HCSR对实船优化设计的影响

尧孝君 黄宝文 范相威 李丽平 付永丽

摘    要：为了满足 GBS要求，IACS 协调了CSR-OT和CSR-BC的差异，推出了HCSR，取代原先的 CSR。本文从结构布置、承受冲击载荷的结构、抓斗附加入级标志以及最小厚度要求等方面，分析HCSR和CSR的差别，并举例82000DWT散货船优化设计，分析HCSR对散货船设计建造成本的影响，探讨有效的应对措施。

关键词：HCSR；CSR-OT；CSR-BC；结构重量；设计建造成本

中图分类号：U663.31                              文献标识码：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（散货船油船协调共同结构规范），是IACS（国际船级社协会）响应业界关于统一执行和应用CSR-OT（油船共同规范）和CSR-BC（散货船共同规范）的要求，协调CSR-OT和CSR-BC在波浪载荷、强度衡准、有限元分析、腐蚀与焊接要求及疲劳强度等方面的差异，同时兼顾IMO GBS（国际海事组织的船舶建造标准）的要求内容，形成一部同时适用于散货船和油船的共同规范。HCSR迎合IMO对船舶设计建造和航运安全、环保的目标，提高了散货船和油船的建造要求[1]，使得规范的应用变得更复杂，船舶设计建造的成本随之增加。

2    HCSR编制过程和生效

以IMO GBS为依准，协调CSR的差异，形成HCSR。HCSR适用于船长 90～500 m船舶，以25年作为船舶的使用周期，而CSR-BC的适用范围为船长 90～350 m，因此HSCR的实施，对超大型散货船设计建造具有更深远的影响，HSCR适用于2015 年7 月1 日及以后签订的建造合同[2]。

3    HCSR对散货船结构的影响

以某82 000 DWT散货船为例，在不改变总体布置、基本参数并保留原先结构布置的情况下，分析HCSR对散货船的优化设计产生的影响。

3.1   船的主尺度

总长Loa                 229.00 m

垂线间长Lbp 225.50 m

型寬B                 32.26 m

型深D                 20.05 m

设计吃水                 12.20 m

结构吃水T                 14.45 m

3.2   HCSR的结构对比与设计优化

为了满足HCSR的要求，对全船的典型结构形式、节点以及典型的尺寸进行分析对比。

3.2.1 首部区域

1）首柱

对于首柱厚度的要求， HCSR较CSR-BC较低。

（1）CSR

式中：SB为水平纵桁、强胸横梁或等效水平加强构件的间距， m[3]。

（3）对于船首冲击加强区域强胸横梁/隔板的净厚度 tw，HCSR要求不小于：

根据上述公式，实船需要增加水平隔板的板厚。

2）首部平底砰击区域

CSR-BC 与 HCSR 在首部平底砰击方面的规定差异较大，体现在船底砰击范围和板厚尺寸上。

（1）CSR-BC

平底砰击区域为艏垂线向后0.2 V    之前的船底平坦区域及从基线起0.05 TB 或 0.3 m（取小者）高度范围内，即平底砰击区域大概为首柱向后 45 m、高度 0.3 m。

（2）HCSR

平底砰击区域为艏垂线向后 0.3 L之前的船底平坦区域及从基线起 0.5 m高度范围内[4]，即平底砰击区域大概为首柱向后 67 m、高度 0.5 m。

从两者对比可以看出：在首部平底砰击区域的定义方面，HCSR在纵向和垂向的定义都比 CSR-BC 大很多；但在砰击范围内的相同坐标处，HCSR计算出的板厚要比 CSR-BC小很多，约有 3～6 mm的差异。因此可以总结为虽然HCSR定义的首部平底砰击区域范围较大，但强度要求较CSR-BC低，从而导致按HCSR首部平底砰击区域的结构重量反而减少了30 t。

3.2.2 尾部区域

HCSR 对于受到螺旋桨激振力的区域的尺寸和端部形式作出了要求[5]：

1）位于螺旋桨以上的艉尖舱、压载舱或淡水舱内的肋板和桁材的骨材的高度hstf，不应小于：

hstf = 80 lstf ，lstf为骨材长度，对于扁钢骨材不必大于 5 m；

hstf = 70 lstf ，lstf为骨材长度，对于球扁钢和有翼板的骨材不必大于 5 m。

上述要求也适用位于纵向延伸介于舵柱前缘和螺旋桨桨毂后端、横向位于螺旋桨直径以内区域内的骨材；

2）端部肘板，按以下要求设置：

lstf-t超过 4 m 时，上下两端应设置端部肘板；

lstf-t超过 2.5 m 时，下端应设置端部肘板。

综上所述，发现按HCSR部分加强筋不能满足要求，需要加大尺寸；而对于本身长度较大的加强筋，从结构优化方面考虑不能一味地加大尺寸，故在相应加强筋部位设置了水平筋进行优化。

3.2.3 顶边舱区域

1）PSM开孔要求

关于甲板结构， HCSR 要求比 CSR-BC 更简洁，然而有一点需要注意： HCSR 对 PSM 的腹板高度要求当纵骨贯穿孔不封闭时，PSM 腹板高度要大于孔深度的 2.5 倍。原船的顶边舱强框内，甲板纵骨穿过强框的贯穿孔较大，导致PSM 腹板高度没有达到HCSR的要求。为此，在相应的贯穿孔增加补板，减少贯穿孔深度，避免PSM腹板高度的加大。

2）PSM 上 ring 周围的加强筋修改

在HCSR中明确了主要支撑构件翼板净厚度的要求：

式中：Cf 为翼板的长细比系数，取Cf  = 12。

在原船的设计中，顶边舱PSM的ring都是加强筋偏装的加强形式，按照计算， tf =150/12=12.5 mm，采用净厚度为 12.5 mm的加强筋需要增厚3 mm，不符合结构优化的目的。根据公式分析，可以减小 bf-out 的值来控制加强筋的变化；同时考虑需确保PSM的剖面模数，加强筋的实际尺寸不能变小，可以采取优化加强筋安装方式来满足HCSR的要求，将原来的偏筋改成 T 型材面板模式，使得bf-out 取值减半，根据计算可以确定面板厚度维持不变，同时PSM的剖面模數也没有损失。

3.2.4 双层底区域

1）双层底桁材最小厚度

（1）中纵桁： 根据 HCSR最小厚度的要求，双层底中纵桁在货舱区内最小厚度为 5.5+0.025xL2=11.05 mm，因此本船 Cl 中纵桁厚度应取 13（11）AH36，比原先的 12（10） AH36 增加 1 mm。

（2）旁纵桁 BL6、10、14：这三条旁纵桁根据 HCSR， PSM 最小厚度要求为 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。

旁纵桁 BL6、BL 10、BL 14 上的纵向加强筋，也从原来的 L125x80x10（7）AH，改成L125x75x12（9）AH。

2）加强筋和背肘板

对于纵骨穿过 PSM 连接处的节点形式，在规范计算中主要考虑两方面问题：第一是考虑到连接面积、趾端大小、是否有背肘板等，保证连接处的应力；第二是考虑纵骨疲劳，根据各种趾端应力系数，结合 Mars 软件对纵骨的疲劳寿命进行校核[6]。

（1）原船舱6的内底纵骨加强筋处有背肘板，而根据 HCSR 计算，该处背肘板可以取消；

（2）原底边舱 HL1、 3、 4、 5 处有背肘板，根据 HCSR 计算背肘板也可以取消。

3）抓斗强制要求

HCSR 增加了 BC-A 和 BC-B 船舶的抓斗强制要求。

对具有附加营运特性 BC-A 或 BC-B的船舶，附加标志 GRAB[X]是强制性的，空抓斗重量 X 应不小于：

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

HCSR 的抓斗强制要求对设计影响相当大， 其计算公式也跟CSR-BC 完全不同，内底板计算公式为：

式中：MGR为空抓斗的质量， t。

对于超过 200 m 的船舶，我们以往一般只取25t 的抓斗，现 HCSR 对大型船舶增加了强制抓斗的要求，这将导致内底板、底边舱斜板以及底墩侧板的板厚增加，内底板厚度普遍增加 1～1.5 mm左右，重量共增加约34.5 t。

3.2.5 舷侧

1）舷侧外板

舷侧板材由于 HCSR与 CSR-BC 采取完全不同的方法，因此无论规范计算还是有限元计算，都比原设计更加保守，增加约 2 mm 的板厚。

（1）由于CSR-BC中不强制要求最首舱（1舱）也做有限元分析，而 HCSR 增加了该要求，所以按照HCSR进行校核，初步判断1舱增量最大；

（2）2、6舱存在部分增量；

（3）3、4、5舱增量较大；

（4）7舱大部分板厚保持和原来一致，有部分板厚减小，总体变化不大。

2）舷侧肋骨

舷侧肋骨在以载荷模型为基础，计算出能够承担侧向压力的尺寸之后，需验证其屈曲性能；而由于 HCSR 的算法相比 CSR-BC 修改很多，计算结果相差较大。经过比较发现，绝大多数需要增大尺寸，主要是面板加宽加厚，估算增加重量约 20 t。

3.3   全船结构重量统计

结构重量增加是HCSR对船舶设计产生的最大影响，根据重量统计资料， 实行 HCSR的要求后，同一艘船的结构设计重量增加约1.31%，即增加约140 t。此数据仅是理论计算得出的，按照设计经验，考虑到船东特殊要求和设备基座强度裕度，加上一定的设计余量，增重将增加可能达到200 t左右。

4    结束语

通过对某82 000 DWT散货船应用与计算，面对HCSR的基本要求、结构设计准则、船体梁结构、直接强度计算要求等，我们可从下述的几点作为切入点展开相关的工作：

1）加深对HCSR的研究，梳理出一批对结构轻量化设计有帮助的结构设计优化，例如：局部位置纵骨穿过 PSM 连接处的节点形式可以取消背肘板；在首部平底拍击范围和板厚尺寸取值方面，HCSR要求的区域变广，然而强度变低，对减少结构重量有很大的幫助；

2）按照船舶特性，通过优化高强度钢材的使用范围，减少相应的零件厚度，从而达到降低结构重量的目的；

3）拓展结构设计思维，从均等布置、纵骨间距优化、主结构布置优化入手，提升结构可靠性，减少结构件数。

参考文献

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

[2]李涛. 关于协调共同结构规范（HCSR）的简介[J]. 船舶标准化与质量， 2015（01）.

[3]钟玲艳，姜艳.基于协调共同规范的散货船结构优化设计[J].中国科技投资， 2016（36）.

[4]相运福. 共同结构规范（HCSR）浅析[J]. 青岛远洋船员学院学报，2014（04）.

[5]金璐.HCSR规范关键技术及要点研究分析[J].现代制造技术与装备，2019（ 03）.

[6]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（ 05）.