輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新穎度評(píng)價(jià)及安全評(píng)估方法

吳嘉蒙 湯雅敏 朱文博 蔡詩(shī)劍 韓 濤 朱俊俠 王 元

（1.上海市船舶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200011；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

目前，作為國(guó)際海事組織（international maritime organization，IMO）公認(rèn)的節(jié)能減排技術(shù)措施之一，輕量化（lightweight）技術(shù)不僅已成為未來(lái)船舶發(fā)展的重要趨勢(shì)，也是提升我國(guó)船舶核心競(jìng)爭(zhēng)力的有效措施。工業(yè)和信息化部已將突破新材料與船體輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)作為海洋工程裝備和高技術(shù)船舶重點(diǎn)領(lǐng)域的關(guān)鍵共性技術(shù)之一[1]。從船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域來(lái)看，輕量化技術(shù)雖有應(yīng)用但成果有限，較多仍集中于構(gòu)件尺寸優(yōu)化和有限的方案優(yōu)選等，在新穎或替代設(shè)計(jì)方面開(kāi)展較少，特別是在國(guó)內(nèi)[2]。

隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，特別是拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和復(fù)合材料的不斷工程化應(yīng)用，突破規(guī)范或超規(guī)范的新穎設(shè)計(jì)將不斷出現(xiàn)，各自呈現(xiàn)不同的新穎度。而現(xiàn)有規(guī)范的安全評(píng)估要求大多針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，可能無(wú)法直接保證其適用于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（特別是那些已突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的新型結(jié)構(gòu)，以及采用新材料、新穎度較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等）。因此，深入研究并建立1 套評(píng)估輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性評(píng)估方法，已成為滿足船舶安全規(guī)范規(guī)則以外更高層次保證船舶輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全的必要手段。

中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“本院”）自2016 年成立輕量化技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)以來(lái)，一直致力于將輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)用化，借助“船體實(shí)用輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)研究”科研課題，結(jié)合多種船型的輕量化實(shí)船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新穎度評(píng)價(jià)及安全評(píng)估方法開(kāi)展了深入研究。

1 船舶結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系綜述

1.1 基于規(guī)范的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系

船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范是船舶入級(jí)應(yīng)達(dá)到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最低安全標(biāo)準(zhǔn)?；谝?guī)范的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系，是目前船舶結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)與評(píng)估的主要方法之一。

船舶行業(yè)的規(guī)范雛形源于18 世紀(jì)下半葉由倫敦勞埃德咖啡館的海運(yùn)保險(xiǎn)商所制定的船舶安全性評(píng)價(jià)系統(tǒng)。與其他國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展相似，船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范也遵循著從單純“經(jīng)驗(yàn)”到“經(jīng)驗(yàn)+經(jīng)典理論”，再到“經(jīng)驗(yàn)+經(jīng)典理論+計(jì)算理論”，直至目前的“經(jīng)驗(yàn)+經(jīng)典理論+計(jì)算理論+管理理論”四位一體格局[3]。其中，經(jīng)驗(yàn)性規(guī)范在目前結(jié)構(gòu)規(guī)范的最小厚度要求方面仍有體現(xiàn)；二位一體規(guī)范所采用的經(jīng)典力學(xué)理論，形成了目前結(jié)構(gòu)規(guī)范的描述性尺寸要求；2015 年由國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（international association of classification societies，IACS）發(fā)布實(shí)施的散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（common structural rules for bulk carriers and oil tankers,CSR）[4]，已經(jīng)成為三位一體規(guī)范體系的重要標(biāo)桿；而目前最能體現(xiàn)四位一體格局的新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，就是近年來(lái)由IMO 推出的針對(duì)散貨船和油船的目標(biāo)型船舶建造標(biāo)準(zhǔn)[5]，這是采用確定性/描述性方法制定的目標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)（goal-based standards，GBS），也稱(chēng)GBS 建造標(biāo)準(zhǔn)，其集中了IMO、主管機(jī)關(guān)、船級(jí)社、國(guó)際船東組織或行業(yè)組織等海事相關(guān)利益方的技術(shù)力量。

1.2 基于風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系

相較于偏重經(jīng)驗(yàn)性和描述性的基于規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，基于風(fēng)險(xiǎn)的方法則更偏向于全壽期的安全管理[6]，以確保在全壽期內(nèi)船舶處于可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平，即在設(shè)計(jì)階段通過(guò)基于風(fēng)險(xiǎn)信息的規(guī)范或基于第一原理的分析工具等盡可能降低風(fēng)險(xiǎn)；在營(yíng)運(yùn)階段監(jiān)控管理殘余風(fēng)險(xiǎn)；在突發(fā)事件時(shí)有相應(yīng)的應(yīng)急管理。從1990 年起，基于風(fēng)險(xiǎn)的方法在海工領(lǐng)域已被廣泛接受和普遍使用；而在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，則主要集中在IMO 層面的綜合安全評(píng)估[7]（formal safety assessment，F(xiàn)SA）和采用安全水平法（safety level approach，SLA）制定的目標(biāo)型標(biāo)準(zhǔn)方面[8]。

FSA 是一種結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)性的分析方法。在采用SLA 制定GBS 時(shí)使用FSA，目的是全面、綜合地考慮影響安全的諸多因素；通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用和受益評(píng)估，提出合理且能有效控制風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)范要求，從而不斷改進(jìn)和提高規(guī)范的水平。GBS 原則上屬于基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是采用確定性/描述性方法或是以SLA 來(lái)制定GBS，GBS 自上而下都包括5 層要求，如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 GBS 的5 層框架體系

IMO 推出的FSA 框架主要包括5 個(gè)步驟，即：危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)控制方案、成本效益評(píng)估、提供決策參考建議。將FSA 的5 個(gè)步驟和GBS 的5 個(gè)層次結(jié)合起來(lái)看：FSA 的第1 步“危險(xiǎn)識(shí)別”，可用來(lái)確定GBS 的研究范圍；第2 步“風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估”，包括結(jié)構(gòu)可靠性分析（structural reliability analysis,SRA），其可對(duì)某種船型或其中某個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體風(fēng)險(xiǎn)分析，確定研究對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)水平，根據(jù)所得結(jié)果設(shè)定安全目標(biāo)；FSA 的第3 步“風(fēng)險(xiǎn)控制方案”，是為了找出符合成本效益比的風(fēng)險(xiǎn)控制方案，以達(dá)到符合風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)的安全水平，在GBS 框架中對(duì)應(yīng)的是功能性要求的符合驗(yàn)證；FSA的第4步“成本效益評(píng)估”和第5 步“提供決策參考建議”，對(duì)于GBS 第4 層的船級(jí)社規(guī)范的建立及替代設(shè)計(jì)的選擇有積極作用。

因此，可以認(rèn)為SRA 和FSA 都是發(fā)展基于SLA 的GBS 的重要工具。GBS 第1 層的安全環(huán)保等目標(biāo)均是通過(guò)第2 層的具體功能性要求來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這些功能性要求則需通過(guò)SRA 和FSA 等風(fēng)險(xiǎn)分析方法來(lái)量化。

1.3 基于極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系

極限狀態(tài)安全評(píng)估[9]是一種系統(tǒng)的方法，其要求每個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件都應(yīng)按既定設(shè)計(jì)場(chǎng)景下可能的失效模式（見(jiàn)表1）進(jìn)行安全評(píng)估。每種失效模式可能與1 個(gè)或多個(gè)極限狀態(tài)關(guān)聯(lián)，因此船體結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)是多種失效模式與特征載荷的組合。

表1 不同極限狀態(tài)涉及的可能失效模式

船體結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)主要包括以下幾種：

（1）正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)（serviceability limit state，SLS），指超越了該狀態(tài)則不再滿足特定的要求，如局部損壞或局部過(guò)大變形。

（2）最終極限狀態(tài)

最終極限狀態(tài)（ultimate limit state，ULS），指完整（無(wú)破損）條件下，對(duì)應(yīng)于最大載荷承受能力的極限狀態(tài)；或在某些情況下對(duì)應(yīng)于最大應(yīng)變或變形的極限狀態(tài)，如大變形、失穩(wěn)或結(jié)構(gòu)成為塑性鉸等。

（3）疲勞極限狀態(tài)

疲勞極限狀態(tài)（fatigue limit state，F(xiàn)LS），指由于時(shí)變（交變）載荷而引起的結(jié)構(gòu)失效。

（4）事故極限狀態(tài)

事故極限狀態(tài)（accidental limit state，ALS），指結(jié)構(gòu)抵抗事故的能力。

基于極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，就是根據(jù)上述劃分的不同極限狀態(tài)，確定其包含的不同設(shè)計(jì)場(chǎng)景，通過(guò)合理的技術(shù)方法確定各場(chǎng)景下結(jié)構(gòu)構(gòu)件能承受的最小極限載荷，可認(rèn)為各場(chǎng)景在一定極限載荷下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的響應(yīng)滿足安全衡準(zhǔn)，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效。

每種極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，可采用基于規(guī)范或基于風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法?，F(xiàn)行CSR的制定原則之一就是參照了極限狀態(tài)安全評(píng)估理念，其中SLS、ULS和FLS所對(duì)應(yīng)的是營(yíng)運(yùn)工作危險(xiǎn)。這些危險(xiǎn)的直接原因雖然是各類(lèi)工作及環(huán)境載荷的作用，但其本質(zhì)還是由于結(jié)構(gòu)本身安全能力不足而引起，因此分析危險(xiǎn)事件出現(xiàn)頻率實(shí)則是分析結(jié)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下的失效概率。這相當(dāng)于研究孤立的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效，只需考慮結(jié)構(gòu)本身特性（如彈性模量、構(gòu)件尺寸等），采用SRA 即可得出結(jié)構(gòu)失效概率。而ALS 的事故危險(xiǎn)與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)并無(wú)直接關(guān)系，內(nèi)在原因是其他非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在功能缺陷，結(jié)構(gòu)破壞也只是事故的后續(xù)效應(yīng)，因此ALS 的事故頻率分析其實(shí)是分析其他非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性。

就結(jié)構(gòu)本身的安全目標(biāo)而言，工作與環(huán)境載荷無(wú)法避免。若載荷水平不高，船體結(jié)構(gòu)在其作用下必須正常工作。因此，在SLS、ULS 和FLS 下，只需確保結(jié)構(gòu)正常工作的能力達(dá)到目標(biāo)水平，而無(wú)需考慮結(jié)構(gòu)損傷后的情況。多數(shù)情況下可采用工作應(yīng)力衡準(zhǔn)作為安全水平目標(biāo)，部分情況下可采用SRA指標(biāo)作為安全水平目標(biāo)（如船體梁極限強(qiáng)度或剩余強(qiáng)度等）。而當(dāng)?shù)皖l率的ALS 出現(xiàn)且載荷水平較高時(shí)，結(jié)構(gòu)在其作用下難以保持完整，此時(shí)的控制重點(diǎn)是確保損傷后結(jié)構(gòu)體系不進(jìn)一步崩潰并引發(fā)災(zāi)難性后果。ALS 設(shè)計(jì)評(píng)估既需減少事故發(fā)生，又需控制事故后果，可采用FSA 臨時(shí)導(dǎo)則制定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)作為安全水平目標(biāo)。

無(wú)論FSA 還是SRA，都需要大量的歷史數(shù)據(jù)支撐。只有根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)評(píng)估現(xiàn)有船舶的安全水平，才能以此為基礎(chǔ)尋找適當(dāng)?shù)目山邮茱L(fēng)險(xiǎn)水平，并制定合適的安全準(zhǔn)則。對(duì)于輕量化結(jié)構(gòu)（特別是突破傳統(tǒng)形式的新型結(jié)構(gòu)以及采用新材料、新穎度較高的結(jié)構(gòu)）而言，現(xiàn)階段顯然缺乏可靠的數(shù)據(jù)支持，現(xiàn)有數(shù)據(jù)的樣本量和覆蓋面也不足以推出可靠的安全水平。在此條件下，采用確定性/描述性方法制定輕量化結(jié)構(gòu)安全評(píng)估準(zhǔn)則顯然更合適。

無(wú)論采用基于規(guī)范還是風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系，每種極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估都涉及相關(guān)場(chǎng)景下的載荷、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法以及相應(yīng)的安全衡準(zhǔn)[10]。

2 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全評(píng)估方法

2.1 替代設(shè)計(jì)

輕量化設(shè)計(jì)常常伴隨著新穎設(shè)計(jì)或者新材料的應(yīng)用，其安全評(píng)估沒(méi)有明確的法規(guī)和規(guī)范要求，通?？刹捎锰娲O(shè)計(jì)理念。此處的替代設(shè)計(jì)，屬于一種基于目標(biāo)的船舶設(shè)計(jì)方法，是指不直接滿足國(guó)際公約、法規(guī)和規(guī)范的描述性要求，而是通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析等手段，提出符合目標(biāo)和功能要求并能有效控制風(fēng)險(xiǎn)的新穎或特殊設(shè)計(jì)，從而在與描述性要求具有同等安全水平下得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案和最合理（成本效益比）的安全保護(hù)[11]。

IMO 在國(guó)際海上人命安全公約（international convention for safety of life at sea，SOLAS）中規(guī)定了若干項(xiàng)等效替代原則，包括：SOLAS II-1/55 的輪機(jī)及電氣裝置的替代設(shè)計(jì)和布置、SOLAS II-2/17的消防安全系統(tǒng)的替代設(shè)計(jì)與布置、SOLAS III/38的救生器具及布置的替代設(shè)計(jì)和布置、SOLAS XIV/I-B/4 的極地水域營(yíng)運(yùn)船舶安全措施的替代設(shè)計(jì)和布置。

替代設(shè)計(jì)流程一般包括以下4 個(gè)階段，如下頁(yè)圖2[11]所示：

圖2 替代設(shè)計(jì)流程

（1）替代設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備（概念設(shè)計(jì)階段）；

（2）定性的初步分析（初步設(shè)計(jì)階段）；

（3）定量分析（最終設(shè)計(jì)階段）；

（4）試驗(yàn)和工程分析。

2.2 新穎度評(píng)價(jià)

在輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除分析其是否偏離任何國(guó)際公約、法規(guī)和規(guī)范的描述性要求外，還要進(jìn)一步分析其是否已達(dá)到需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的程度。針對(duì)該問(wèn)題，本院輕量化技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)提出采用新穎度來(lái)評(píng)價(jià)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新穎性。文獻(xiàn)[10]通過(guò)技術(shù)狀態(tài)及其應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)綜合判斷確定替代設(shè)計(jì)的新穎性，以決定是否需要對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。參照該分類(lèi)方法，可通過(guò)結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)及其應(yīng)用船型來(lái)定義輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎度的技術(shù)分值，如表2所示。其中，應(yīng)用船型分為已有船型和新船型2 種，對(duì)應(yīng)分值分別為0 和1；結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)分為已驗(yàn)證、有限使用經(jīng)驗(yàn)、全新或未驗(yàn)證3 類(lèi)，對(duì)應(yīng)分值分別為1、2、3。

表2 新穎度評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)應(yīng)用船型和結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)的組合分析，可以得到輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎度的技術(shù)分值。若輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅涉及結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、常規(guī)構(gòu)型或布置的形狀優(yōu)化，可認(rèn)為其新穎度技術(shù)分值為1，即完全滿足現(xiàn)有國(guó)際公約、法規(guī)和規(guī)范的描述性要求，不存在任何偏離。若輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的船型偏離了規(guī)范適用的船型參數(shù)范圍（如船長(zhǎng)L/船寬B大于5），結(jié)構(gòu)布置、形狀偏離了常規(guī)結(jié)構(gòu)布置，或形狀的認(rèn)知范圍屬于全新或未驗(yàn)證；采用的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在某些船型或場(chǎng)景下使用過(guò)，但在目標(biāo)船型或特定場(chǎng)景下從未使用過(guò)或使用經(jīng)驗(yàn)有限；抑或采用的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案本身屬于全新或未驗(yàn)證。此時(shí)，相應(yīng)的新穎度技術(shù)分值可能為2 ～ 4，對(duì)應(yīng)的輕量化技術(shù)就應(yīng)認(rèn)定為新技術(shù)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案可認(rèn)為是結(jié)構(gòu)替代設(shè)計(jì)或新穎設(shè)計(jì)方案，應(yīng)進(jìn)行替代設(shè)計(jì)相應(yīng)的工程分析和評(píng)估。

2.3 評(píng)估準(zhǔn)則及流程

2.3.1 評(píng)估準(zhǔn)則

對(duì)于新穎度技術(shù)分值為1 的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可完全參照現(xiàn)有結(jié)構(gòu)規(guī)范要求的計(jì)算評(píng)估和分析方法；對(duì)于新穎度技術(shù)分值為2 ～ 4 的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)基于極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估理念，采用“安全等效”原則制定對(duì)應(yīng)的評(píng)估準(zhǔn)則，即船體結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則。此處的“安全等效”是指結(jié)構(gòu)替代設(shè)計(jì)或新穎設(shè)計(jì)預(yù)期的安全水平，應(yīng)等效或優(yōu)于其所偏離的規(guī)范要求。

面對(duì)靈活多變的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可考慮采取以下方法確定評(píng)估準(zhǔn)則：

（1）安全水平法（SLA），該方法可用來(lái)確定相關(guān)驗(yàn)證衡準(zhǔn)的要素水平；

（2）《經(jīng)修訂的用于IMO 規(guī)則制定過(guò)程的綜合安全評(píng)估導(dǎo)則》（FSA），其中包括風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、F-N 曲線等方法，可用來(lái)制定新穎設(shè)計(jì)或替代設(shè)計(jì)的評(píng)估準(zhǔn)則；

（3）類(lèi)似散貨船和油船基于確定性/描述性制定的GBS 方法，可用來(lái)制定評(píng)估準(zhǔn)則。

如前所述，在缺乏數(shù)據(jù)支撐的條件下，推薦采用“確定性/描述性”方法制定輕量化結(jié)構(gòu)安全評(píng)估準(zhǔn)則。

2.3.2 評(píng)估流程

對(duì)于新穎度技術(shù)分值為2 ～ 4 的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)從載荷、描述性、直接強(qiáng)度評(píng)估、屈曲強(qiáng)度評(píng)估、疲勞強(qiáng)度評(píng)估和新材料等要求開(kāi)展規(guī)范適用性分析。分析前，設(shè)計(jì)方應(yīng)與船級(jí)社充分交流，使船級(jí)社了解輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的背景、思路、應(yīng)用范圍，以及所采用的設(shè)計(jì)和評(píng)估方法，明確輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同常規(guī)設(shè)計(jì)的區(qū)別所在。

開(kāi)展具體規(guī)范適用性分析時(shí)，應(yīng)首先判斷輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否從根本上與規(guī)范適用范圍存在區(qū)別，例如：超尺度、超尺度比、特殊疲勞設(shè)計(jì)壽命、限定航行海域等。若存在適用范圍的偏離，意味著必須從載荷評(píng)估開(kāi)始就進(jìn)行特殊考慮。若分析后認(rèn)為新穎或替代設(shè)計(jì)總體上仍在規(guī)范適用范圍內(nèi)，但部分規(guī)范要求對(duì)特定設(shè)計(jì)無(wú)法適用，則應(yīng)對(duì)無(wú)法適用的具體規(guī)范要求進(jìn)行研究，然后梳理規(guī)范各條款，篩選并判斷與具體設(shè)計(jì)是否相關(guān)或規(guī)范條款是否適用。

分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)規(guī)范技術(shù)背景文件，判斷某條規(guī)范要求是否適用于特定設(shè)計(jì)。若判斷為不相關(guān)，則無(wú)需繼續(xù)考慮該條款；若判斷為相關(guān)且適用，則可依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范條款進(jìn)行評(píng)估；若判斷為相關(guān)但不適用，則應(yīng)注明分析理由并考慮處理方案，通常分為“改造現(xiàn)有規(guī)范要求”和“研究提出新要求”這2 種途徑。對(duì)于所有經(jīng)適用性研究分析后有新制定、新補(bǔ)充的要求，應(yīng)通過(guò)合理的方式檢驗(yàn)其有效性和合理性，包括但不限于數(shù)值分析和模型試驗(yàn)。

綜上所述，針對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全評(píng)估流程如圖3 所示。

圖3 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全評(píng)估流程

3 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全評(píng)估案例分析

基于上述的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全評(píng)估方法，以國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)中涉及的油船、散貨船和集裝箱船新穎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為例，進(jìn)行安全評(píng)估案例分析。對(duì)于新材料的實(shí)船應(yīng)用，因文獻(xiàn)較少，本文暫不進(jìn)行案例分析。

3.1 油船輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)典型案例

針對(duì)油船結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，本院近年來(lái)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[12-15]。文獻(xiàn)[13]針對(duì)具有1 道中心縱艙壁的油船貨艙區(qū)典型主要支撐構(gòu)件（primary supporting members，PSM），通過(guò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化獲得了如圖4 所示的類(lèi)桁架式輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖4 類(lèi)桁架式輕量化結(jié)構(gòu)示意圖

本文對(duì)上述類(lèi)桁架式輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行新穎度技術(shù)分析，認(rèn)為其結(jié)構(gòu)布置（特別是撐桿）偏離了常規(guī)油船結(jié)構(gòu)布置的認(rèn)知范圍，屬于全新或未驗(yàn)證內(nèi)容，新穎度技術(shù)分值為3，故需進(jìn)行規(guī)范適用性判斷。經(jīng)分析后認(rèn)為：

（1）CSR 的載荷模型仍適用于類(lèi)桁架式PSM。

（2）類(lèi)桁架式PSM 由于將油船常規(guī)PSM 對(duì)應(yīng)的單跨梁結(jié)構(gòu)形式改為復(fù)雜梁系，致使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的描述性要求均發(fā)生根本變化，因此無(wú)法直接采用CSR 關(guān)于油船PSM 的描述性要求，而需對(duì)原規(guī)范條文進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整或研究制定新的描述性要求，抑或采用直接計(jì)算方法作為替代驗(yàn)證手段。

（3）CSR 的三艙段有限元強(qiáng)度評(píng)估要求仍然適用于類(lèi)桁架式PSM。對(duì)類(lèi)桁架式PSM 帶來(lái)的典型開(kāi)孔圓弧和軟趾等需開(kāi)展強(qiáng)制的細(xì)化分析；對(duì)類(lèi)桁架式PSM 彎矩剪力變化所引起的高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)視粗網(wǎng)格評(píng)估結(jié)果來(lái)判斷并選擇可能的細(xì)化分析區(qū)域。

（4）CSR 的屈曲強(qiáng)度評(píng)估要求原則上適用于類(lèi)桁架式PSM。除此之外，針對(duì)類(lèi)桁架式PSM 中出現(xiàn)的斜撐承壓構(gòu)件，一方面要在直接強(qiáng)度評(píng)估中校核其構(gòu)成板格的屈曲強(qiáng)度；另一方面，還應(yīng)滿足描述性要求的整體屈曲以及極限軸向承載能力校核。校核中的端部固定系數(shù)可通過(guò)非線性有限元計(jì)算確定，屈曲利用系數(shù)可參照CSR 中針對(duì)支柱或撐桿的要求。CSR 中針對(duì)橫撐的描述性屈曲校核要求和流程，可應(yīng)用于類(lèi)桁架式PSM 中的斜撐結(jié)構(gòu)。

（5）類(lèi)桁架式PSM 雖然會(huì)導(dǎo)致較多應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)，但CSR 疲勞強(qiáng)度評(píng)估中的精細(xì)網(wǎng)格評(píng)估方法仍然適用。CSR 中的細(xì)網(wǎng)格疲勞篩選要求，由于應(yīng)力放大系數(shù)的確定源于常規(guī)PSM 的疲勞計(jì)算樣本，因此不適用于類(lèi)桁架式PSM 的情況。

陳倩等[16]針對(duì)采用類(lèi)桁架式PSM 的油船雙層底肋板的描述性要求進(jìn)行了分析研究。其基于有限元強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果，提出類(lèi)桁架斜撐下雙層底肋板的簡(jiǎn)化梁模型；通過(guò)理論推導(dǎo)結(jié)合直接計(jì)算，給出了適用于類(lèi)桁架斜撐下雙層底肋板的剪力分布系數(shù)，并開(kāi)展多型船的計(jì)算以驗(yàn)證公式的普適性（參見(jiàn)圖5）。

圖5 類(lèi)桁架斜撐下雙層底肋板描述性要求及剪力分布驗(yàn)證

湯雅敏等[17-18]針對(duì)類(lèi)桁架式PSM 中斜撐結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的屈曲問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值分析和模型試驗(yàn)開(kāi)展分析評(píng)估（如下頁(yè)圖6 所示）。

圖6 類(lèi)桁架斜撐的屈曲強(qiáng)度分析及模型試驗(yàn)驗(yàn)證

其發(fā)現(xiàn)斜撐承載后主要易發(fā)生整體彎扭屈曲失效，且斜撐中部為最易失效區(qū)域；然后，其通過(guò)非線性有限元分析確認(rèn)了CSR 中關(guān)于臨界屈曲應(yīng)力的計(jì)算方法對(duì)斜撐仍然適用，但端部系數(shù)應(yīng)近似取為4。

3.2 散貨船輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)典型案例

謝小龍等[19]在某散貨船槽形橫艙壁底凳內(nèi)橫隔板上端靠近折角點(diǎn)的區(qū)域設(shè)計(jì)了應(yīng)力釋放孔，如圖7 所示。經(jīng)有限元分析，發(fā)現(xiàn)該高應(yīng)力區(qū)域的結(jié)構(gòu)材料在應(yīng)力釋放孔邊緣得以自由變形，有效減小了局部結(jié)構(gòu)在外載荷下的變形量即應(yīng)變，進(jìn)而降低了該高應(yīng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)的合成應(yīng)力水平，有利于折角點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)疲勞。應(yīng)力釋放孔在其他行業(yè)有一定使用，但在船舶行業(yè)的使用并不多。經(jīng)新穎度技術(shù)分析，認(rèn)為該應(yīng)力釋放孔布置的位置屬于國(guó)內(nèi)散貨船上首次使用，考慮到應(yīng)力釋放孔在船舶行業(yè)的使用經(jīng)驗(yàn)有限，故新穎度技術(shù)分值為3，需進(jìn)行規(guī)范適用性判斷。

圖7 高應(yīng)力區(qū)域應(yīng)力釋放孔的示意圖

經(jīng)規(guī)范適用性判斷分析，該高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力釋放孔屬于局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，僅與節(jié)點(diǎn)的細(xì)化應(yīng)力評(píng)估和疲勞強(qiáng)度評(píng)估相關(guān)，完全適用現(xiàn)行CSR 關(guān)于載荷、描述性要求、直接強(qiáng)度評(píng)估、屈曲強(qiáng)度評(píng)估等要求。其中，細(xì)化應(yīng)力評(píng)估時(shí)，為真實(shí)反映應(yīng)力釋放孔的幾何形狀，開(kāi)孔附近的網(wǎng)格尺度應(yīng)適當(dāng)減小，但不小于該區(qū)域的板厚。

疲勞強(qiáng)度評(píng)估方面，需校核鄰近底凳上折角點(diǎn)處橫框架與開(kāi)孔自由邊緣處的疲勞強(qiáng)度。前者屬于腹板結(jié)構(gòu)上的疲勞評(píng)估，可參照CSR 針對(duì)腹板疲勞應(yīng)力的插值方法求解熱點(diǎn)應(yīng)力，但需考慮應(yīng)力釋放孔引起的主應(yīng)力方向變化；后者屬于開(kāi)孔自由邊緣處的疲勞評(píng)估，可參照散貨船開(kāi)口角隅邊緣的疲勞評(píng)估方法。

經(jīng)輕量化技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)分析評(píng)估[2]，該折角點(diǎn)橫隔板高應(yīng)力區(qū)域4 個(gè)典型熱點(diǎn)位置的疲勞壽命都較高，有應(yīng)力釋放孔的最低疲勞壽命高于無(wú)應(yīng)力釋放孔的，說(shuō)明應(yīng)力釋放孔能夠提高該區(qū)域的疲勞壽命。另外，對(duì)應(yīng)力釋放孔也開(kāi)展了疲勞裂紋擴(kuò)展的試驗(yàn)研究（如圖8 所示）。

圖8 應(yīng)力釋放孔的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

研究發(fā)現(xiàn)：離折角點(diǎn)直線距離最近的應(yīng)力釋放孔邊緣一旦存在初始缺陷，在循環(huán)次數(shù)相同的情況下，其裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度增長(zhǎng)最大；此外，在擴(kuò)展的初始階段，裂紋擴(kuò)展速率相對(duì)緩慢，但應(yīng)力釋放孔附近的損傷將會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)增加而逐漸累積且不可逆，最終會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率越來(lái)越快。因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)力釋放孔必須通過(guò)數(shù)控來(lái)開(kāi)孔，且邊緣需仔細(xì)打磨，避免出現(xiàn)初始缺陷。

3.3 集裝箱船輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)典型案例

李丹丹等[20]基于規(guī)范和直接計(jì)算，探討了不同的集裝箱船橫艙壁并進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)比分析，給出了改進(jìn)后的混合式支撐橫艙壁（如下頁(yè)圖9 所示），并通過(guò)艙段強(qiáng)度評(píng)估方法驗(yàn)證了其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖9 改進(jìn)的混合式支撐橫艙壁的示意圖

經(jīng)新穎度技術(shù)分析后發(fā)現(xiàn)：相比于現(xiàn)有集裝箱船的常規(guī)或混合式支撐橫艙壁，改進(jìn)的新型支撐橫艙壁取消了較多的垂直桁結(jié)構(gòu)，以T 形材取代傳統(tǒng)的水平角鋼，在2 個(gè)垂直桁之間連接作為導(dǎo)軌的支點(diǎn)。由于該方案是基于有限的使用經(jīng)驗(yàn)在已有船型上的改進(jìn)設(shè)計(jì)，故新穎度技術(shù)分值為2，需進(jìn)行規(guī)范適用性判斷。

經(jīng)規(guī)范適用性判斷分析后認(rèn)為：船級(jí)社關(guān)于集裝箱船的結(jié)構(gòu)規(guī)范完全適用于該新型橫艙壁結(jié)構(gòu)，但需要補(bǔ)充針對(duì)水平撐桿及中間撐桿（T 形材或角鋼）承擔(dān)的載荷、梁系分析，以及水平撐桿與垂直桁之間連接節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度評(píng)估要求。

經(jīng)輕量化技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)分析[2]，給出如下評(píng)估要求與建議。

3.3.1 載荷分析

對(duì)于水平及中間撐桿承擔(dān)的載荷，可取為集裝箱箱腳位置支點(diǎn)處的載荷。按以下2 種工況考慮：

① 橫向運(yùn)動(dòng)工況：箱腳位置支點(diǎn)處的橫向作用力見(jiàn)式（1）：

② 縱向/垂向運(yùn)動(dòng)工況：箱腳位置支點(diǎn)處縱向作用力見(jiàn)式（2）：

上述兩式中：H1和L1分別表示某支點(diǎn)處下一層集裝箱的橫向和縱向載荷，N；H2和L2分別表示某支點(diǎn)處上一層集裝箱的橫向和縱向載荷，N。

3.3.2 梁系分析

對(duì)于水平及中間撐桿的梁系分析，水平撐桿通常支撐在左右2 道垂直桁處（搭接焊或?qū)雍福?，左右邊界可視為?jiǎn)支；中間撐桿連接前后2 道水平撐桿，連接節(jié)點(diǎn)通常為搭接焊，可模擬為鉸接；在水平撐桿的上下箱位處通常設(shè)置水平桁，或隔檔設(shè)置水平桁（此時(shí)應(yīng)將鄰近的水平撐桿及中間撐桿一并建模），必要時(shí)可在上下2 道相鄰的水平桁中間建模一段導(dǎo)軌，同水平撐桿及中間撐桿一起進(jìn)行梁系分析（導(dǎo)軌與上下水平桁的交點(diǎn)可為對(duì)稱(chēng)約束）。梁系分析的許用應(yīng)力見(jiàn)式（3）：

式中：ReH為材料的屈服應(yīng)力，N/mm2

3.3.3 疲勞分析

對(duì)于水平撐桿與垂直桁的連接節(jié)點(diǎn)，以角鋼為例，其包含的疲勞熱點(diǎn)位置（HS1 至HS6）如圖10 所示。其中，HS5 處若有肘板，則考察肘板與角鋼連接處的趾端（角鋼處熱點(diǎn)）。熱點(diǎn)類(lèi)型、應(yīng)力讀取方法可參照相關(guān)船級(jí)社規(guī)范和指南。

圖10 水平角鋼與垂直桁連接節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)位置

撐桿面板與垂直桁面板的連接存在對(duì)接和搭接這2 種情況。如果是搭接（角鋼與垂直桁面板搭接），則可參考CSR。2 個(gè)面板均用殼單元模擬且錯(cuò)開(kāi)一定距離（兩面板的中面距離），如圖11 所示。

圖11 角鋼面板與垂直桁面板搭接節(jié)點(diǎn)的建模方法

在連接的端部采用殼單元將2 個(gè)面板連接起來(lái)，連接單元的厚度可取為2 個(gè)面板凈厚度之和。

集裝箱對(duì)橫艙壁的作用力通過(guò)導(dǎo)軌與連接肘板來(lái)傳遞。較準(zhǔn)確的方法是將導(dǎo)軌與連接肘板建在模型中，力作用在導(dǎo)軌上；另一種方法是將連接肘板與垂直桁面板連接處的節(jié)點(diǎn)以及導(dǎo)軌作用力處的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)多點(diǎn)約束且非剛性的方式連接。

基于上述評(píng)估要求，本文對(duì)于新型支撐橫艙壁建立有限元模型，開(kāi)展橫向和縱向運(yùn)動(dòng)下的結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估，結(jié)果驗(yàn)證滿足評(píng)估衡準(zhǔn)要求，說(shuō)明補(bǔ)充的評(píng)估要求和建議必要且合理。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在船舶結(jié)構(gòu)安全評(píng)估體系綜述的基礎(chǔ)上，針對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了新穎度技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法；基于等效替代的原則，構(gòu)建面向輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全評(píng)估流程及評(píng)估準(zhǔn)則確定方法。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于油船、散貨船和集裝箱船輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型案例，開(kāi)展了新穎度技術(shù)評(píng)價(jià)、規(guī)范適用性判斷分析、現(xiàn)有規(guī)范的適應(yīng)性改造或新評(píng)估要求等應(yīng)用性分析，以及必要的驗(yàn)證分析。

對(duì)于輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，參考符合GBS 要求的CSR 等規(guī)范要求進(jìn)行規(guī)范要素水平的相對(duì)標(biāo)定，可為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供相對(duì)可靠的方法與衡準(zhǔn)。隨著“經(jīng)驗(yàn)+經(jīng)典理論+計(jì)算理論+管理理論”四位一體規(guī)范體系的日趨完善，船舶結(jié)構(gòu)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的擴(kuò)充，以及風(fēng)險(xiǎn)分析方法的不斷完善，未來(lái)可針對(duì)新穎度技術(shù)分值為4 的新穎設(shè)計(jì)，開(kāi)展更靈活的基于風(fēng)險(xiǎn)的安全評(píng)估方法研究。