協(xié)調(diào)前后共同結(jié)構(gòu)規(guī)范對比與實(shí)船計(jì)算分析

褚 洪,唐梓喬

(1.中國船級社 江蘇審圖中心，江蘇 南京 210011；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引言

為制造出更堅(jiān)實(shí)耐用和更加安全的船舶，國際船級社協(xié)會(IACS)于2006年正式發(fā)布散貨船、油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR-BC&CSR-OT)。多家IACS成員合作研究，基于堅(jiān)實(shí)的技術(shù)背景，首次使用等效設(shè)計(jì)波和凈尺寸等全新的理論，編制出兩種船型的共同結(jié)構(gòu)規(guī)范，使全球船舶制造水平得到了普遍提高。然而，這兩本規(guī)范是各自獨(dú)立開發(fā)的，采用的技術(shù)方法也不盡相同。為了消除規(guī)范中的技術(shù)差異并在整體上取得一致，IACS決定將兩本規(guī)范協(xié)調(diào)合并。該計(jì)劃于2008年啟動，主要工作集中在協(xié)調(diào)兩本規(guī)范中的關(guān)鍵技術(shù)上，如波浪載荷、疲勞評估、有限元評估和屈曲評估等。協(xié)調(diào)統(tǒng)一后的規(guī)范仍然稱為共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR-H)，于2015年7月1日生效[1]，并替代原有規(guī)范。CSR-H包括三個部分：第一部分是船體結(jié)構(gòu)的總體要求，適用于兩種船型；其余兩部分則針對散貨船和油船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)做出相應(yīng)規(guī)定。本文主要對比規(guī)范協(xié)調(diào)前后散貨船屈服強(qiáng)度直接計(jì)算的理論和方法，嘗試解析部分規(guī)范的改編原因，并進(jìn)行實(shí)例計(jì)算比較，為新規(guī)范的使用人員提供參考。

1 規(guī)范對比

1.1 評估區(qū)域

CSR-BC中規(guī)定需要進(jìn)行有限元直接計(jì)算的是船中貨艙區(qū)域，而CSR-H將評估區(qū)域擴(kuò)展到所有貨艙區(qū)域，包括最首艙和最尾艙。具體來說，在CSR-H中，貨艙被分成5個區(qū)域：貨艙中部、貨艙前部、貨艙后部、最首貨艙和最尾貨艙，而這五個區(qū)域中所有結(jié)構(gòu)不相同的艙室都要進(jìn)行有限元直接計(jì)算。CSR-H屈服強(qiáng)度評估區(qū)域見圖1。圖中，L為規(guī)范船長。

圖1 CSR-H屈服強(qiáng)度評估區(qū)域

由于在CSR-BC中不評估最首貨艙和最尾貨艙，需要直接計(jì)算確定的結(jié)構(gòu)都是用中貨艙的結(jié)構(gòu)類比替代。若最首貨艙和最尾貨艙的邊界、載荷與中貨艙有很大的差異，不對其進(jìn)行直接計(jì)算評估難以得到準(zhǔn)確結(jié)果。CSR-H擴(kuò)大評估區(qū)域是合理、必要的，但將大大增加有限元計(jì)算的工作量。

1.2 邊界約束

CSR-H的邊界約束與CSR-BC相比，在約束模型前端面X方向位移時，沒有約束獨(dú)立點(diǎn)，而是約束中剖面和內(nèi)底板的交點(diǎn)，見圖2。三艙段模型端面應(yīng)當(dāng)采用簡單支持，理論上只要約束一個點(diǎn)的X向位移就可以消除剛體位移。為了更符合實(shí)際情況，相對于CSR-BC約束整個端面，CSR-H盡可能減少約束。而選取中剖面和內(nèi)底板的交點(diǎn)，一方面在模型中該點(diǎn)本身就存在，方便尋找并施加約束；另一方面，該點(diǎn)最靠近位于中和軸的獨(dú)立點(diǎn)，使約束X方向位移而產(chǎn)生的垂向彎矩降至最低，能夠減少邊界約束反力對結(jié)果的干擾。CSR-H在后端面獨(dú)立點(diǎn)施加了端面扭矩MT-end，即在斜浪作用下的扭矩，更真實(shí)地模擬了船舶在營運(yùn)中遇到的載荷。

另外，對應(yīng)于端面扭矩MT-end，CSR-H還提出端部梁的概念。實(shí)際情況下，船體結(jié)構(gòu)在波浪中自由扭轉(zhuǎn)，翹曲并沒有必要計(jì)算?？墒窃趦啥思s束的模型上施加MT-end，端面翹曲變形較大，需要考慮對結(jié)果的影響[2]。為了盡可能模擬真實(shí)工況，減少不現(xiàn)實(shí)的翹曲變形對應(yīng)力結(jié)果的影響，在端面縱向連續(xù)構(gòu)件以及橫向甲板之上設(shè)置端部梁來約束翹曲變形。可以看出，CSR-H在增加設(shè)計(jì)波時就從整體上考慮對其他部分的影響，并采取措施使之降至最低。

圖2 中縱剖面和內(nèi)底板X方向約束

1.3 等效設(shè)計(jì)波與裝載工況

等效設(shè)計(jì)波(EDW)理論是船舶及海洋工程在波浪下的運(yùn)動響應(yīng)分析中較為前沿和便捷的方法。通過長期不規(guī)則波運(yùn)動響應(yīng)分析預(yù)報，確定某特定規(guī)則波可以產(chǎn)生與長期不規(guī)則波相同的極限響應(yīng)[3]，如加速度、橫搖角等，這樣在后續(xù)的強(qiáng)度計(jì)算中就能夠使用簡單的規(guī)則波來模擬船舶在整個營運(yùn)周期內(nèi)可能遭遇的最嚴(yán)重工況，極大簡化了波浪載荷計(jì)算過程。CSR-BC采用4種EDW。而CSR-H為了更全面地評估船舶在營運(yùn)周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用7種EDW，其中增加了使首部加速度最大的設(shè)計(jì)波HSA，對應(yīng)于最首艙的評估。在HSA設(shè)計(jì)波下，靠近首部貨艙所受到的貨物及壓載水載荷將達(dá)到最大值。而增加的斜浪設(shè)計(jì)波OST和OSA則考慮了扭轉(zhuǎn)對船體結(jié)構(gòu)的影響，尤其對大開口船有著重要意義。CSR-H增加的等效設(shè)計(jì)波也為規(guī)范適用船型的擴(kuò)展打下基礎(chǔ)，如集裝箱船等。

裝載工況方面，CSR-H基本使用CSR-BC的工況組合，將CSR-BC的剪力工況納入到所有工況中，即在每個工況中施加靜水剪力，更符合實(shí)際情況。CSR-H則更全面地考慮營運(yùn)情況，增加了隔艙裝滿工況、港內(nèi)單艙裝滿工況和港內(nèi)連艙隔艙裝載工況。

可以想象，十幾種裝載工況和7種設(shè)計(jì)波組合將超過100種計(jì)算工況，全部納入規(guī)范既不現(xiàn)實(shí)也無必要。在CSR-H規(guī)范研發(fā)時，針對計(jì)算工況的選取做了大量的研究工作，對不同尺寸、類型的船體進(jìn)行計(jì)算分析，最終確定的工況將對船體主要支撐結(jié)構(gòu)(PSM)產(chǎn)生最大壓力、最大局部剪力和彎矩[4]，但是計(jì)算工況數(shù)相對于CSR-BC還是有相當(dāng)程度的增加。表1給出一艘常規(guī)散貨船中貨艙在CSR-BC和CSR-H中的計(jì)算工況數(shù)，增幅均超過150%。計(jì)算工況數(shù)大幅增加，對軟件施加載荷、調(diào)整剪力彎矩和生成計(jì)算文件等方面的效率提出了更高的要求。

表1 計(jì)算工況數(shù)比較

1.4 船體梁載荷施加與調(diào)整

與CSR-BC相同，CSR-H要求艙段中部達(dá)到目標(biāo)垂向彎矩和目標(biāo)水平彎矩，其中目標(biāo)垂向彎矩由靜水彎矩和波浪彎矩按工況系數(shù)合成，目標(biāo)水平彎矩由相應(yīng)等效設(shè)計(jì)波產(chǎn)生。調(diào)整艙段中心位置達(dá)到目標(biāo)垂向彎矩和目標(biāo)水平彎矩，使用的是簡單梁理論。考慮剪力調(diào)整、局部載荷、約束反力等因素對艙段中心彎矩的影響，算出調(diào)整彎矩值，以集中力的形式按平面梁理論施加于模型端面。對散貨船的OST工況和OSA工況，直接在端面獨(dú)立點(diǎn)上施加調(diào)整扭矩MT-end，使模型特定位置達(dá)到目標(biāo)扭矩。散貨船非斜浪工況則要求將扭矩調(diào)整為0，消除由模型誤差產(chǎn)生的附加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

而CSR-H的剪力施加與調(diào)整相對于CSR-BC來說要復(fù)雜得多。CSR-BC要求在剪力工況下將前后橫艙壁處的剪力調(diào)整至同樣大小的目標(biāo)值，且并沒有規(guī)定調(diào)整方法。而CSR-H先要判斷前后艙壁處由于局部載荷產(chǎn)生的剪力值大小，再用靜水剪力、波浪剪力以及散貨船修正剪力計(jì)算出各自的目標(biāo)值。該目標(biāo)值的設(shè)計(jì)目的是使靠近橫艙壁處的結(jié)構(gòu)在最嚴(yán)重的局部載荷作用下疊加船體梁剪應(yīng)力。在CSR-H裝載工況中，將前后艙滿載、中艙空載以及前后艙空載、中艙滿載的工況定義為最大剪力工況(Max SFLC)，容易看出這類工況橫艙壁前后的載荷差異較大，引起的剪力也明顯大于其他裝載工況。對SFLC工況和非SFLC工況的剪力調(diào)整要經(jīng)過多重判斷，選擇不同的調(diào)整方法，具體流程見圖3。圖中，M1和M2為兩種不同的調(diào)整方法。M1較為簡單，直接在模型兩端施加彎矩，讓目標(biāo)位置的剪力達(dá)到目標(biāo)值。M2可以看作M1的延續(xù)，在模型兩端施加彎矩后，繼續(xù)在強(qiáng)框架上施加垂向力，調(diào)整剪力至目標(biāo)值。

1.5 屈服評估衡準(zhǔn)及分析

1.5.1屈服評估衡準(zhǔn)

CSR-BC中粗網(wǎng)格屈服評估衡準(zhǔn)簡明單一，其方法見式(1)。因絕大多數(shù)用戶都使用各項(xiàng)同性材料建模，故本文不考慮各項(xiàng)異性材料。

σE<235/k

(1)

式中：σE為單元等效應(yīng)力；k為材料系數(shù)。

相比之下，CSR-H粗網(wǎng)格屈服評估衡準(zhǔn)則較為復(fù)雜，見表2。

圖 3 CSR-H剪力調(diào)整流程

表2 CSR-H粗網(wǎng)格屈服評估衡準(zhǔn)

1.5.2CSR-H的評估衡準(zhǔn)分析

首先，港內(nèi)工況的許用應(yīng)力是航行工況的80%，可以理解為對港內(nèi)工況留出了20%的裕量，這部分裕量應(yīng)對的是港內(nèi)可能出現(xiàn)的波浪載荷，并確保意外的超量裝載不會對結(jié)構(gòu)造成永久性變形。

其次，承受液體側(cè)向壓力的水平槽型艙壁和帶有底凳的垂直槽型艙壁殼單元，相對于其他船體結(jié)構(gòu)留出了10%的安全裕量，該部分與CSR-OT一致[5]，應(yīng)該是根據(jù)油船的建造及使用經(jīng)驗(yàn)直接采用。而在干散貨側(cè)向壓力下的槽型艙壁則不需要此裕量，因?yàn)樵谏⒇洿囊?guī)范計(jì)算中已經(jīng)考慮了更為嚴(yán)重的貨艙意外進(jìn)水工況。

最后，對于承受側(cè)向液體壓力的無底凳的垂向槽型艙壁的槽條的殼單元，進(jìn)一步留出了10%的裕量。這是因?yàn)楦鶕?jù)營運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，無底凳的垂向槽型艙壁更容易產(chǎn)生局部裂紋等損壞。而對于此類構(gòu)件在規(guī)范計(jì)算中并無要求，采取放大安全裕量是比較穩(wěn)妥的方法。

由此可見，CSR-H的評估衡準(zhǔn)考慮更全面，納入其他規(guī)范獲得認(rèn)可內(nèi)容及營運(yùn)經(jīng)驗(yàn)更加合理。

1.6 細(xì)化網(wǎng)格分析

CSR-BC中規(guī)定，粗網(wǎng)格應(yīng)力值超過許用值95%的關(guān)鍵位置需要進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格分析，而CSR-H對細(xì)化網(wǎng)格分析要求較高，規(guī)定了強(qiáng)制細(xì)化的結(jié)構(gòu)以及細(xì)化篩選準(zhǔn)則。

(1)對船中貨艙區(qū)域，CSR-H強(qiáng)制進(jìn)行細(xì)化分析的結(jié)構(gòu)位置有：雙舷側(cè)船舶的底邊艙折角；舷側(cè)肋骨端部肘板和單舷側(cè)散貨船的底邊艙下折角;大開口;甲板和雙層底縱骨與橫艙壁的連接處;槽型艙壁與鄰接結(jié)構(gòu)的連接處。

(2)對船中貨艙區(qū)域，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行細(xì)化分析篩選的結(jié)構(gòu)位置有：主要支撐構(gòu)件腹板上的開孔，如水平桁、雙層底中的實(shí)肋板和縱桁；橫向強(qiáng)框架上的肘板趾端，如水平桁與雙層底或支撐結(jié)構(gòu)的連接；橫艙壁水平桁根部；橫向底凳與雙層底縱桁的連接以及縱向底凳與雙層底實(shí)肋板的連接；底邊艙與橫向底凳結(jié)構(gòu)的連接；頂邊艙與內(nèi)殼間的連接；槽條和上部支撐結(jié)構(gòu)與頂?shù)实倪B接；艙口角隅區(qū)域,如艙口圍端肘板、艙口角隅和艙口端橫梁的連接。

(3)對船中貨艙以外區(qū)域，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行細(xì)化分析篩選的結(jié)構(gòu)位置有：底邊艙折角；舷側(cè)肋骨端部肘板；大開口；槽條與鄰接結(jié)構(gòu)的連接。

在CSR-BC的實(shí)際操作中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)超過許用值95%的位置細(xì)化后一般也不滿足要求。因此將許用值降低5%來評估粗網(wǎng)格應(yīng)力，對應(yīng)力超出的結(jié)構(gòu)直接加強(qiáng)，很少需要進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格分析。CSR-H根據(jù)營運(yùn)經(jīng)驗(yàn)及粗網(wǎng)格與細(xì)網(wǎng)格應(yīng)力相關(guān)性分析，對最容易發(fā)生損壞的位置強(qiáng)制細(xì)化分析。為減少重復(fù)工作，對具有最大屈服利用因子處的其他關(guān)鍵位置制定篩選準(zhǔn)則，找出需要細(xì)化分析的位置。很明顯在細(xì)化網(wǎng)格分析上CSR-H的工作量將遠(yuǎn)多于CSR-BC。

2 實(shí)例計(jì)算分析與建議

2.1 IACS實(shí)船計(jì)算

為評估協(xié)調(diào)后的規(guī)范對船體結(jié)構(gòu)尺寸影響，IACS成員進(jìn)行了實(shí)船對比計(jì)算。該項(xiàng)工作基于2014年1月版的CSR-H規(guī)范，共選取了4型10艘有代表性的散貨船，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]。從粗網(wǎng)格直接計(jì)算的結(jié)果來看，除個別結(jié)構(gòu)應(yīng)力值超過許用值，船中區(qū)域的結(jié)構(gòu)基本可以滿足CSR-H的要求。而對最首艙和最尾艙來說，各個船型都需要不同程度地增加結(jié)構(gòu)尺寸以滿足規(guī)范在粗網(wǎng)格屈服強(qiáng)度中的要求。

2.2 實(shí)船計(jì)算對比分析

作者對某雙舷側(cè)散貨船同時進(jìn)行了CSR-BC和CSR-H粗網(wǎng)格屈服評估，分別使用的是CCS開發(fā)的CSR-DSA軟件和HCSR-DSA軟件。該散貨船的主要參數(shù)見表3。

表3 計(jì)算實(shí)船參數(shù)

本文只計(jì)算船中貨艙的重貨艙，其結(jié)果均符合規(guī)范要求，只有雙層底縱桁底凳下方個別單元超過許用值，由應(yīng)力集中所致，可以忽略不計(jì)。為方便比較，按式(2)將計(jì)算結(jié)果無因次化處理。

λy=σmax_vm/[σ]

(2)

式中：σmax_vm為單元在全部工況下最大等效應(yīng)力；[σ]為單元所在結(jié)構(gòu)及相應(yīng)規(guī)范中的許用應(yīng)力。

對部分主要支撐結(jié)構(gòu)的屈服利用因子λy進(jìn)行比較，見圖 4～圖 7。

圖4 外底板屈服利用因子

圖5 舷側(cè)外板(左舷)屈服利用因子

圖7 內(nèi)底板屈服利用因子

整體上來看，主要支撐結(jié)構(gòu)的屈服利用因子在CSR-H中較CSR-BC普遍有明顯提高，也就是說CSR-H對結(jié)構(gòu)的要求更加保守，但是并不用提高到需要大面積增加結(jié)構(gòu)尺寸。原來符合CSR-BC要求的船體結(jié)構(gòu)基本上也可以滿足CSR-H。

進(jìn)一步分析屈服利用因子。從外底板對比可以明顯看出，CSR-H在靠近橫艙壁處的要求更高，這是由于在所有工況中加入了剪力，調(diào)整橫艙壁處的剪力值達(dá)到目標(biāo)值，與彎矩和局部載荷疊加，使靠近橫艙壁處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力到達(dá)極值。對比上甲板屈服因子，CSR-H的橫向甲板應(yīng)力明顯高于CSR-BC，這是因?yàn)樵黾恿薕ST和OSA兩個斜浪工況，使船體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，從而提高了橫向甲板的應(yīng)力水平。再比較內(nèi)底板屈服因子分布，不難發(fā)現(xiàn)靠近船首的結(jié)構(gòu)應(yīng)力明顯提高，可以理解為使得船首加速度最大的HSA工況下，靠近前部的艙內(nèi)貨物載荷增大。從其他的圖還可以總結(jié)出，CSR-H對離船底較近的縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，如內(nèi)殼縱艙壁、舷側(cè)外板等，要求更加保守。總之，計(jì)算結(jié)果基本符合前文對載荷、裝載工況等方面的分析，與IACS的對比計(jì)算保持一致。

3 結(jié)語

本文對協(xié)調(diào)前后的共同結(jié)構(gòu)規(guī)范屈服強(qiáng)度直接計(jì)算的相關(guān)部分進(jìn)行了詳細(xì)的比較，給出部分協(xié)調(diào)規(guī)范的編寫背景并探討原因。CSR-H在屈服強(qiáng)度直接計(jì)算的要求大大提高，特別是評估區(qū)域、等效設(shè)計(jì)波、船體梁載荷調(diào)整及細(xì)化網(wǎng)格分析方面，汲取各船級社多年積累的營運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，納入業(yè)界更加認(rèn)可的規(guī)范條文，使得規(guī)范更加全面、安全、合理。通過計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證CSR-H對船體結(jié)構(gòu)的要求更加保守，但是并不需要大面積的增加尺寸，原來符合CSR-BC要求的船體結(jié)構(gòu)只需稍加修改即可滿足要求，制造成本可控。但是，CSR-H直接計(jì)算工作量將成倍地增加，對船級社的人力資源及軟件效率提出挑戰(zhàn)。