IACS协调共同结构规范的主要变化及影响

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(中国船级社，北京 100007)

2006年国际船级社协会(IACS)推出了《散货船共同结构规范》(CSR BC)和《双壳油船共同结构规范》(CSR OT)。这两本规范之间存在着诸多不协调之处，如波浪载荷、尺度要求、直接计算、屈曲和疲劳校核等。IACS于2008年成立工作组，对《散货船和油船共同结构规范》进行协调和修改，于2014年1月正式推出了新的规范，即《散货船和油船共同结构规范》，也称为协调共同规范(HCSR)[1-2]。

HCSR规范将于2015年7月1日正式生效，新规范的实施势必带来一轮新的船型开发。那么，HCSR相对于CSR BC和CSR OT存在哪些变化，对船舶结构尺寸又有什么样的影响，这是船舶工业界关心的问题[3]。限于篇幅，仅就HCSR规范对结构设计和尺寸要求影响较大者进行整理和概要分析，希望能为我国船舶工业界使用HCSR规范提供一些参考和借鉴。

1 规范的主要变化

HCSR规范在以下几方面进行了修改。

①载荷；②描述性要求；③直接强度分析；④屈曲要求；⑤疲劳校核。

1.1 载荷

1.1.1 船体梁静水弯矩

HCSR规定的《船体梁许用静水弯矩是装载手册》中各装载工况的弯矩曲线的包络值和规范规定的最小值之大者，与CSR OT相同。而CSR BC则是根据船体梁的弯曲能力扣除波浪弯矩后，反推给出的船体梁许用静水弯矩，该值通常远远大于HCSR规范的要求值。

1.1.2 船体梁静水剪力

HCSR规范采用了CSR OT的规定，对于散货船有所变化。CSR BC要求给出各装载工况的船体梁剪力包络值作为船体梁静水剪力，而HCSR要求给出经过剪力修正后的船体梁静水剪力。这就导致在规范计算中应用船体梁静水剪力时，两本规范也有所不同。

1)在描述性要求计算中，CSR BC需要对船体梁静水剪力进行修正，再代入计算；而HCSR则直接采用给定的值。

2)在有限元校核中，CSR BC的船体梁静水剪力可直接用于有限元校核；而HCSR则需先根据公式反推出修正前的剪力，再代入计算。

1.1.3 船体梁水平波浪弯矩、垂向波浪剪力

HCSR规范降低了船体梁水平波浪弯矩和垂向波浪剪力。例如，以某型VLCC为例，HCSR与CSR BC和CSR OT的船体梁水平波浪弯矩和垂向波浪剪力对比见图1、图2(CSR BC与CSR OT值相同，曲线重叠)。

图1 船体梁水平波浪弯矩对比

图2 船体梁垂向波浪剪力对比

1.1.4. 等效设计波

HCSR对等效设计波的参数、运动加速度、动载荷组合系数以及动压力计算都做了大范围调整。以航速和考虑的浪向为例，对比见表1。

表1 航速和浪向对比

以横浪工况的甲板压力分布为例，HCSR横浪工况下的甲板压力大于CSR BC和CSR OT，对比见表2。

表2 横浪工况甲板压力对比

1.2 描述性要求

1.2.1 船体梁强度

HCSR船体梁弯曲强度校核采用了CSR BC的校核方式，剪切强度校核采用了CSR OT的校核方式。

HCSR增加了残存强度的要求，需要校核碰撞和搁浅破损状态下的船体梁极限强度要求。

对于完整状态下船体梁极限强度校核，HCSR引入了双层底弯曲影响系数γDB，用于考虑双层底弯曲对船体梁极限弯曲能力的折减。对BC-A型散货船的空舱，船体梁极限能力将折减20%以上，可能导致部分散货船不满足极限强度要求。

1.2.2. 船体局部尺寸

HCSR在板的最小净厚度、板厚要求、纵骨剖面模数、晃荡载荷的强度要求、船底砰击强度校核区域等进行了调整。

1)最小净厚度。HCSR取CSR OT和CSR BC中较大的要求。以船底板要求为例，对比见表3。

表3 最小净厚度对比

2)纵骨模数要求。HCSR采用了CSROT的要求，与CSR BC计入船体梁应力和材料屈服强度的方式不同。总体而言，HCSR对纵骨模数的要求高于CSR BC。

3)板厚要求。HCSR增加了冗余度系数χ，将使得散货船内底和底边舱斜板的板厚要求提高13%。

4)晃荡要求。HCSR增加了散货船液舱的晃荡载荷引起的强度要求，方法同CSR OT。对于散货船的变化，见表4。

表4 晃荡要求对比

5)船底砰击区域。HCSR与CSR OT的船底砰击区域规定相同，扩大了散货船的砰击强度校核区域，见表5。

表5 船底砰击区域对比

1.2.3 散货船特殊要求

1)舷侧肋骨上下连接支撑强度。CSR BC取支撑舷侧肋骨上下端的纵骨的弹性剖面模数，而HCSR使用相关纵骨的塑性剖面模数，要求降低。

2)散货船抓斗要求。HCSR规范提高了最小抓斗重量的规定，同时修改了抓斗要求的公式。

①按照最小抓斗重量要求确定板厚尺寸时，对于船长大于200 m的散货船，HCSR要求的板厚有所增加。见表6。

表6 抓斗要求对比(按最小抓斗质量)

当设计的抓斗重量大于规范要求的最小抓斗重量时， HCSR要求的板厚会有所降低。见表7。

表7 抓斗要求对比 (按相同抓斗质量)

1.3 直接强度分析

1.3.1 舱段评估范围

HCSR要求对包括最艏艉货舱在内的所有货舱区域进行三舱段模型直接计算强度校核。CSR则是将中部货舱区域的评估结果延伸至其他货舱区域。

1.3.2 载荷工况和装载模式

HCSR规范对载荷工况进行了大范围的调整，并且增加了艏部和艉部货舱的装载工况。总校核工况数量大幅增加。3个规范的载荷工况对比见表8。

表8 载荷工况对比

对于船中货舱，HCSR的装载模式与CSR基本相同，仅BC-A型散货船增加了两种装载模式，见表9。

表9 HCSR新增装载模式

1.3.3 舱段评估边界条件

HCSR增加了计入船体梁转矩的作用，不再保留平断面假设，采用端面约束梁模拟船体结构对端部边界的翘曲约束。

1.3.4 船体梁载荷调整

1)新增船中以外货舱区域三舱段模型的弯矩调整方法。

2)新增船体梁扭矩调整方法。

3)剪力调整方法：主要采用CSR BC的通过端部施加同向弯矩调整剪力的方法，同时结合了CSR OT采用强框架施加集中力的方法。

①方法1。模型两端施加同向弯矩，使得中间货舱一个舱壁处的剪力达到目标值

②方法2。对于使用方法1调整后，中间舱另一舱壁处剪力超过目标值的情况，采用模型两端施加同向弯矩，同时在各档强框架处施加剪力的方法。

1.3.5 模型

HCSR统一了细化网格尺寸的规定，统一了应力计算所用的腐蚀折减的规定，见表10。

表10 有限元模型对比

1.3.6 细化网格分析区域

HCSR采用了CSR OT关于细化网格分析区域的技术路线，即分为强制细化区域和筛选细化区域相结合的方式，但修改了筛选衡准的要求。在此不详细比较。

1.4 屈曲评估

1.4.1 屈曲评估方法

3个规范之间的主要区别见表11。

表11 屈曲评估方法对比

表中，关于边界条件的两种方法的区别是：方法A，单元边界强制保持直边；方法B，单元边界不强制保持直边。通常方法B的要求高于方法A。

1.4.2 刚度和尺度比要求

HCSR的要求与CSR OT几乎相同，但球扁钢加强筋腹板的长细比要求稍有降低。与CSR BC的要求有所区别。

1.4.3 描述性屈曲要求

1)HCSR增加了加筋板格的整体屈曲校核，而CSR BC和CSR OT均仅有校核板、加强筋的屈曲。

2)HCSR采用了CSR BC的载荷及应力组合方式，与CSR OT差异较大。

3)HCSR统一了板和加强筋的屈曲强度校核公式，与CSR差异较大，导致屈曲评估结果的明显变化。如板的屈曲校核公式对比见表12。

表12 屈曲校核公式对比

4)HCSR对一些细节的规定做了调整。以加强筋屈曲的有效轴向应力取值为例，见表13。

表13 加强筋屈曲的轴向应力

在HCSR中，beff1通常小于s，这就导致加强筋的有效轴向应力增大，使得加强筋的屈曲计算结果变差。

1.4.4 直接计算屈曲要求

HCSR在屈曲强度校核修改较大，限于篇幅，在此仅列出重要的修改说明。

1)HCSR规范统一采用公式法进行校核，删除了油船的高级屈曲分析方法。

2)HCSR重新修改了屈曲校核的公式，与原CSR规范变化较大。

3)HCSR在校核的构件、载荷、参考应力及非矩形板格等效方法等方面进行了调整。见表14。

表14 直接计算屈曲要求对比

4)HCSR对槽型舱壁的屈曲、单舷侧散货船舷侧外板的屈曲以及开孔的主要支撑构件的腹板屈曲的评估方法做了修改和完善。例如，对垂直槽型舱壁的屈曲模式，HCSR与CSR的见表15。

表15 槽型舱壁屈曲模式对比

1.5 疲劳强度校核

1.5.1 疲劳载荷

HCSR修改了疲劳载荷的概率水平和韦伯形状参数，见表16。

表16 疲劳载荷对比

1.5.2S-N曲线

HCSR在计算疲劳累计损伤时，引入了空气中(有涂层保护)和腐蚀环境中(无涂层保护)两种情况，并分别选择S-N曲线。而CSR BC和CSR OT均不考虑腐蚀环境下的情况。通常情况下，考虑腐蚀环境会使得计算得到的疲劳寿命大幅降低。

1.5.3 简化应力法

HCSR简化应力法校核所用的几何应力集中系数由CSR OT转换得来，与CSR BC差异较大。以图3节点形式中的A点为例进行对比。

图3 对比节点图示

HCSR与CSR BC的几何应力集中系数见表17。

表17 应力集中系数对比

HCSR几何应力集中系数的提升，将导致计算得到的疲劳寿命较CSR降低。

1.5.4 影响因素

1)HCSR根据节点形式确定厚度影响系数的指数n，其取值为0～0.25 ，而CSR BC和CSR OT则固定为0.25。对于十字接头(如底边舱下折角)和T形接头等，HCSR与CSR的板厚影响系数相同；其他情况下，HCSR的系数有所降低，这将导致疲劳寿命较CSR有所提高。

2)HCSR引入了母材的表面处理系数Ksf，用以反映母材表面处理对疲劳应力范围的影响。对于轧制和挤压成型的板和型材，以及经过倒角或倒圆的切割边，该系数将提高疲劳寿命；其他情况下，将导致疲劳寿命较CSR有所降低。

1.5.5 应力处理

1)对于有限元疲劳校核，HCSR采用热点应力，与CSR OT相同，而CSR BC采用切口应力。两种应力与名义应力的对比见图4。

图4 名义应力、热点应力、切口应力对比

通常来讲，切口应力大于热点应力，因此该变化对改善BC的疲劳寿命是有利的。

2)HCSR的平均应力修正方法和热点应力的插值方法都做了调整。与CSR BC和CSR OT的差异较大。这会对疲劳寿命有较大的影响。

3)对于母材自由边的边缘应力，HCSR的方法是在自由边附加梁单元，以其轴向应力作为边缘应力，而CSR BC采用母材的板单元应力外插得到边缘应力。HCSR的方法更接近真实应力。

2 实船评估

IACS通过对17型系列散货船和油船进行规范评估计算对比，评估了HCSR规范带来的影响。

计算评估内容如下。

1)描述性要求。船中货舱、最艏货舱、最艉货舱、艏尖舱、机舱和艉尖舱。

2)直接计算分析。船中货舱、最艏货舱和最艉货舱

3 实船的结果影响

HCSR规范对不同船型的影响差异较大，甚至即便吨位相近的船型，由于设计的差异，其结果影响也不尽相同。通过对上述船型评估结果的梳理分析，得出了一些共性的结论。

3.1 船体梁强度

1)船体梁极限强度。由于HCSR增加了双层底影响系数γDB，对于BC-A型散货船的空舱影响较大。CA报告中，两型Capesize BC船中货舱不满足要求，大约相差2%～4%。

2)船体梁残存强度。CA结果中所有评估船型均满足要求，且多数船型还有较大的安全余量。

3.2 船体局部尺寸

1)最小净厚度(含刚度尺度比要求)。部分结构的尺度由最小净厚度决定，且HCSR的板厚要求提高0.5～1.5 mm，如：散货船货舱的双层底非水密纵桁、机舱的舷侧外板，油船货舱的龙骨、舷顶列板、双层底非水密纵桁、双壳非水密水平桁等。

2)局部压力要求。对散货船，HCSR对内底和底边舱斜板的要求可提高0.5～1.5 mm，对船底、内底、甲板纵骨模数要求可能提高近20%。在艏部船底砰击区域，HCSR对板厚的要求降低，但对纵骨的模数要求提高。

对于油船，HCSR对内底板、底边舱斜板以及内壳、纵舱壁和横舱壁的上部板厚要求提高0.5～3.0 mm，对甲板，以及纵舱壁、内壳、横舱壁的上部的纵骨的模数要求提高。

3)散货船特殊要求。

①抓斗要求。在采用相同抓斗重量的情况下，HCSR降低了抓斗要求。而采用规范要求的最小抓斗重量时，HCSR的要求则有所提高。

②钢卷要求。相对CSR BC，HCSR对板厚要求稍有降低，对纵骨的模数要求提高。

3.3 有限元屈服校核

一般情况下，按照CSR规范设计的船，也基本能够满足HCSR的有限元屈服校核。

3.4 屈曲要求

3.4.1 描述性屈曲要求

对于散货船，单舷侧散货船舷侧处的屈曲要求有所提高。

对于油船，纵舱壁和内壳上的部分纵骨可能不满足HCSR要求。

3.4.2. 有限元屈曲校核

HCSR屈曲要求有所提高，下列位置可能不满足HCSR屈曲校核。

1)散货船。甲板、舱口间甲板、顶边舱斜板、底边舱斜板、双层底纵桁、双层底实肋板。

2)油船。底边舱斜板、内壳上部、纵舱壁上部、双壳水平桁、双层底实肋板。

3.5 简化法疲劳

对于Capesize型散货船，顶边舱内的甲板、顶边舱斜板和舷侧纵骨疲劳寿命可能不满足。

对于VLCC、Suezmax、Handymax等油船，船底和舷侧纵骨疲劳寿命可能不满足。

4 结论

1)HCSR规范在波浪载荷、尺寸要求、直接强度分析、屈曲评估和疲劳强度校核等方面进行了协调和统一。

2)HCSR规范的理论背景和技术路线更趋完善。

3)总体来说，HCSR对局部结构尺寸的要求既有提高的部分，也存在降低的部分。这就需要设计时进行优化，以便在满足HCSR规范要求的前提下，设计出更优秀的船型。

4)HCSR对计算工作量的要求大幅提高，特别是直接强度分析的计算工作量。

[1] 国际船级社协会.IACS散货船结构共同规范(中文)[S].中国船级社，译，北京：中国船级社，2006.

[2] 国际船级社协会.IACS双壳油船共同结构规范(中文)[S].中国船级社，译，北京：中国船级社，2006.

[3] 胡胜谦，张延昌，刘 昆.基于CSR共同规范的船体梁极限强度分析[J].船海工程，2013，42(1)：5-8.