基于 HCSR 规范舱口角隅问题的研究

王勋

摘要：分析 HCSR 规范与 CSR 规范强度计算方面的主要不同，并依据两种规范对船中区域货舱口角隅进行对比计算;依据 HCSR 规范要求对船舶首尾部货舱舱口角隅进行计算，发现原首尾部分舱口角隅的设计不满足新规范的要求;对应力超过许用值的角隅进行细化分析并分析造成高应力的等效 设计波类型。在该设计波规范研究的基础上，对比分析船舶各舱口角隅应力与其位置沿船长方向分布的关系，并预断新船设计中舱口角隅应力变化趋 势与其纵向位置的对应关系。

关键词：HCSR规范;舱口角隅;有限元

中图分类号：TP661 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）09-044-03

Abstract：ComparethemaindifferenceinRulesbetweentheHCSRandCSRinDirectStrengthAnalysis，andanalyzethehatchcornerinMidcargoholdregion basedondifferentRules;AndfindoriginaldesignofhatchinforeandaftpartnotsatisfythenewHCSRRulesafteranalysisthehatchcornerinforeandaftpart ofthecargohold;refinefiniteelementwhenthehatchcornerstressexceedingthescreeningfactorsandfindoutthedominateEquivalentDesignWave（EDW） whichinducedthehighstress.BasedontheruleregulationresearchofthedominateEDW，comparethehatchcornerstressandthelocationalongtheshipLongi- tudinaldirection，thenprejudgetherelationshipofhatchcornersandthelocationalongtheshiplongitudinaldirectioninnewshipdesign.

Key words： HCSR Rules; Hatch corner; Finite Element

0 引言

为保证船舶的安全性能，国际海事组织（IMO）决定制定目标型船建造 标准（GBS）作为重要的战略项目，而共同结构规范（CSR）已经不能满足

GBS 的要求，国际船级社协会（IACS）决定在 CSR 的基础上研究《Common StructuralRulesforBulkCarrierandOilTankers[1]》（HCSR）。该规范已于

2015 年 7 月 1 月生效，取代《CommonStructuralRulesforbulkcarriers[2] 》

（CSR散货船规范），July2012，《CommonStructuralRulesforDoubleHullOil

Tankers[3]》（CSR油船规范），July2012.

新生效的 CSR-H 相对于 CSR 规范在等效设计波、载荷工况、许用应力等方面提出了更高的标准。CSR 规范没有对首尾部货舱进行深入的计算，新的 HCSR 规范增加了该部分的计算，并提出了更细致的要求。在工程实践中，发现新生效的规范对舱口角隅，货舱 hopper knuckle 的折角点， 人孔等结构均产生了较大的影响，尤其是其中舱口角隅的结构设计成为较大的难点。

1CSR-H 和CSR 规范主要不同

1.1 载荷。在载荷方面，HCSR规范规定了7种等效设计波、11种波浪载荷状态，相比 CSR 规范的 4 种等效设计波、8 种波浪载荷状态更加详细的分析了波浪对船舶运动响应和强度的影响。CSR-H 的 7 种等效设计波如表 1[4]所示。

表 1 HCSR 规范七种等效设计波选取

1.2 分析范围。HCSR 规范分析包括整个货舱区域的有限单元分析。包括内壳和外壳 、甲板 、双层底肋板和桁材 、横向和垂向强框、舱口围 、水平筋 、横向和纵向舱壁结构 、其它的主要支撑构件 、其它对船体梁强度起作用的结构构件。分析范围如图 1 所示。

CSR 规范分析船中三舱段（1+1+1）有限元模型中的包括舱壁在内的所有主要支撑构件，而不包括首尾部分货舱的有限元计算。分析范围对应 于图 1 中的船中货舱区域。

图 1 HCSR 规范对有限元结构评估的货舱区域划分

1.3 约束边界条件。HCSR 规范在边界条件上与 CSR 规范也有所改进，选用了边界梁单元作为模型两端的边界处理，用来模拟模型的刚度。

HCSR 规范货舱区非船中区域的货舱的强度评估模型的边界条件同船中区域相同，但与最前部货舱货舱的有限元模型边界条件有所不同;HCSR规范用中心线和内地板的交点来约束 x 方向的线位移，而不更多的约束独立点，减少了独立点约束的影响，CSR规范则在独立点上进行x方向线位移的约束。

表 2CSR-H 和 CSR 散货船规范边界条件对比

CSR-H 规范 CSR 规范

MPC 关联 DY袁DZ袁RX DX，DY，DZ

MPC 独立點 前断面 DY，DZ，RX DX，DY，DZ，RX

后断面 DY，DZ DY，DZ，RX

内底板前/后端部中节点 DX -

端部梁 是 -

1.4 筛选准则和评判准则。CSR 舱口角隅的细化筛选准则为许用应力的0.95倍，细化网格的大小标准为200mm×200mm，以及评判标准280/k

（k为材料系数）;CSR-H舱口角隅的细化筛选准则0.95λperm，细化网格的大小标准为50mm×50mm，以及评判标准λf≤λperm。

2 船中区域不同规范强度计算对比分析

2.1 CSR 规范船中舱口角隅强度计算分析。利用必维船级社软件Veristar-Hull，分别依据CSR，HCSR不同规范的要求对本散货船船中区域第

4，5，6货舱（后面简写如CH4，CH5，CH6）三个舱段进行强度评估，该软件可以依据不同规范直接加载对应约束工况载荷等条件进行分析。计算取 S×S

（本船 960mm×960mm） 的粗网格模型进行计算整个货舱段的分析，甲板区域的模型如图 2 所示，舱口角隅用一个三角形单元进行模拟，角隅板厚度为

44mm。CSR角隅筛选准则为0.95×235/k=310MPa，k=0.72，HCSR角隅的筛选准则σVM≤0.95×λperm×RY=0.95×1×235/k=310MPa;两种规范的计算结果均列在表 4 中。表中后端角隅为本货舱尾部，依据两种不同规范分别计算的应力结果，并将两种计算结果取比值。可以从表 4 中看出船中依据两种规范计算三个货舱段的六个角隅的强度计算结果都超出了筛选准则的

310MPa，HCSR规范计算的结果均高于相应CSR规范计算结果。

图 2 甲板区域的粗网格模型

表 4 不同规范计算的船中区域舱口角隅的结果对比

2.2 CSR-H 规范船中舱口角隅强度计算分析。根据 2.1 中计算的结果， 两种规范的所计算船中三个舱段的角隅应力都超过筛选准则

310MPa。本船设计中舱口角隅的典型形状为 a×b=2250mm×1300mm 的橢圆，依据两种规范中要求较高的 HCSR 规范要求，对应力超过 310MPa 的单元进行细化研究以便于得到更精确的结果，细化网格大小为 50mm×

50mm，评判标准依据规范第7章，第3章节，6.2评判标准取490MPa，细化网格的计算结果列在表 5 中。同一货舱的首尾两个舱口角隅，取其中的应力较大者进行细化分析，如 CH4 货舱后端角隅依据HCSR 计算的应力

415MPa，前端角隅应力421MPa，则取前端角隅进行细化分析。从Veris- tar-Hull 软件中直接读取细化分析结果并将最大应力列在表 5 中，同时读取造成最大应力的装载形式及载荷工况，即装载形式/载荷工况No.1，读取造成第二大应力的装载形式/载荷工况No.2，同样列在表5中。图3为典型舱口角隅的细化模型。

表 5HCSR 规范舱口角隅细化结果及最大载荷工况

图 3 船中区域舱口角隅的典型细化模型

2.3 船中区域两种规范结果对比。通过表 4 的对比分析可以发现

HCSR 的计算应力值高于 CSR 规范计算应力值，也即 HCSR 规范提出了更高的要求。CH5舱两种规范的计算结果相差10%左右，CH4，CH6舱分别相差约20%，18%，说明越远离船舯，HCSR规范的要求越高。可以从表5中得到除CH5舱外，CH4，CH6引起最大应力的的第一种，第二种loadcase都为不同载况下的OST-1S，OST-2S工况，都是由斜浪工况OST引起的。但通过细化的分析方法可以发现船中区域能满足细化后的标准，也即设计中依据HCSR 规范要求仍较易满足要求。

3 CSR-H 首尾舱段角隅计算

3.1 CSR-H 首尾舱段角隅计算。首部货舱段的计算包括 Forwardcargo holdregion的CH2、CH3货舱，Foremostcargoregion的CH1货舱;尾部货舱段的计算包括Aftcargoholdregion的CH7、CH8货舱，aftmostcargohold的

CH9货舱;CSR规范不包含本部分舱口角隅的计算。故在本部分计算中仅依据CSR-H 规范对舱口角隅进行计算。舱段粗模型计算对应的单元大小S×S（本模型约 960mm×960mm）。首尾部分舱口角隅的粗网格模型与船中部分类似。粗网格计算结果列在表 6 中。从表 6 中可以看出除了第 2 货舱外，其它货舱角隅的应力值都超过许用值 310MPa。对粗网格应力超过筛选准则 310MPa 的舱口角隅进行细化，以便于得到更精确的结果。细化网格的大小为 50mm×50mm，角隅形状统一为 a×b=2250mm×1300mm 椭圆， 细化的典型模型与船中区域类似。同一货舱取前后舱口角隅的较大值进行细化分析，如CH8货舱后端角隅值为433.4MPa，前端角隅值为399.5MPa，则取其中后端角隅进行细化计算，细化计算的结果同样列在表 6 中。

表 6 首尾货舱段角隅及细化结果

附注：其中X为角隅位置距离尾垂线的纵向距离，L为船舶规范船长。 可以从表中看出，首部的 CH1 舱及 CH2 舱较容易满足新规范的要求，

尾部的 CH9 舱较易满足规范的要求。其余 CH3， CH7， CH8 三个舱的细化结果都超过了许用值490MPa，首尾部分货舱角隅在以前的CSR船舶设计中关注较少，新的 CSR-H 规范中对其提出了具体的要求，并成了较大的设计难点。需要分析其成因以便在该类型散货船的设计中更好的指导设计。

3.2 影响工况分析。从 VeristarHull 软件中读取造成高应力的前两种装载形式及载荷工况列在表 7 中。可以从表中看出首尾部分的舱段，除应力超过许用值的 CH3，CH7，CH8 舱角隅，其余 CH2，CH9 的舱口角隅其引起最大应力的第一种工况也都是不同loadpattern下的OST工况，OST-1S，

2P，2S 的区别仅在于弯矩作用于左右舷，或者是最大最小弯矩的区别。可以得出首尾部货舱对于新的 HCSR 规范新增加的 OST 工况对舱口角隅的设计提出了更严苛的要求。从而在舱口角隅的设计中应该预先考虑 OST 工况载荷的成因，及可能对结构产生的影响。在下列章节中将对 OST 工况进行规范的研究分析。

表 7 首尾部分货舱角隅主导工况

4 波浪扭矩的分析

4.1 波浪扭矩的规范要求。OST 是斜浪时船在距离尾垂线 0.25L 处的扭矩达到最小或最大时的等效设计波，该等效设计波对应的波浪扭矩的计算 公式在HCSR 规范第 4 章第 4 部分船体梁载荷， 3.4 波浪扭矩中表述如下：

Mwt=M1 M2 （1）

其中： （2）

Mwt2=0.22f2LB R（3）

ft1， ft2：分布系数，取为：

ft1=0 当x<0

当 0≤ x≤L

ft1=0 当x>L

ft2=0 当x<0

当 0≤ x≤L

ft2=0 当x>L

4.2 波浪扭矩沿船长的分布系数

FIp-ost=5fxL 当x/L<0.2

FIp-ost=1.0 当0.2≤x/L<0.4

FIp-ost=-7.6fxL+4.04 当0.4≤x/L<0.65

FIp-ost=-0.9 当0.65≤x/L<0.85

FIp-ost=6fxL-6 当0.85≥x/L

4.3 尾部货舱段波浪扭矩

4.3.1 尾部区域货舱段波浪扭矩近似计算。尾部货舱段的计算包括Aftcargoholdregion 的 CH7，CH8 货舱， 和 aftmostcargohold 的 CH9 货舱， 在本船的计算中CW=10.735，T=294m，B=50m，D=25m，CB=0.835，fps取

1.0，TLC在本船近似计算中取18.5m，依据4.1，4.2章节中的公式进行计算，计算结果如表 7 所示。表 8 中 x/L=0 和 0.531 经公式推导波浪扭矩沿船长分布系数为 0 的位置。

表 8 尾部货舱角隅位置波浪扭矩近似计算数值表

科技研究

图 4 尾部区域波浪扭矩分布曲线

4.3.2 尾部区域货舱段波浪扭矩的结果分析。CH8 舱角隅的纵向位置为x/L为0.23，0.29，CH7舱角隅的纵向位置为x/L为0.33，0.38，可以从上图中看出这四个位置的波浪扭矩处于图形的最高附近。CH7 舱的 50mm×

50mm细化分析结果为646MPa，CH8舱的细化分析结果为617MPa，这与上图的显示结果是一致的。并且646MPa，617MPa远远的超过许用值

490MPa，在实际的设计中也需采用较多的如形状设计或新节点设计才能 满足规范要求。在货舱尾部舱口角隅的设计中可以先用规范公式进行波浪扭矩的计算，进行预判。尤其是纵向位置超出船中区域的范围不应该使 得参与总纵强度的构件尺寸直接下降。

4.4 首部区域货舱波浪扭矩近似计算及结果分析

4.4.1 首部区域货舱波浪扭矩近似计算。首部货舱段的计算包括Forwardcargoholdregion 分别为 CH2，CH3 货舱，和 Foremostcargoregion 的

CH1货舱。在本船的计算中取CW=10.735，L=294m，B=50m，D=25m，CB=0.

835，fps取1.0，TLC在取18.5m以便于对比分析。表9中x/L=0.531和1经公式推导波浪扭矩沿船长分布系数为 0 的位置。

圖 5 首部区域波浪扭矩分布曲线

4.4.2 首部部分货舱段波浪扭矩的结果分析。CH3 舱角隅的纵向位置为x/L为0.71，0.76，可以从图5中看出0.71，0.76位置的波浪扭矩处于图形的最高点。这与模型的细化分析结果是一致的，从而在货舱首部舱口角 隅的设计中可以先用规范公式进行波浪扭矩的计算，进行预判。尤其是纵 向位置超出船中区域的范围不应该使得参与总纵强度的构件尺寸直接下降。CH1，CH2舱的舱口角隅的纵向位置分别为0.8，0.85，0.88，0.94，可以从图中看出处于这个纵向位置的波浪扭矩离最大值处较远，而且通过细化分析的结果发现这四个位置的角隅比较容易设计要求，使用常规的椭圆角隅模型即可满足设计要求。

5 结论

本文对比分析了HCSR 相对于 CSR 规范的主要变化，并进行了两种规范船中区域舱口角隅的对比分析;其次用 CSR-H 规范对首尾部货舱角隅进行校核，并发现 OST 斜浪工况对首尾舱口角隅的设计起主导作用;在对 OST 工况引起的波浪扭矩进行规范研究基础上，得出波浪扭矩沿船长的分布规律并对角隅设计可能产生的影响，对本船的分析可以得出下列结论：

（1） 本船依据 HCSR 规范计算的船中三舱段舱口角隅的应力高于

CSR 规范计算结果，主要是由新增加的 OST 设计波引起，但在设计中仍能较易满足规范要求。

（2）首部 CH1，CH2 舱舱口角隅的设计较易满足规范要求，最大值出现在CH3舱的角隅处，细化模型的最大计算值为563.8MPa，与图5显示的首部区域波浪扭矩分部曲线变化趋势是一致的。

（3）尾部 CH7，CH8，CH9 舱段中的 CH7、CH8 舱的舱口角隅细化模型的最大计算值 647MPa、617MPa 也超出了许用值 490MPa，其中最大值

647MPa出现CH7货舱在纵向位置X/L=0.33，与图4显示的尾部波浪扭矩的分部规律也是近似一致的。

后续工作，通过总纵强度沿船长的分布规律，舱口角隅的几何形状设计，节点形式设计以使得舱口角隅能满足规范的要求。在实际设计中，由于船舶结构，载荷及工况的多样性，以及疲劳寿命由原 CSR 中的 20 年提高到25年，应力范围概率水平从10-4变为10-2，以及规范在疲劳寿命评估方面做了改进[5]，导致舱口角隅设计中仍需经过实际计算。

参 考 文 献 ： [1]IACS. CommonStructuralRulesforBulkCarrierandOilTankers[S]， 2014.

[2]IACS. Common Structural Rules for Bulk Carrier[S]， 2012.

[3]IACS. CommonStructuralRulesforDoubleHullOilTankers[S]， 2012.

[4]周广喜. HCSR 和 CSR 规范结构强度评估方法比较研究[D]. 哈尔滨工程大学， 2013.

[5]张梦婷， 金永兴. HCSR 对散货船疲劳强度校核的新要求[J]. 船舶工程， 2014（5）： 30-33.