协调前后共同结构规范对比与实船计算分析

褚 洪,唐梓乔

(1.中国船级社 江苏审图中心，江苏 南京 210011；2.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

0 引言

为制造出更坚实耐用和更加安全的船舶，国际船级社协会(IACS)于2006年正式发布散货船、油船共同结构规范(CSR-BC&CSR-OT)。多家IACS成员合作研究，基于坚实的技术背景，首次使用等效设计波和净尺寸等全新的理论，编制出两种船型的共同结构规范，使全球船舶制造水平得到了普遍提高。然而，这两本规范是各自独立开发的，采用的技术方法也不尽相同。为了消除规范中的技术差异并在整体上取得一致，IACS决定将两本规范协调合并。该计划于2008年启动，主要工作集中在协调两本规范中的关键技术上，如波浪载荷、疲劳评估、有限元评估和屈曲评估等。协调统一后的规范仍然称为共同结构规范(CSR-H)，于2015年7月1日生效[1]，并替代原有规范。CSR-H包括三个部分：第一部分是船体结构的总体要求，适用于两种船型；其余两部分则针对散货船和油船的结构特点做出相应规定。本文主要对比规范协调前后散货船屈服强度直接计算的理论和方法，尝试解析部分规范的改编原因，并进行实例计算比较，为新规范的使用人员提供参考。

1 规范对比

1.1 评估区域

CSR-BC中规定需要进行有限元直接计算的是船中货舱区域，而CSR-H将评估区域扩展到所有货舱区域，包括最首舱和最尾舱。具体来说，在CSR-H中，货舱被分成5个区域：货舱中部、货舱前部、货舱后部、最首货舱和最尾货舱，而这五个区域中所有结构不相同的舱室都要进行有限元直接计算。CSR-H屈服强度评估区域见图1。图中，L为规范船长。

图1 CSR-H屈服强度评估区域

由于在CSR-BC中不评估最首货舱和最尾货舱，需要直接计算确定的结构都是用中货舱的结构类比替代。若最首货舱和最尾货舱的边界、载荷与中货舱有很大的差异，不对其进行直接计算评估难以得到准确结果。CSR-H扩大评估区域是合理、必要的，但将大大增加有限元计算的工作量。

1.2 边界约束

CSR-H的边界约束与CSR-BC相比，在约束模型前端面X方向位移时，没有约束独立点，而是约束中剖面和内底板的交点，见图2。三舱段模型端面应当采用简单支持，理论上只要约束一个点的X向位移就可以消除刚体位移。为了更符合实际情况，相对于CSR-BC约束整个端面，CSR-H尽可能减少约束。而选取中剖面和内底板的交点，一方面在模型中该点本身就存在，方便寻找并施加约束；另一方面，该点最靠近位于中和轴的独立点，使约束X方向位移而产生的垂向弯矩降至最低，能够减少边界约束反力对结果的干扰。CSR-H在后端面独立点施加了端面扭矩MT-end，即在斜浪作用下的扭矩，更真实地模拟了船舶在营运中遇到的载荷。

另外，对应于端面扭矩MT-end，CSR-H还提出端部梁的概念。实际情况下，船体结构在波浪中自由扭转，翘曲并没有必要计算。可是在两端约束的模型上施加MT-end，端面翘曲变形较大，需要考虑对结果的影响[2]。为了尽可能模拟真实工况，减少不现实的翘曲变形对应力结果的影响，在端面纵向连续构件以及横向甲板之上设置端部梁来约束翘曲变形。可以看出，CSR-H在增加设计波时就从整体上考虑对其他部分的影响，并采取措施使之降至最低。

图2 中纵剖面和内底板X方向约束

1.3 等效设计波与装载工况

等效设计波(EDW)理论是船舶及海洋工程在波浪下的运动响应分析中较为前沿和便捷的方法。通过长期不规则波运动响应分析预报，确定某特定规则波可以产生与长期不规则波相同的极限响应[3]，如加速度、横摇角等，这样在后续的强度计算中就能够使用简单的规则波来模拟船舶在整个营运周期内可能遭遇的最严重工况，极大简化了波浪载荷计算过程。CSR-BC采用4种EDW。而CSR-H为了更全面地评估船舶在营运周期内的结构强度，采用7种EDW，其中增加了使首部加速度最大的设计波HSA，对应于最首舱的评估。在HSA设计波下，靠近首部货舱所受到的货物及压载水载荷将达到最大值。而增加的斜浪设计波OST和OSA则考虑了扭转对船体结构的影响，尤其对大开口船有着重要意义。CSR-H增加的等效设计波也为规范适用船型的扩展打下基础，如集装箱船等。

装载工况方面，CSR-H基本使用CSR-BC的工况组合，将CSR-BC的剪力工况纳入到所有工况中，即在每个工况中施加静水剪力，更符合实际情况。CSR-H则更全面地考虑营运情况，增加了隔舱装满工况、港内单舱装满工况和港内连舱隔舱装载工况。

可以想象，十几种装载工况和7种设计波组合将超过100种计算工况，全部纳入规范既不现实也无必要。在CSR-H规范研发时，针对计算工况的选取做了大量的研究工作，对不同尺寸、类型的船体进行计算分析，最终确定的工况将对船体主要支撑结构(PSM)产生最大压力、最大局部剪力和弯矩[4]，但是计算工况数相对于CSR-BC还是有相当程度的增加。表1给出一艘常规散货船中货舱在CSR-BC和CSR-H中的计算工况数，增幅均超过150%。计算工况数大幅增加，对软件施加载荷、调整剪力弯矩和生成计算文件等方面的效率提出了更高的要求。

表1 计算工况数比较

1.4 船体梁载荷施加与调整

与CSR-BC相同，CSR-H要求舱段中部达到目标垂向弯矩和目标水平弯矩，其中目标垂向弯矩由静水弯矩和波浪弯矩按工况系数合成，目标水平弯矩由相应等效设计波产生。调整舱段中心位置达到目标垂向弯矩和目标水平弯矩，使用的是简单梁理论。考虑剪力调整、局部载荷、约束反力等因素对舱段中心弯矩的影响，算出调整弯矩值，以集中力的形式按平面梁理论施加于模型端面。对散货船的OST工况和OSA工况，直接在端面独立点上施加调整扭矩MT-end，使模型特定位置达到目标扭矩。散货船非斜浪工况则要求将扭矩调整为0，消除由模型误差产生的附加扭转应力。

而CSR-H的剪力施加与调整相对于CSR-BC来说要复杂得多。CSR-BC要求在剪力工况下将前后横舱壁处的剪力调整至同样大小的目标值，且并没有规定调整方法。而CSR-H先要判断前后舱壁处由于局部载荷产生的剪力值大小，再用静水剪力、波浪剪力以及散货船修正剪力计算出各自的目标值。该目标值的设计目的是使靠近横舱壁处的结构在最严重的局部载荷作用下叠加船体梁剪应力。在CSR-H装载工况中，将前后舱满载、中舱空载以及前后舱空载、中舱满载的工况定义为最大剪力工况(Max SFLC)，容易看出这类工况横舱壁前后的载荷差异较大，引起的剪力也明显大于其他装载工况。对SFLC工况和非SFLC工况的剪力调整要经过多重判断，选择不同的调整方法，具体流程见图3。图中，M1和M2为两种不同的调整方法。M1较为简单，直接在模型两端施加弯矩，让目标位置的剪力达到目标值。M2可以看作M1的延续，在模型两端施加弯矩后，继续在强框架上施加垂向力，调整剪力至目标值。

1.5 屈服评估衡准及分析

1.5.1屈服评估衡准

CSR-BC中粗网格屈服评估衡准简明单一，其方法见式(1)。因绝大多数用户都使用各项同性材料建模，故本文不考虑各项异性材料。

σE<235/k

(1)

式中：σE为单元等效应力；k为材料系数。

相比之下，CSR-H粗网格屈服评估衡准则较为复杂，见表2。

图 3 CSR-H剪力调整流程

表2 CSR-H粗网格屈服评估衡准

1.5.2CSR-H的评估衡准分析

首先，港内工况的许用应力是航行工况的80%，可以理解为对港内工况留出了20%的裕量，这部分裕量应对的是港内可能出现的波浪载荷，并确保意外的超量装载不会对结构造成永久性变形。

其次，承受液体侧向压力的水平槽型舱壁和带有底凳的垂直槽型舱壁壳单元，相对于其他船体结构留出了10%的安全裕量，该部分与CSR-OT一致[5]，应该是根据油船的建造及使用经验直接采用。而在干散货侧向压力下的槽型舱壁则不需要此裕量，因为在散货船的规范计算中已经考虑了更为严重的货舱意外进水工况。

最后，对于承受侧向液体压力的无底凳的垂向槽型舱壁的槽条的壳单元，进一步留出了10%的裕量。这是因为根据营运经验，无底凳的垂向槽型舱壁更容易产生局部裂纹等损坏。而对于此类构件在规范计算中并无要求，采取放大安全裕量是比较稳妥的方法。

由此可见，CSR-H的评估衡准考虑更全面，纳入其他规范获得认可内容及营运经验更加合理。

1.6 细化网格分析

CSR-BC中规定，粗网格应力值超过许用值95%的关键位置需要进行细化网格分析，而CSR-H对细化网格分析要求较高，规定了强制细化的结构以及细化筛选准则。

(1)对船中货舱区域，CSR-H强制进行细化分析的结构位置有：双舷侧船舶的底边舱折角；舷侧肋骨端部肘板和单舷侧散货船的底边舱下折角;大开口;甲板和双层底纵骨与横舱壁的连接处;槽型舱壁与邻接结构的连接处。

(2)对船中货舱区域，应当进行细化分析筛选的结构位置有：主要支撑构件腹板上的开孔，如水平桁、双层底中的实肋板和纵桁；横向强框架上的肘板趾端，如水平桁与双层底或支撑结构的连接；横舱壁水平桁根部；横向底凳与双层底纵桁的连接以及纵向底凳与双层底实肋板的连接；底边舱与横向底凳结构的连接；顶边舱与内壳间的连接；槽条和上部支撑结构与顶凳的连接；舱口角隅区域,如舱口围端肘板、舱口角隅和舱口端横梁的连接。

(3)对船中货舱以外区域，应当进行细化分析筛选的结构位置有：底边舱折角；舷侧肋骨端部肘板；大开口；槽条与邻接结构的连接。

在CSR-BC的实际操作中，根据经验超过许用值95%的位置细化后一般也不满足要求。因此将许用值降低5%来评估粗网格应力，对应力超出的结构直接加强，很少需要进行细化网格分析。CSR-H根据营运经验及粗网格与细网格应力相关性分析，对最容易发生损坏的位置强制细化分析。为减少重复工作，对具有最大屈服利用因子处的其他关键位置制定筛选准则，找出需要细化分析的位置。很明显在细化网格分析上CSR-H的工作量将远多于CSR-BC。

2 实例计算分析与建议

2.1 IACS实船计算

为评估协调后的规范对船体结构尺寸影响，IACS成员进行了实船对比计算。该项工作基于2014年1月版的CSR-H规范，共选取了4型10艘有代表性的散货船，包括3艘Capesize、2艘Babycape、2艘Panamax和3艘Handymax，均符合最后一版CSR-BC的要求[6]。从粗网格直接计算的结果来看，除个别结构应力值超过许用值，船中区域的结构基本可以满足CSR-H的要求。而对最首舱和最尾舱来说，各个船型都需要不同程度地增加结构尺寸以满足规范在粗网格屈服强度中的要求。

2.2 实船计算对比分析

作者对某双舷侧散货船同时进行了CSR-BC和CSR-H粗网格屈服评估，分别使用的是CCS开发的CSR-DSA软件和HCSR-DSA软件。该散货船的主要参数见表3。

表3 计算实船参数

本文只计算船中货舱的重货舱，其结果均符合规范要求，只有双层底纵桁底凳下方个别单元超过许用值，由应力集中所致，可以忽略不计。为方便比较，按式(2)将计算结果无因次化处理。

λy=σmax_vm/[σ]

(2)

式中：σmax_vm为单元在全部工况下最大等效应力；[σ]为单元所在结构及相应规范中的许用应力。

对部分主要支撑结构的屈服利用因子λy进行比较，见图 4～图 7。

图4 外底板屈服利用因子

图5 舷侧外板(左舷)屈服利用因子

图7 内底板屈服利用因子

整体上来看，主要支撑结构的屈服利用因子在CSR-H中较CSR-BC普遍有明显提高，也就是说CSR-H对结构的要求更加保守，但是并不用提高到需要大面积增加结构尺寸。原来符合CSR-BC要求的船体结构基本上也可以满足CSR-H。

进一步分析屈服利用因子。从外底板对比可以明显看出，CSR-H在靠近横舱壁处的要求更高，这是由于在所有工况中加入了剪力，调整横舱壁处的剪力值达到目标值，与弯矩和局部载荷叠加，使靠近横舱壁处的结构应力到达极值。对比上甲板屈服因子，CSR-H的横向甲板应力明显高于CSR-BC，这是因为增加了OST和OSA两个斜浪工况，使船体产生扭转，从而提高了横向甲板的应力水平。再比较内底板屈服因子分布，不难发现靠近船首的结构应力明显提高，可以理解为使得船首加速度最大的HSA工况下，靠近前部的舱内货物载荷增大。从其他的图还可以总结出，CSR-H对离船底较近的纵向连续结构，如内壳纵舱壁、舷侧外板等，要求更加保守。总之，计算结果基本符合前文对载荷、装载工况等方面的分析，与IACS的对比计算保持一致。

3 结语

本文对协调前后的共同结构规范屈服强度直接计算的相关部分进行了详细的比较，给出部分协调规范的编写背景并探讨原因。CSR-H在屈服强度直接计算的要求大大提高，特别是评估区域、等效设计波、船体梁载荷调整及细化网格分析方面，汲取各船级社多年积累的营运经验，纳入业界更加认可的规范条文，使得规范更加全面、安全、合理。通过计算实例验证CSR-H对船体结构的要求更加保守，但是并不需要大面积的增加尺寸，原来符合CSR-BC要求的船体结构只需稍加修改即可满足要求，制造成本可控。但是，CSR-H直接计算工作量将成倍地增加，对船级社的人力资源及软件效率提出挑战。