摘要：散貨船和油船協(xié)調(diào)后的共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（HSR）將于2011年生效。為促進(jìn)規(guī)范的發(fā)展，使之符合IMO目標(biāo)型船舶標(biāo)準(zhǔn)（GBS）的要求，從整體艙段有限元分析、詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估和疲勞強(qiáng)度評(píng)估的熱點(diǎn)應(yīng)力分析3個(gè)方面闡述了散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范的不足之處，并提出了相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：散貨船；共同結(jié)構(gòu)規(guī)范；屈服強(qiáng)度；屈曲強(qiáng)度；疲勞強(qiáng)度

Abstract: Harmonized Common Structural Rules (HSR) for bulk carriers and double hull oil tankers will become

effective in 2011. For developing the rule toward the IMO Goal-Based Standards (GBS) for ship construction, the defects of CSR-BC are illustrated on global FE analysis of cargo hold structures, refined mesh FE analysis of highly stressed areas and very fine mesh FE analysis of fatigue sensitive areas. Some suggestions are given during the discussion.

Key words: bulk carrier; common structural rules; yielding strength; buckling strength; fatigue strength

0 引言

目標(biāo)型船舶建造標(biāo)準(zhǔn)(GBS)于2010年5月在國(guó)際海事組織（IMO）海上安全委員會(huì)（MSC）第87屆會(huì)議上獲得正式通過(guò)，將于2012年1月1日正式生效[1]。油船和散貨船協(xié)調(diào)后的共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（HSR）需要滿足GBS的要求，各國(guó)船級(jí)社申請(qǐng)進(jìn)行規(guī)范的GBS符合性驗(yàn)證的截止時(shí)間是2013年12月31日。

散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[2]（CSR-BC）從2006年4月1日生效至今，已發(fā)出10次修改通報(bào)[3]。船廠、船舶設(shè)計(jì)單位、船級(jí)社和船東都能體會(huì)到CSR對(duì)造船業(yè)的影響。根據(jù)圖1給出的CSR協(xié)調(diào)時(shí)間表，可以看出協(xié)調(diào)后的CSR將于明年正式生效，因此今年是IACS聽(tīng)取業(yè)界反饋，協(xié)調(diào)CSR發(fā)展的關(guān)鍵一年。廣州廣船國(guó)際股份有限公司的專家從結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)的角度對(duì)CSR的協(xié)調(diào)發(fā)展提出了質(zhì)疑[4]。受此啟發(fā)，本文從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析的角度評(píng)價(jià)CSR-BC的不足。

根據(jù)CSR-BC要求，船長(zhǎng)150m及以上的船舶，應(yīng)基于三維有限元方法進(jìn)行主要支撐構(gòu)件的直接強(qiáng)度評(píng)估。其中包括整體艙段有限元強(qiáng)度分析（有限元分析第一步），用于評(píng)估貨艙結(jié)構(gòu)主要支撐構(gòu)件的整體強(qiáng)度；詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估（有限元分析第二步），用細(xì)化網(wǎng)格評(píng)估高應(yīng)力區(qū)域；熱點(diǎn)應(yīng)力分析（有限元分析第三步），用精細(xì)網(wǎng)格計(jì)算應(yīng)力集中點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力，以進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。

本文基于中國(guó)船級(jí)社開(kāi)發(fā)的CSR-DSA、LR開(kāi)發(fā)的ShipRight、BV開(kāi)發(fā)的VeriSTAR和ABS開(kāi)發(fā)的SafeShip等CSR計(jì)算軟件的使用經(jīng)驗(yàn)，從三維有限元直接強(qiáng)度評(píng)估的3個(gè)方面闡述CSR-BC的不足之處。

1 整體艙段有限元分析

1.1 有限元建模

在進(jìn)行有限元建模時(shí)，規(guī)范允許使用正交異性單元或不使用正交異性單元。使用正交異性單元時(shí)，雙層底縱桁或肋板構(gòu)件的網(wǎng)格尺寸為雙層底高度；不使用正交異性單元，雙層底縱桁或肋板構(gòu)件高度方向至少分為3個(gè)單元。目前的計(jì)算機(jī)硬件性能都較好，不使用正交異性單元建模，計(jì)算時(shí)間也很短，計(jì)算結(jié)果精度也更高。各船級(jí)社開(kāi)發(fā)的CSR計(jì)算軟件，大部分不采用正交異性單元建模。鑒于油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[5]（CSR-TK）也不采用正交異性單元建模，建議協(xié)調(diào)后的CSR取消正交異性單元建模方式及相應(yīng)的分析衡準(zhǔn)。

1.2 船體梁載荷計(jì)算方法

整體艙段有限元分析包含彎矩分析和剪力分析兩個(gè)方面。彎矩分析時(shí)，規(guī)范允許采用直接法或疊加法；剪力分析時(shí)，只能采用直接法。直接法是指將船體梁載荷直接施加到有限元模型上，疊加法是指將采用側(cè)向載荷的結(jié)構(gòu)分析中得到的應(yīng)力單獨(dú)與船體梁應(yīng)力相疊加。實(shí)際運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)兩種方法會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有一定的差異。鑒于CSR-TK只采用直接法，能有效避免計(jì)算結(jié)果的差異，建議協(xié)調(diào)后的CSR取消疊加法。

1.3 評(píng)估結(jié)果的范圍

CSR-BC只是指出3艙段有限元模型的中部艙的所有主要支撐構(gòu)件（包括艙壁），應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，見(jiàn)圖2。由于大部分散貨船的艙壁為槽型，存在底凳斜板，這樣會(huì)出現(xiàn)是否要將評(píng)估范圍擴(kuò)大到底凳斜板處的爭(zhēng)議。CSR-TK則詳細(xì)規(guī)定了衡準(zhǔn)驗(yàn)收的范圍，并給出了完整的示意圖，見(jiàn)圖3，避免了爭(zhēng)議。建議協(xié)調(diào)后的CSR能完善模型評(píng)估范圍的示意圖。

1.4 評(píng)估結(jié)果的外推

散貨船整體艙段有限元分析只是對(duì)船中區(qū)域的貨艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接強(qiáng)度分析，規(guī)范并沒(méi)有給出艏、艉部貨艙結(jié)構(gòu)的評(píng)估要求，從而引出了如何將中間艙的評(píng)估結(jié)果應(yīng)用到艏艉部貨艙結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。CSR-TK則明確指出，艏、艉部貨油艙區(qū)域橫艙壁處，承受船體梁垂向載荷的縱向船體梁抗剪構(gòu)件的評(píng)估，可在中部艙段有限元模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行。為使船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，建議協(xié)調(diào)后的CSR增加艏、艉部貨艙結(jié)構(gòu)有限元評(píng)估的方法。

2 詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估

2.1 細(xì)化區(qū)域

規(guī)范規(guī)定，在整體艙段有限元分析時(shí)，如果指定區(qū)域計(jì)算應(yīng)力超過(guò)許用應(yīng)力的95%，則需要利用細(xì)化網(wǎng)格進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估。目前有觀點(diǎn)認(rèn)為95%的篩選標(biāo)準(zhǔn)不夠嚴(yán)格，主要理由有兩方面：一是如果能嚴(yán)格控制細(xì)化部位的屈服強(qiáng)度，將有利于提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度；二是油船結(jié)構(gòu)需要細(xì)化的區(qū)域多、疲勞強(qiáng)度計(jì)算只有一個(gè)點(diǎn)，而散貨船需要疲勞強(qiáng)度計(jì)算的區(qū)域多，從而認(rèn)為散貨船細(xì)化要求不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

2.2 網(wǎng)格大小及應(yīng)力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

散貨船高應(yīng)力區(qū)域細(xì)化單元的尺寸為相應(yīng)區(qū)域普通扶強(qiáng)材間距的1/4左右，例如：對(duì)普通扶強(qiáng)材間距為800mm的結(jié)構(gòu)，單元尺寸為200mm×200mm。對(duì)于所用單元尺寸明顯小于上述者，許用應(yīng)力取規(guī)定尺寸的單個(gè)單元相當(dāng)區(qū)域所包含的所有單元的平均應(yīng)力。

CSR-TK規(guī)定細(xì)化區(qū)域的網(wǎng)格尺寸不大于50mm×50mm，對(duì)于使用更小的網(wǎng)格尺寸，許用應(yīng)力同樣采用上述網(wǎng)格尺度面積相當(dāng)?shù)膯卧骄鶓?yīng)力，但平均應(yīng)力基于單元面積進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，應(yīng)力平均不得在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處和豎板結(jié)構(gòu)處進(jìn)行。

在實(shí)際計(jì)算中，可以發(fā)現(xiàn)200mm×200mm級(jí)別的單元尺寸，并不能夠準(zhǔn)確評(píng)估疲勞熱點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中程度，熱點(diǎn)區(qū)域能通過(guò)詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估，但疲勞壽命并不能滿足要求。此外采用更小的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估時(shí)，如果結(jié)構(gòu)不連續(xù)，在進(jìn)行應(yīng)力平均時(shí)會(huì)得出不合理的結(jié)果。建議協(xié)調(diào)后的CSR完善詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

3 疲勞強(qiáng)度評(píng)估的熱點(diǎn)應(yīng)力分析

3.1 分析建模

疲勞評(píng)估區(qū)域用精細(xì)網(wǎng)格建模，精細(xì)網(wǎng)格區(qū)域的單元尺寸應(yīng)近似或等于評(píng)估區(qū)域的凈厚度。在實(shí)際計(jì)算中，這一描述會(huì)引起爭(zhēng)議。以內(nèi)底板與底凳斜板相交處的熱點(diǎn)為例，如熱點(diǎn)位于船底縱桁、實(shí)肋板、底凳隔板、內(nèi)底板和底凳斜板等5處構(gòu)件相交處，5處構(gòu)件的凈厚度各不相同。采用何種構(gòu)件的凈厚度建模，對(duì)計(jì)算結(jié)果都會(huì)有影響，但規(guī)范對(duì)此并未有考慮。建議協(xié)調(diào)后的CSR引入網(wǎng)格大小與凈厚度差異的修正系數(shù)。

3.2 熱點(diǎn)應(yīng)力的定義

CSR-BC和CSR-TK對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力的定義是不同的，前者定義為：熱點(diǎn)表面的結(jié)構(gòu)幾何應(yīng)力，見(jiàn)圖4；后者定義為：從距焊趾位置起0.5t處的表面應(yīng)力，見(jiàn)圖5。這一差異導(dǎo)致在分析散貨船疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果時(shí)產(chǎn)生爭(zhēng)議。以3.1中提到的5處構(gòu)件相交處熱點(diǎn)為例，可能要考慮上下、左右、前后等6個(gè)方向單元的插值，結(jié)果自然也會(huì)有差異。建議協(xié)調(diào)后的CSR完善熱點(diǎn)應(yīng)力的定義。

3.3 熱點(diǎn)應(yīng)力線性插值

目前CSR-BC給出的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法還不夠完善，以熱點(diǎn)應(yīng)力線性插值為例，有關(guān)方面向IACS提出了5種插值方法（KC1006）[6]，圖6給出了KC1006的附件。IACS答復(fù)協(xié)調(diào)后的CSR規(guī)范將給出最終的解決方案，目前暫時(shí)由各船級(jí)社自行決定。事實(shí)上，各船級(jí)社開(kāi)發(fā)的計(jì)算軟件已采用了下述不同的方法，由此導(dǎo)致同一艘船入級(jí)不同，疲勞強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果有偏差。

本文根據(jù)實(shí)際計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提出在考慮KC1006文件的基礎(chǔ)上，需要注意主應(yīng)力的方向。實(shí)際中會(huì)偶然出現(xiàn)插值的單元方向相反，引起最終疲勞壽命有較大差異，因此建議協(xié)調(diào)后的CSR給出熱點(diǎn)應(yīng)力插值的詳細(xì)公式，以免引起爭(zhēng)議。

另外值得注意的是，CSR-BC給出的熱點(diǎn)應(yīng)力線性插值方法為外插法，而CSR-TK給出的熱點(diǎn)應(yīng)力線性插值方法為內(nèi)插法。

3.4 疲勞壽命結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)多艘船的疲勞壽命結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)船長(zhǎng)小于200m的散貨船，疲勞壽命基本容易滿足規(guī)范的要求；而船長(zhǎng)大于200m的散貨船，則不容易滿足規(guī)范的要求，需要采取多種措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

2008年9月12日生效的散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范修改通知3（RCN3），對(duì)接焊縫和十字型焊縫的殘余應(yīng)力均修改為0，并給出了背景文件[3]。文件認(rèn)為，該修改可以解決在實(shí)際的疲勞累計(jì)損傷度計(jì)算中，非壓載艙構(gòu)件的結(jié)果大于壓載艙構(gòu)件并給出3000多艘實(shí)船疲勞裂縫的統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表1。從中可以得出船體主要構(gòu)件發(fā)生疲勞損傷的部位99.8%集中在壓載艙，其中72%的部位集中在內(nèi)底板與底邊艙斜板、內(nèi)底板與底凳斜板/垂直板。

表1 疲勞損傷統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)實(shí)船計(jì)算，發(fā)現(xiàn)壓載艙構(gòu)件的累積疲勞損傷度確實(shí)比非壓載艙構(gòu)件嚴(yán)重，且發(fā)生部位與實(shí)船統(tǒng)計(jì)規(guī)律吻合。但是壓載艙構(gòu)件與非壓載艙構(gòu)件的累積疲勞損傷度的比值并不在99.8/0.2=499這一數(shù)量級(jí)上。由此產(chǎn)生困惑，如果實(shí)際計(jì)算比值與此相差很大，問(wèn)題是出在計(jì)算軟件上呢，還是規(guī)范自身？

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析的角度指出了CSR的不足，并提出相應(yīng)的意見(jiàn)。CSR推出至今，修改通報(bào)不斷，表明規(guī)范需要進(jìn)一步完善。GBS的的出臺(tái)，給CSR2套規(guī)范的協(xié)調(diào)帶來(lái)強(qiáng)大的動(dòng)力。希望協(xié)調(diào)后的CSR能更好地指導(dǎo)船舶的設(shè)計(jì)。

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作者：劉文華，丁天安