IACS共同结构规范2020 RCP1屈曲规范最新进展
2021-03-05中国船级社吕毅宁
中国船级社 吕毅宁
油船散货船共同结构规范（CSR BC&OT）是IACS各个成员船级社共同建立的一套先进的船体结构规范，是满足IMO目标型规范要求（GBS）的第一套船体结构规范。该规范是在原有的IACS散货船共同结构规范（CSR BC）和油船共同结构规范（CSR OT）基础上，通过尽可能协调对船体结构强度的规范要求而建立的，并于2013年推出。
CSR BC&OT屈曲规范吸收了CSR BC规范中基于DIN 18800（1990）德国工业标准的闭合公式形式的规范公式，基本保留了原有骨材屈曲能力方程，并主要对板的屈曲能力方程进行了改进。数十年来，相关公式在国内外大量船型（包括CSR油船、散货船以及各船级社吸收CSR规范入级建造的各类型海船以及海工结构等）的屈曲评估中得到广泛应用，对于保障结构安全发挥了重要作用。
RCP1屈曲规范修改的背景
骨材屈曲能力方程是基于梁柱结构的弹性屈曲，通过考虑二阶效应，并将加筋板结构的面内载荷统一等效为侧向载荷而建立的。对于骨材带板的面内轴向应力（σ_x）可以比较精确地考虑，但是对于横向应力（σ_y）和剪应力（τ）的影响，在等效过程中做了较多的简化。
近年来，随着船舶大型化和高强度钢的广泛应用，像单舷侧散货船、LNG、LPG的舷侧结构以及大型矿砂船（VLOC）的双层底肋板等一些横骨架式结构，其横向应力和剪应力对于结构的屈曲强度起到决定作用，CSR 2020规范公式中的相关简化导致了一些不合理的评估结果，如图1所示。
图1 对于不同骨材间距加筋板结构的屈曲强度分析
此外，对于一些高腹板的加筋板结构，扭转屈曲强度评估的相关规范公式也需要进一步完善。
IACS PT PH43屈曲规范研究项目组
针对工业界和相关船级社的反馈意见，IACS船体委员会建议开展对规范中骨材屈曲能力方程的深入研究，并与针对各船型屈曲规范协调等专题研究一起成立了专门的PT PH43项目组（Harmonisation of Buckling Requirements in IACS Resolutions）。该项目组由中国船级社（CCS）担任项目经理，DNV GL、NK、RINA共同参与。
2020年5月， 该 项 目 组 提交的规范修改建议（CSR 2020的RCP1）经IACS船体委员会审核完成后正式提交全球工业界征求意见。中国、日本等造船大国以及国际干散货船东协会（INTERCARGO）、活跃造船专家联盟（ASEF）等都积极参与。经过广泛的意见征求和进一步完善，目前相关规范修改已经得到IACS各船级社技术委员会及工业界的认可。详细的规范修改建议已经在IACS官方网站发布，并即将于2021年7月1日生效实施。
图2 IACS PT PH43项目组在北京CCS总部召开第一次技术会议
屈曲规范修改
该规范修改建议主要针对CSR规范第8章第5节中加筋板结构的整体屈曲失效模式和骨材的扭转失效模式，分别提出了新的屈曲能力计算公式，并对骨材梁柱弯曲失效模式的极限能力方程进行了改进。此次规范修改突出了对理论性方面的要求，针对两种屈曲失效模式的分析都是基于可靠的力学模型和数学分析方法，并广泛应用了非线性有限元分析作为验证手段，提升了规范理论基础的完备性。因此，对CSR屈曲规范要求和技术背景在文本内容上都做了较多的修改和完善。
图3 从基于一维梁柱结构的简化分析模型升级为基于板壳理论的二维分析模型
1、加筋板整体弹性屈曲及骨材梁柱弯曲屈曲失效模式规范修改
针对加筋板结构的整体弹性屈曲失效模式，基于各向异性板理论和板壳结构稳定性分析方法，推导了新的整体弹性屈曲能力方程。相比CSR 2020规范中基于一维梁柱结构的简化分析模型，板壳结构分析模型与实际的物理结构更接近，从而提高结构屈曲强度评估的精度。
尤其是对于前述一些船型上的典型横骨架式结构，基于新理论的规范公式对相关结构设计的合理性和安全性保障是一个根本性的提升。图4是针对某散货船单舷侧结构的整体弹性屈曲强度分析，显示新规范的评估结果与有限元计算结果一致，并能够很好地考虑上下端部的边界约束作用。图5是针对某舷侧结构采用系列不同板厚（净厚度12mm-18mm）分析结果的比较，显示随着板厚逐渐增加CSR 2020规范给出的屈曲评估结果存在较严重的趋势性错误，而新规范给出的屈曲能力与有限元计算结果不但趋势上是一致的，而且数值上也吻合得非常好。
图4 单舷侧散货船舷侧结构的整体弹性屈曲强度分析
图5 对于某舷侧结构采用不同板厚设计时的屈曲利用因子计算结果
2、骨材扭转屈曲失效模式规范修改
针对加筋板结构的扭转屈曲失效模式，基于薄壁梁结构的扭转和翘曲变形分析模型，推导了新的骨材弹性扭转屈曲强度公式，更新了球扁钢、角钢等型材的截面扇形惯性矩，并用实际载荷代替假定载荷重新校准了翘曲应力的计算公式。
针对某高腹板T型材加筋板结构的屈曲强度分析（如图6）所示，新的规范公式能够对型材加筋板结构的扭转屈曲临界应力和模态进行更精确的计算，尤其是对刚度尺度比较小的骨材以及高腹板加筋板结构设计会有较大的影响。
图6 某高腹板T型材加筋板结构的扭转屈曲能力分析
船型影响分析
如前所述，IACS CSR 2020的RCP1对加筋板结构的屈曲评估规范进行了较多的修改，包括对一些重要的规范公式进行了较大的修改。加筋板结构是船体和海工结构的基本组成构件，包括CSR船以及各船级社吸收CSR规范入级建造的各类型海船以及海工结构等可能都会受到一些影响。尤其是对于横骨架式结构、高腹板加筋板结构等的结构设计可能会产生较大的影响。
IACS PTPH43 针对Handysize、8.2万吨、18万吨、21万吨级等系列散货船，15万吨级、VLCC等油船以及部分LNG、LPG、VLOC船体结构进行了规范影响评估，如图7所示，显示总体上要求有所降低。在征求工业界意见过程中，项目组又针对一些特定的散货船舱口间甲板和双层底纵桁结构设计补充进行了影响评估，如图8所示，显示总体上要求有所提高。
图7 对系列散货船舷侧结构屈曲强度评估的影响分析
图8 对舱口间甲板和双层底纵桁结构屈曲强度评估的影响分析
总之，IACS CSR 2020的RCP1对船体结构的屈曲评估将会产生较广泛的影响。考虑到CSR屈曲规范在国内外大量CSR及非CSR船型中的实际应用，有必要尽快引起船级社和设计单位等更广泛的重视。由于新的屈曲规范的理论性较强，相关规范计算公式的复杂性有所提高，建议船级社尽早推出相应的规范计算软件，以方便工业界对新规范的理解和应用。
