HCSR對實(shí)船優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響

堯孝君 黃寶文 范相威 李麗平 付永麗

摘? ? 要：為了滿足 GBS要求，IACS 協(xié)調(diào)了CSR-OT和CSR-BC的差異，推出了HCSR，取代原先的 CSR。本文從結(jié)構(gòu)布置、承受沖擊載荷的結(jié)構(gòu)、抓斗附加入級標(biāo)志以及最小厚度要求等方面，分析HCSR和CSR的差別，并舉例82000DWT散貨船優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析HCSR對散貨船設(shè)計(jì)建造成本的影響，探討有效的應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：HCSR；CSR-OT；CSR-BC；結(jié)構(gòu)重量；設(shè)計(jì)建造成本

中圖分類號(hào)：U663.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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（散貨船油船協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范），是IACS（國際船級社協(xié)會(huì)）響應(yīng)業(yè)界關(guān)于統(tǒng)一執(zhí)行和應(yīng)用CSR-OT（油船共同規(guī)范）和CSR-BC（散貨船共同規(guī)范）的要求，協(xié)調(diào)CSR-OT和CSR-BC在波浪載荷、強(qiáng)度衡準(zhǔn)、有限元分析、腐蝕與焊接要求及疲勞強(qiáng)度等方面的差異，同時(shí)兼顧IMO GBS（國際海事組織的船舶建造標(biāo)準(zhǔn)）的要求內(nèi)容，形成一部同時(shí)適用于散貨船和油船的共同規(guī)范。HCSR迎合IMO對船舶設(shè)計(jì)建造和航運(yùn)安全、環(huán)保的目標(biāo)，提高了散貨船和油船的建造要求[1]，使得規(guī)范的應(yīng)用變得更復(fù)雜，船舶設(shè)計(jì)建造的成本隨之增加。

2? ? HCSR編制過程和生效

以IMO GBS為依準(zhǔn)，協(xié)調(diào)CSR的差異，形成HCSR。HCSR適用于船長 90～500 m船舶，以25年作為船舶的使用周期，而CSR-BC的適用范圍為船長 90～350 m，因此HSCR的實(shí)施，對超大型散貨船設(shè)計(jì)建造具有更深遠(yuǎn)的影響，HSCR適用于2015 年7 月1 日及以后簽訂的建造合同[2]。

3? ? HCSR對散貨船結(jié)構(gòu)的影響

以某82 000 DWT散貨船為例，在不改變總體布置、基本參數(shù)并保留原先結(jié)構(gòu)布置的情況下，分析HCSR對散貨船的優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響。

3.1? ?船的主尺度

總長Loa ? ? ? ? ? ? ? ? 229.00 m

垂線間長Lbp 225.50 m

型寬B ? ? ? ? ? ? ? ? 32.26 m

型深D ? ? ? ? ? ? ? ? 20.05 m

設(shè)計(jì)吃水 ? ? ? ? ? ? ? ? 12.20 m

結(jié)構(gòu)吃水T ? ? ? ? ? ? ? ? 14.45 m

3.2? ?HCSR的結(jié)構(gòu)對比與設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了滿足HCSR的要求，對全船的典型結(jié)構(gòu)形式、節(jié)點(diǎn)以及典型的尺寸進(jìn)行分析對比。

3.2.1 首部區(qū)域

1）首柱

對于首柱厚度的要求， HCSR較CSR-BC較低。

（1）CSR

式中：SB為水平縱桁、強(qiáng)胸橫梁或等效水平加強(qiáng)構(gòu)件的間距， m[3]。

（3）對于船首沖擊加強(qiáng)區(qū)域強(qiáng)胸橫梁/隔板的凈厚度 tw，HCSR要求不小于：

根據(jù)上述公式，實(shí)船需要增加水平隔板的板厚。

2）首部平底砰擊區(qū)域

CSR-BC 與 HCSR 在首部平底砰擊方面的規(guī)定差異較大，體現(xiàn)在船底砰擊范圍和板厚尺寸上。

（1）CSR-BC

平底砰擊區(qū)域?yàn)轸即咕€向后0.2 V? ? 之前的船底平坦區(qū)域及從基線起0.05 TB 或 0.3 m（取小者）高度范圍內(nèi)，即平底砰擊區(qū)域大概為首柱向后 45 m、高度 0.3 m。

（2）HCSR

平底砰擊區(qū)域?yàn)轸即咕€向后 0.3 L之前的船底平坦區(qū)域及從基線起 0.5 m高度范圍內(nèi)[4]，即平底砰擊區(qū)域大概為首柱向后 67 m、高度 0.5 m。

從兩者對比可以看出：在首部平底砰擊區(qū)域的定義方面，HCSR在縱向和垂向的定義都比 CSR-BC 大很多；但在砰擊范圍內(nèi)的相同坐標(biāo)處，HCSR計(jì)算出的板厚要比 CSR-BC小很多，約有 3～6 mm的差異。因此可以總結(jié)為雖然HCSR定義的首部平底砰擊區(qū)域范圍較大，但強(qiáng)度要求較CSR-BC低，從而導(dǎo)致按HCSR首部平底砰擊區(qū)域的結(jié)構(gòu)重量反而減少了30 t。

3.2.2 尾部區(qū)域

HCSR 對于受到螺旋槳激振力的區(qū)域的尺寸和端部形式作出了要求[5]：

1）位于螺旋槳以上的艉尖艙、壓載艙或淡水艙內(nèi)的肋板和桁材的骨材的高度hstf，不應(yīng)小于：

hstf = 80 lstf ，lstf為骨材長度，對于扁鋼骨材不必大于 5 m；

hstf = 70 lstf ，lstf為骨材長度，對于球扁鋼和有翼板的骨材不必大于 5 m。

上述要求也適用位于縱向延伸介于舵柱前緣和螺旋槳槳轂后端、橫向位于螺旋槳直徑以內(nèi)區(qū)域內(nèi)的骨材；

2）端部肘板，按以下要求設(shè)置：

lstf-t超過 4 m 時(shí)，上下兩端應(yīng)設(shè)置端部肘板；

lstf-t超過 2.5 m 時(shí)，下端應(yīng)設(shè)置端部肘板。

綜上所述，發(fā)現(xiàn)按HCSR部分加強(qiáng)筋不能滿足要求，需要加大尺寸；而對于本身長度較大的加強(qiáng)筋，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面考慮不能一味地加大尺寸，故在相應(yīng)加強(qiáng)筋部位設(shè)置了水平筋進(jìn)行優(yōu)化。

3.2.3 頂邊艙區(qū)域

1）PSM開孔要求

關(guān)于甲板結(jié)構(gòu)， HCSR 要求比 CSR-BC 更簡潔，然而有一點(diǎn)需要注意： HCSR 對 PSM 的腹板高度要求當(dāng)縱骨貫穿孔不封閉時(shí)，PSM 腹板高度要大于孔深度的 2.5 倍。原船的頂邊艙強(qiáng)框內(nèi)，甲板縱骨穿過強(qiáng)框的貫穿孔較大，導(dǎo)致PSM 腹板高度沒有達(dá)到HCSR的要求。為此，在相應(yīng)的貫穿孔增加補(bǔ)板，減少貫穿孔深度，避免PSM腹板高度的加大。

2）PSM 上 ring 周圍的加強(qiáng)筋修改

在HCSR中明確了主要支撐構(gòu)件翼板凈厚度的要求：

式中：Cf 為翼板的長細(xì)比系數(shù)，取Cf? = 12。

在原船的設(shè)計(jì)中，頂邊艙P(yáng)SM的ring都是加強(qiáng)筋偏裝的加強(qiáng)形式，按照計(jì)算， tf =150/12=12.5 mm，采用凈厚度為 12.5 mm的加強(qiáng)筋需要增厚3 mm，不符合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。根據(jù)公式分析，可以減小 bf-out 的值來控制加強(qiáng)筋的變化；同時(shí)考慮需確保PSM的剖面模數(shù)，加強(qiáng)筋的實(shí)際尺寸不能變小，可以采取優(yōu)化加強(qiáng)筋安裝方式來滿足HCSR的要求，將原來的偏筋改成 T 型材面板模式，使得bf-out 取值減半，根據(jù)計(jì)算可以確定面板厚度維持不變，同時(shí)PSM的剖面模數(shù)也沒有損失。

3.2.4 雙層底區(qū)域

1）雙層底桁材最小厚度

（1）中縱桁： 根據(jù) HCSR最小厚度的要求，雙層底中縱桁在貨艙區(qū)內(nèi)最小厚度為 5.5+0.025xL2=11.05 mm，因此本船 Cl 中縱桁厚度應(yīng)取 13（11）AH36，比原先的 12（10） AH36 增加 1 mm。

（2）旁縱桁 BL6、10、14：這三條旁縱桁根據(jù) HCSR， PSM 最小厚度要求為 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。

旁縱桁 BL6、BL 10、BL 14 上的縱向加強(qiáng)筋，也從原來的 L125x80x10（7）AH，改成L125x75x12（9）AH。

2）加強(qiáng)筋和背肘板

對于縱骨穿過 PSM 連接處的節(jié)點(diǎn)形式，在規(guī)范計(jì)算中主要考慮兩方面問題：第一是考慮到連接面積、趾端大小、是否有背肘板等，保證連接處的應(yīng)力；第二是考慮縱骨疲勞，根據(jù)各種趾端應(yīng)力系數(shù)，結(jié)合 Mars 軟件對縱骨的疲勞壽命進(jìn)行校核[6]。

（1）原船艙6的內(nèi)底縱骨加強(qiáng)筋處有背肘板，而根據(jù) HCSR 計(jì)算，該處背肘板可以取消；

（2）原底邊艙 HL1、 3、 4、 5 處有背肘板，根據(jù) HCSR 計(jì)算背肘板也可以取消。

3）抓斗強(qiáng)制要求

HCSR 增加了 BC-A 和 BC-B 船舶的抓斗強(qiáng)制要求。

對具有附加營運(yùn)特性 BC-A 或 BC-B的船舶，附加標(biāo)志 GRAB[X]是強(qiáng)制性的，空抓斗重量 X 應(yīng)不小于：

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

HCSR 的抓斗強(qiáng)制要求對設(shè)計(jì)影響相當(dāng)大， 其計(jì)算公式也跟CSR-BC 完全不同，內(nèi)底板計(jì)算公式為：

式中：MGR為空抓斗的質(zhì)量， t。

對于超過 200 m 的船舶，我們以往一般只取25t 的抓斗，現(xiàn) HCSR 對大型船舶增加了強(qiáng)制抓斗的要求，這將導(dǎo)致內(nèi)底板、底邊艙斜板以及底墩側(cè)板的板厚增加，內(nèi)底板厚度普遍增加 1～1.5 mm左右，重量共增加約34.5 t。

3.2.5 舷側(cè)

1）舷側(cè)外板

舷側(cè)板材由于 HCSR與 CSR-BC 采取完全不同的方法，因此無論規(guī)范計(jì)算還是有限元計(jì)算，都比原設(shè)計(jì)更加保守，增加約 2 mm 的板厚。

（1）由于CSR-BC中不強(qiáng)制要求最首艙（1艙）也做有限元分析，而 HCSR 增加了該要求，所以按照HCSR進(jìn)行校核，初步判斷1艙增量最大；

（2）2、6艙存在部分增量；

（3）3、4、5艙增量較大；

（4）7艙大部分板厚保持和原來一致，有部分板厚減小，總體變化不大。

2）舷側(cè)肋骨

舷側(cè)肋骨在以載荷模型為基礎(chǔ)，計(jì)算出能夠承擔(dān)側(cè)向壓力的尺寸之后，需驗(yàn)證其屈曲性能；而由于 HCSR 的算法相比 CSR-BC 修改很多，計(jì)算結(jié)果相差較大。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)需要增大尺寸，主要是面板加寬加厚，估算增加重量約 20 t。

3.3? ?全船結(jié)構(gòu)重量統(tǒng)計(jì)

結(jié)構(gòu)重量增加是HCSR對船舶設(shè)計(jì)產(chǎn)生的最大影響，根據(jù)重量統(tǒng)計(jì)資料， 實(shí)行 HCSR的要求后，同一艘船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量增加約1.31%，即增加約140 t。此數(shù)據(jù)僅是理論計(jì)算得出的，按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，考慮到船東特殊要求和設(shè)備基座強(qiáng)度裕度，加上一定的設(shè)計(jì)余量，增重將增加可能達(dá)到200 t左右。

4? ? 結(jié)束語

通過對某82 000 DWT散貨船應(yīng)用與計(jì)算，面對HCSR的基本要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、船體梁結(jié)構(gòu)、直接強(qiáng)度計(jì)算要求等，我們可從下述的幾點(diǎn)作為切入點(diǎn)展開相關(guān)的工作：

1）加深對HCSR的研究，梳理出一批對結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)有幫助的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，例如：局部位置縱骨穿過 PSM 連接處的節(jié)點(diǎn)形式可以取消背肘板；在首部平底拍擊范圍和板厚尺寸取值方面，HCSR要求的區(qū)域變廣，然而強(qiáng)度變低，對減少結(jié)構(gòu)重量有很大的幫助；

2）按照船舶特性，通過優(yōu)化高強(qiáng)度鋼材的使用范圍，減少相應(yīng)的零件厚度，從而達(dá)到降低結(jié)構(gòu)重量的目的；

3）拓展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思維，從均等布置、縱骨間距優(yōu)化、主結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化入手，提升結(jié)構(gòu)可靠性，減少結(jié)構(gòu)件數(shù)。

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