2016年7月1日起正式实施。为此，主要研究UR S11A和UR S34的实施对超大型集装箱船结构设计的影响。

1 UR S11A与UR S11的差异

UR S11A相关规定适用于集装箱船0.20L~0.75L内的总纵强度校核，包括屈服强度、屈曲强度、船体梁刚度和极限强度。

1.1 总尺度和净尺度差异

IACS先前的总纵强度校核标准UR S11是基于船体结构的总尺度校核船体梁总纵强度（屈曲强度校核除外），而 UR S11A则是基于船体结构的净尺度校核船体梁总纵强度。船体结构的净尺度由计算式tnet= tas_build- tvol_add- atc得到，各种强度校核类别下的腐蚀余量系数a见表1。

表1 各种强度校核类别下的腐蚀余量系数

1.2 许用应力差异

在UR S11中，船体梁弯曲强度的校核对象为船体梁的剖面模数，船体梁剪切强度的校核对象为纵向构件的板厚，正应力和剪应力的许用应力衡准分别为175/k及110/k。在UR S11A中，船体梁弯曲强度的校核对象为船体梁的正应力，船体梁剪切强度的校核对象为剪应力，对应的许用应力衡准分别为190/k及120/k。由此可看出，UR S11A引入了共同结构规范（Common Structural Rules，CSR）中采用净尺度校核船体梁强度的理论，许用应力衡准也与CSR保持一致[2]，高于采用总尺度校核船体梁屈服强度的UR S11的许用应力衡准。

1.3 波浪载荷差异

UR S11对不同类型的船舶规定相同的垂向波浪载荷计算公式，这对散货船和油船等肥大型船舶来说比较适用，而对集装箱船等瘦长型船舶不太适用。因此，UR S11A进行诸多实船波浪载荷预报，并回归针对集装箱船垂向波浪载荷的计算公式。对集装箱船影响较大的中拱波浪弯矩和剪力的计算式为

集装箱船总纵强度一般由中拱工况决定，中垂工况可通过调整中垂静水弯矩来降低UR S11A的影响。UR S11A对集装箱船结构尺寸有直接影响的是中拱波浪弯矩的增大、船体后半部分正剪力的增大和船体前半部分负剪力的增大，这3个波浪载荷均与。对于大部分集装箱船来说，有关，而，因此大部分集装箱船的中拱波浪弯矩可表示为

由式(4)可知，船舶主尺度中影响集装箱船垂向波浪弯矩的主要因素是船长、型宽和方形系数，其中，船长的影响因子有所增大，船宽的影响因子有所减小，方形系数的影响因子不变。与UR S11不同的是，UR S11A中结构吃水对中拱波浪弯矩也有一定的影响。

船体后半部分正剪力和船体前半部分负剪力可表示为

由式(5)和式(6)可知，船体后半部分的波浪剪力也受结构吃水处的水线面系数的影响。

1.4 其他方面的差异

1) 关于船体梁屈曲强度校核：UR S11首先基于总尺度计算船体梁应力，基于净尺度计算板格的临界屈曲应力，然后分别校核板格在船体梁剪切应力和船体梁纵向压应力作用下的屈曲能力；UR S11A首先基于净尺度计算船体梁应力和板格临界屈曲应力，然后校核板格在船体梁剪切应力和船体梁纵向压缩应力联合作用下的屈曲能力，这与CSR BC中的船体梁板格屈曲强度校核是一致的[2]。

2) 关于船体梁的刚度要求：UR S11只要求船中处的船体梁垂向惯性矩不小于规范要求值，且规范要求值只与船体主尺度有关；UR S11A不仅对船中处的惯性矩有要求，对船体0.20L~0.75L内的惯性矩均有要求，其规范要求值与船体主尺度和船体梁载荷均有关，船体梁载荷越大，船体垂向惯性矩要求值也越大。

3) 与UR S11相比，UR S11A增加了船体梁极限强度校核，其方法与主流船级社的规范相同，只是安全许用因子有所不同[3-5]。此外，对于船宽>32.26m的集装箱船，UR S11A增加了屈服强度、屈曲强度和极限强度评估的补充要求，其中：极限强度评估需根据相应的船级社规范，考虑砰击振动对垂向弯矩的影响；屈服强度和屈曲强度评估需根据相应的船级社规范，考虑波浪扭矩、水平波浪弯矩和货物静扭矩等附加船体梁载荷。

2 UR S11A对超大型集装箱船的影响分析

结合中国船舶及海洋工程设计研究院开发设计的21000TEU和11800TEU超大型集装箱船实船（以下简称为：实船A及实船B），计算分析UR S11A对集装箱船结构设计的影响。针对这2种类型集装箱船，选取3个典型位置（船体0.25L，0.50L和0.75L处）的剖面进行计算分析，船舶主要参数见表2。

表2 实船A和实船B主要参数 m

2.1 实船A结果及分析

UR S11和UR S11A计算出的垂向波浪弯矩分布见图1。相较于UR S11，UR S11A计算出的船体0.50L处的垂向弯矩变化百分比见表3。

表3 船体0.50L处的垂向弯矩变化百分比 %

超大型集装箱船的总纵强度一般由中拱工况决定，同样A船的中拱垂向静水弯矩也远大于其中垂垂向静水弯矩，因此A船中横剖面尺寸由中拱工况决定。基于同一剖面构件尺寸，比较UR S11A对A船中横剖面模数和惯性矩裕度的影响。由于中拱工况下的总垂向弯矩只增大了4.3%，因此UR S11A对中横剖面尺寸的影响并不大，结果见表4。甲板处剖面模数裕度增大而船底处剖面模数裕度减小，这主要是因为UR S11A采用净尺度校核船体梁强度，甲板结构扣除的腐蚀余量较少而船底结构扣除的腐蚀余量较多，使得船体梁中和轴上移。此外，计算结果表明UR S11A对该船船体0.50L处的船体梁屈曲强度影响较小，无需明显增加结构板厚。

表4 船体0.50L处船体梁剖面特征裕度变化百分比 %

UR S11和UR S11A计算出的垂向波浪剪力分布见图2。相较于UR S11，UR S11A计算出的船体0. 25L和0.75L处的垂向剪力变化百分比见表5。

表5 UR S11A计算出的船体0.25L和0.75L处的垂向剪力变化百分比 %

船体梁任意剖面的剪切强度是由剖面总垂向正剪力和总垂向负剪力的绝对值中的大者决定的，集装箱船垂向静水剪力一般在船体0.25L处为正剪力、在船体0.75L处为负剪力。因此，对 A船船体梁剪切强度起决定性作用的剪力在船体0.25L处为波浪正剪力，在船体0.75L处为波浪负剪力。

在A船船体0.25L和0.75L处分别选取一个剖面，计算UR S11A对此处结构尺寸的影响，结果见图3。船体0.25L处较大范围内的内壳板厚需增加1~2mm，主要原因是UR S11A中垂向波浪剪力的增大导致内壳板上的剪应力增大，这些位置的内壳板不满足屈曲强度要求；船体 0.75L处部分船体外板和内壳板板厚需增加0.5~4.5mm，板厚增加较多的原因是外板和内壳板上的剪切应力超出UR S11A中船体梁剪切应力许用值，需通过增加外板和内壳板板厚来提高此处的船体梁剪切强度。

2.2 实船B结果及分析

相较于UR S11，UR S11A计算出的船体0.50L处的垂向弯矩变化百分比见表6。

表6 UR S11A计算出的船体0.50L处的垂向弯矩变化百分比 %

B船船体0.50L处的总垂向弯矩在中拱工况下只增大4.2%。 UR S11A对B船中横剖面模数和惯性矩的影响见表7。在不考虑满足UR S11A和考虑满足UR S11A时，Us的最大值分别为0.856和0.933，极限强度均满足规范的要求，因此UR S11A中船体梁极限强度的要求没有增加船中处的结构尺寸。船体内壳上部分板由于船体梁正应力增大导致屈曲强度不满足要求，板厚需增加0.5~1.0mm（见图4）。

表7 船体0.50L处船体梁剖面特征裕度变化百分比 %

相较于UR S11，UR S11A计算出的船体0. 25L和0.75L处的垂向剪力变化百分比见表8。

表8 UR S11A计算出的船体0.25L和0.75L处的垂向剪力变化百分比 %

同样在B船船体0.25L和0.75L附近分别选取一个剖面，计算UR S11A对此处结构尺寸的影响，计算结果见图5和图6。船体0.25L处部分内壳板由于剪切应力增大导致屈曲强度不满足要求，板厚需增加1.0~1.5mm。船体0.75L处部分内壳板由于剪切应力增大导致屈曲强度不满足要求，板厚需增加 0.5~1.0mm；而部分外板上的剪切应力大于UR S11A中船体梁剪切强度许用值，需通过增加外板板厚来提高船体梁剪切强度，外板板厚增加1.5~4.0mm。

3 UR S34主要内容

UR S34是在采用有限元方法进行集装箱船强度评估时对载荷工况的最低要求，包括全船有限元分析和舱段有限元分析。UR S34要求有限元强度评估的垂向波浪弯矩与UR S11A一致，其他船体梁载荷和局部载荷与相应的船级社规范一致。

关于舱段有限元分析，UR S34规定了几种必须评估的装载工况（见表9），装载手册中的装载工况若认为有必要也需进行评估。同时，需考虑2种波浪载荷工况，其中：在迎浪工况下产生最大的中拱垂向波浪弯矩和中垂垂向波浪弯矩；在横浪工况下产生最大的横摇运动，但在某些装载工况下可不用考虑横浪工况。

表9 UR S34中舱段有限元分析必须评估的装载工况

关于全船有限元分析，UR S34规定装载工况与装载手册和相应的船级社规范一致。波浪载荷工况分别考虑垂向波浪弯矩、水平波浪弯矩和波浪扭矩最大时的波浪载荷组合。

4 结 语

UR S11A为针对集装箱船总纵强度校核的规范，借鉴了当前主流船级社规范和共同规范，例如，采用净尺度校核船体梁强度，校核正应力和剪应力联合作用下的板格屈曲强度，增加船体梁极限强度校核。UR S11A给出适用于集装箱船垂向波浪弯矩和波浪剪力计算的公式。根据2种类型超大型集装箱实船的计算结果，得出以下结论：

1) 由于集装箱船的总纵强度一般是由中拱工况决定的，因此UR S11A对集装箱船结构尺寸有直接影响的是船体中拱波浪弯矩的增大、船体后半部分正剪力的增大和船体前半部分负剪力的增大，其中，船体中拱波浪弯矩约增大9%，船体后半部分正剪力和船体前半部分负剪力分别增大50%左右。

2) 中拱波浪弯矩的增大对这2种类型集装箱船中横剖面模数和惯性矩的影响都非常小，在同一剖面尺寸下，甲板处剖面模数裕度增大<1%，船底处剖面模数裕度减小<3%，船体梁惯性矩裕度增大<2%，其中B船小范围内的内壳板由于船体梁屈曲强度不满足要求，板厚需增加0.5~1.0mm。此外，UR S11A中船体梁极限强度的要求对这2种类型集装箱船中横剖面尺寸的影响不大。

3) 波浪剪力的增大对船体0.25L和0.75L处的影响比较大，主要表现在波浪剪力的增加导致外板和内壳板上的剪切应力超出许用值，需增加外板或内壳板厚，或采用提高钢级的方法；同时，内壳板上剪应力增大导致板格屈曲强度不满足要求，需增加板厚。

4) 由于大部分船级社规范中关于采用有限元方法进行集装箱船强度评估的载荷工况已涵盖UR S34中的强制性载荷工况[6]，因此UR S34对集装箱船强度评估结果的影响不大。

[1] IACS. Requirements concerning strength of ships[S]. 2015.

[2] IACS. Common structural rules for bulk carriers[S].2012.

[3] GL. Rules for classification and construction ship technology[S]. 2015.

[4] BV. Rules for the classification of steel ships[S]. 2013.

[5] LR. Rules and regulations for the classification of ships [S]. 2014.

[6] LR. Structure design assessment, primary structure of container ships [S]. 2006.

The Im pact of UR S11A and UR S34 on the Structure Design of Ultra Large Container Ship

XU Yi-gang，HAN Yu，LI Dan-dan，CHEN Lei
（Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China）

The UR S11A standard issued by International Association of Classification Societies (IACS) for the global longitudinal strength assessment of container ship is compared w ith the UR S34 m inimum requirements for the finite element strength assessment of container ship, and the differences are mainly found in the global longitudinal strength assessment method, the vertical wave bending moment and the vertical wave shear force equations. Then calculations are performed on the base of two types of ultra large container ship developed by MARIC to analyze the influence of UR S11A on the longitudinal structural component dimensions at 3 typical locations (0.25L, 0.50L and 0.75L), especially the influence on the shear strength. Major contents of UR S34 are also introduced.

UR S11A; UR S34; container ship; global longitudinal strength; vertical wave bending moment; vertical wave shear force

U661.43

A

2095-4069 (2017) 03-0012-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.003

2016-09-23

工信部高技术船舶科研计划资助

徐义刚，男，硕士，工程师，1987年生。2012年毕业于上海交通大学船舶与海洋结构物设计制造专业，现从事船舶结构设计工作。