基于 HCSR 規(guī)范艙口角隅問題的研究

王勛

摘要：分析 HCSR 規(guī)范與 CSR 規(guī)范強度計算方面的主要不同，并依據(jù)兩種規(guī)范對船中區(qū)域貨艙口角隅進行對比計算;依據(jù) HCSR 規(guī)范要求對船舶首尾部貨艙艙口角隅進行計算，發(fā)現(xiàn)原首尾部分艙口角隅的設(shè)計不滿足新規(guī)范的要求;對應(yīng)力超過許用值的角隅進行細(xì)化分析并分析造成高應(yīng)力的等效 設(shè)計波類型。在該設(shè)計波規(guī)范研究的基礎(chǔ)上，對比分析船舶各艙口角隅應(yīng)力與其位置沿船長方向分布的關(guān)系，并預(yù)斷新船設(shè)計中艙口角隅應(yīng)力變化趨 勢與其縱向位置的對應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：HCSR規(guī)范;艙口角隅;有限元

中圖分類號：TP661 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）09-044-03

Abstract：ComparethemaindifferenceinRulesbetweentheHCSRandCSRinDirectStrengthAnalysis，andanalyzethehatchcornerinMidcargoholdregion basedondifferentRules;AndfindoriginaldesignofhatchinforeandaftpartnotsatisfythenewHCSRRulesafteranalysisthehatchcornerinforeandaftpart ofthecargohold;refinefiniteelementwhenthehatchcornerstressexceedingthescreeningfactorsandfindoutthedominateEquivalentDesignWave（EDW） whichinducedthehighstress.BasedontheruleregulationresearchofthedominateEDW，comparethehatchcornerstressandthelocationalongtheshipLongi- tudinaldirection，thenprejudgetherelationshipofhatchcornersandthelocationalongtheshiplongitudinaldirectioninnewshipdesign.

Key words： HCSR Rules; Hatch corner; Finite Element

0 引言

為保證船舶的安全性能，國際海事組織（IMO）決定制定目標(biāo)型船建造 標(biāo)準(zhǔn)（GBS）作為重要的戰(zhàn)略項目，而共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR）已經(jīng)不能滿足

GBS 的要求，國際船級社協(xié)會（IACS）決定在 CSR 的基礎(chǔ)上研究《Common StructuralRulesforBulkCarrierandOilTankers[1]》（HCSR）。該規(guī)范已于

2015 年 7 月 1 月生效，取代《CommonStructuralRulesforbulkcarriers[2] 》

（CSR散貨船規(guī)范），July2012，《CommonStructuralRulesforDoubleHullOil

Tankers[3]》（CSR油船規(guī)范），July2012.

新生效的 CSR-H 相對于 CSR 規(guī)范在等效設(shè)計波、載荷工況、許用應(yīng)力等方面提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。CSR 規(guī)范沒有對首尾部貨艙進行深入的計算，新的 HCSR 規(guī)范增加了該部分的計算，并提出了更細(xì)致的要求。在工程實踐中，發(fā)現(xiàn)新生效的規(guī)范對艙口角隅，貨艙 hopper knuckle 的折角點， 人孔等結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生了較大的影響，尤其是其中艙口角隅的結(jié)構(gòu)設(shè)計成為較大的難點。

1CSR-H 和CSR 規(guī)范主要不同

1.1 載荷。在載荷方面，HCSR規(guī)范規(guī)定了7種等效設(shè)計波、11種波浪載荷狀態(tài)，相比 CSR 規(guī)范的 4 種等效設(shè)計波、8 種波浪載荷狀態(tài)更加詳細(xì)的分析了波浪對船舶運動響應(yīng)和強度的影響。CSR-H 的 7 種等效設(shè)計波如表 1[4]所示。

表 1 HCSR 規(guī)范七種等效設(shè)計波選取

1.2 分析范圍。HCSR 規(guī)范分析包括整個貨艙區(qū)域的有限單元分析。包括內(nèi)殼和外殼 、甲板 、雙層底肋板和桁材 、橫向和垂向強框、艙口圍 、水平筋 、橫向和縱向艙壁結(jié)構(gòu) 、其它的主要支撐構(gòu)件 、其它對船體梁強度起作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。分析范圍如圖 1 所示。

CSR 規(guī)范分析船中三艙段（1+1+1）有限元模型中的包括艙壁在內(nèi)的所有主要支撐構(gòu)件，而不包括首尾部分貨艙的有限元計算。分析范圍對應(yīng) 于圖 1 中的船中貨艙區(qū)域。

圖 1 HCSR 規(guī)范對有限元結(jié)構(gòu)評估的貨艙區(qū)域劃分

1.3 約束邊界條件。HCSR 規(guī)范在邊界條件上與 CSR 規(guī)范也有所改進，選用了邊界梁單元作為模型兩端的邊界處理，用來模擬模型的剛度。

HCSR 規(guī)范貨艙區(qū)非船中區(qū)域的貨艙的強度評估模型的邊界條件同船中區(qū)域相同，但與最前部貨艙貨艙的有限元模型邊界條件有所不同;HCSR規(guī)范用中心線和內(nèi)地板的交點來約束 x 方向的線位移，而不更多的約束獨立點，減少了獨立點約束的影響，CSR規(guī)范則在獨立點上進行x方向線位移的約束。

表 2CSR-H 和 CSR 散貨船規(guī)范邊界條件對比

CSR-H 規(guī)范 CSR 規(guī)范

MPC 關(guān)聯(lián) DY袁DZ袁RX DX，DY，DZ

MPC 獨立點 前斷面 DY，DZ，RX DX，DY，DZ，RX

后斷面 DY，DZ DY，DZ，RX

內(nèi)底板前/后端部中節(jié)點 DX -

端部梁 是 -

1.4 篩選準(zhǔn)則和評判準(zhǔn)則。CSR 艙口角隅的細(xì)化篩選準(zhǔn)則為許用應(yīng)力的0.95倍，細(xì)化網(wǎng)格的大小標(biāo)準(zhǔn)為200mm×200mm，以及評判標(biāo)準(zhǔn)280/k

（k為材料系數(shù)）;CSR-H艙口角隅的細(xì)化篩選準(zhǔn)則0.95λperm，細(xì)化網(wǎng)格的大小標(biāo)準(zhǔn)為50mm×50mm，以及評判標(biāo)準(zhǔn)λf≤λperm。

2 船中區(qū)域不同規(guī)范強度計算對比分析

2.1 CSR 規(guī)范船中艙口角隅強度計算分析。利用必維船級社軟件Veristar-Hull，分別依據(jù)CSR，HCSR不同規(guī)范的要求對本散貨船船中區(qū)域第

4，5，6貨艙（后面簡寫如CH4，CH5，CH6）三個艙段進行強度評估，該軟件可以依據(jù)不同規(guī)范直接加載對應(yīng)約束工況載荷等條件進行分析。計算取 S×S

（本船 960mm×960mm） 的粗網(wǎng)格模型進行計算整個貨艙段的分析，甲板區(qū)域的模型如圖 2 所示，艙口角隅用一個三角形單元進行模擬，角隅板厚度為

44mm。CSR角隅篩選準(zhǔn)則為0.95×235/k=310MPa，k=0.72，HCSR角隅的篩選準(zhǔn)則σVM≤0.95×λperm×RY=0.95×1×235/k=310MPa;兩種規(guī)范的計算結(jié)果均列在表 4 中。表中后端角隅為本貨艙尾部，依據(jù)兩種不同規(guī)范分別計算的應(yīng)力結(jié)果，并將兩種計算結(jié)果取比值?？梢詮谋?4 中看出船中依據(jù)兩種規(guī)范計算三個貨艙段的六個角隅的強度計算結(jié)果都超出了篩選準(zhǔn)則的

310MPa，HCSR規(guī)范計算的結(jié)果均高于相應(yīng)CSR規(guī)范計算結(jié)果。

圖 2 甲板區(qū)域的粗網(wǎng)格模型

表 4 不同規(guī)范計算的船中區(qū)域艙口角隅的結(jié)果對比

2.2 CSR-H 規(guī)范船中艙口角隅強度計算分析。根據(jù) 2.1 中計算的結(jié)果， 兩種規(guī)范的所計算船中三個艙段的角隅應(yīng)力都超過篩選準(zhǔn)則

310MPa。本船設(shè)計中艙口角隅的典型形狀為 a×b=2250mm×1300mm 的橢圓，依據(jù)兩種規(guī)范中要求較高的 HCSR 規(guī)范要求，對應(yīng)力超過 310MPa 的單元進行細(xì)化研究以便于得到更精確的結(jié)果，細(xì)化網(wǎng)格大小為 50mm×

50mm，評判標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)規(guī)范第7章，第3章節(jié)，6.2評判標(biāo)準(zhǔn)取490MPa，細(xì)化網(wǎng)格的計算結(jié)果列在表 5 中。同一貨艙的首尾兩個艙口角隅，取其中的應(yīng)力較大者進行細(xì)化分析，如 CH4 貨艙后端角隅依據(jù)HCSR 計算的應(yīng)力

415MPa，前端角隅應(yīng)力421MPa，則取前端角隅進行細(xì)化分析。從Veris- tar-Hull 軟件中直接讀取細(xì)化分析結(jié)果并將最大應(yīng)力列在表 5 中，同時讀取造成最大應(yīng)力的裝載形式及載荷工況，即裝載形式/載荷工況No.1，讀取造成第二大應(yīng)力的裝載形式/載荷工況No.2，同樣列在表5中。圖3為典型艙口角隅的細(xì)化模型。

表 5HCSR 規(guī)范艙口角隅細(xì)化結(jié)果及最大載荷工況

圖 3 船中區(qū)域艙口角隅的典型細(xì)化模型

2.3 船中區(qū)域兩種規(guī)范結(jié)果對比。通過表 4 的對比分析可以發(fā)現(xiàn)

HCSR 的計算應(yīng)力值高于 CSR 規(guī)范計算應(yīng)力值，也即 HCSR 規(guī)范提出了更高的要求。CH5艙兩種規(guī)范的計算結(jié)果相差10%左右，CH4，CH6艙分別相差約20%，18%，說明越遠(yuǎn)離船舯，HCSR規(guī)范的要求越高。可以從表5中得到除CH5艙外，CH4，CH6引起最大應(yīng)力的的第一種，第二種loadcase都為不同載況下的OST-1S，OST-2S工況，都是由斜浪工況OST引起的。但通過細(xì)化的分析方法可以發(fā)現(xiàn)船中區(qū)域能滿足細(xì)化后的標(biāo)準(zhǔn)，也即設(shè)計中依據(jù)HCSR 規(guī)范要求仍較易滿足要求。

3 CSR-H 首尾艙段角隅計算

3.1 CSR-H 首尾艙段角隅計算。首部貨艙段的計算包括 Forwardcargo holdregion的CH2、CH3貨艙，F(xiàn)oremostcargoregion的CH1貨艙;尾部貨艙段的計算包括Aftcargoholdregion的CH7、CH8貨艙，aftmostcargohold的

CH9貨艙;CSR規(guī)范不包含本部分艙口角隅的計算。故在本部分計算中僅依據(jù)CSR-H 規(guī)范對艙口角隅進行計算。艙段粗模型計算對應(yīng)的單元大小S×S（本模型約 960mm×960mm）。首尾部分艙口角隅的粗網(wǎng)格模型與船中部分類似。粗網(wǎng)格計算結(jié)果列在表 6 中。從表 6 中可以看出除了第 2 貨艙外，其它貨艙角隅的應(yīng)力值都超過許用值 310MPa。對粗網(wǎng)格應(yīng)力超過篩選準(zhǔn)則 310MPa 的艙口角隅進行細(xì)化，以便于得到更精確的結(jié)果。細(xì)化網(wǎng)格的大小為 50mm×50mm，角隅形狀統(tǒng)一為 a×b=2250mm×1300mm 橢圓， 細(xì)化的典型模型與船中區(qū)域類似。同一貨艙取前后艙口角隅的較大值進行細(xì)化分析，如CH8貨艙后端角隅值為433.4MPa，前端角隅值為399.5MPa，則取其中后端角隅進行細(xì)化計算，細(xì)化計算的結(jié)果同樣列在表 6 中。

表 6 首尾貨艙段角隅及細(xì)化結(jié)果

附注：其中X為角隅位置距離尾垂線的縱向距離，L為船舶規(guī)范船長。 可以從表中看出，首部的 CH1 艙及 CH2 艙較容易滿足新規(guī)范的要求，

尾部的 CH9 艙較易滿足規(guī)范的要求。其余 CH3， CH7， CH8 三個艙的細(xì)化結(jié)果都超過了許用值490MPa，首尾部分貨艙角隅在以前的CSR船舶設(shè)計中關(guān)注較少，新的 CSR-H 規(guī)范中對其提出了具體的要求，并成了較大的設(shè)計難點。需要分析其成因以便在該類型散貨船的設(shè)計中更好的指導(dǎo)設(shè)計。

3.2 影響工況分析。從 VeristarHull 軟件中讀取造成高應(yīng)力的前兩種裝載形式及載荷工況列在表 7 中?？梢詮谋碇锌闯鍪孜膊糠值呐摱危龖?yīng)力超過許用值的 CH3，CH7，CH8 艙角隅，其余 CH2，CH9 的艙口角隅其引起最大應(yīng)力的第一種工況也都是不同loadpattern下的OST工況，OST-1S，

2P，2S 的區(qū)別僅在于彎矩作用于左右舷，或者是最大最小彎矩的區(qū)別?？梢缘贸鍪孜膊控浥搶τ谛碌?HCSR 規(guī)范新增加的 OST 工況對艙口角隅的設(shè)計提出了更嚴(yán)苛的要求。從而在艙口角隅的設(shè)計中應(yīng)該預(yù)先考慮 OST 工況載荷的成因，及可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。在下列章節(jié)中將對 OST 工況進行規(guī)范的研究分析。

表 7 首尾部分貨艙角隅主導(dǎo)工況

4 波浪扭矩的分析

4.1 波浪扭矩的規(guī)范要求。OST 是斜浪時船在距離尾垂線 0.25L 處的扭矩達(dá)到最小或最大時的等效設(shè)計波，該等效設(shè)計波對應(yīng)的波浪扭矩的計算 公式在HCSR 規(guī)范第 4 章第 4 部分船體梁載荷， 3.4 波浪扭矩中表述如下：

Mwt=M1 M2 （1）

其中： （2）

Mwt2=0.22f2LB R（3）

ft1， ft2：分布系數(shù)，取為：

ft1=0 當(dāng)x<0

當(dāng) 0≤ x≤L

ft1=0 當(dāng)x>L

ft2=0 當(dāng)x<0

當(dāng) 0≤ x≤L

ft2=0 當(dāng)x>L

4.2 波浪扭矩沿船長的分布系數(shù)

FIp-ost=5fxL 當(dāng)x/L<0.2

FIp-ost=1.0 當(dāng)0.2≤x/L<0.4

FIp-ost=-7.6fxL+4.04 當(dāng)0.4≤x/L<0.65

FIp-ost=-0.9 當(dāng)0.65≤x/L<0.85

FIp-ost=6fxL-6 當(dāng)0.85≥x/L

4.3 尾部貨艙段波浪扭矩

4.3.1 尾部區(qū)域貨艙段波浪扭矩近似計算。尾部貨艙段的計算包括Aftcargoholdregion 的 CH7，CH8 貨艙， 和 aftmostcargohold 的 CH9 貨艙， 在本船的計算中CW=10.735，T=294m，B=50m，D=25m，CB=0.835，fps取

1.0，TLC在本船近似計算中取18.5m，依據(jù)4.1，4.2章節(jié)中的公式進行計算，計算結(jié)果如表 7 所示。表 8 中 x/L=0 和 0.531 經(jīng)公式推導(dǎo)波浪扭矩沿船長分布系數(shù)為 0 的位置。

表 8 尾部貨艙角隅位置波浪扭矩近似計算數(shù)值表

科技研究

圖 4 尾部區(qū)域波浪扭矩分布曲線

4.3.2 尾部區(qū)域貨艙段波浪扭矩的結(jié)果分析。CH8 艙角隅的縱向位置為x/L為0.23，0.29，CH7艙角隅的縱向位置為x/L為0.33，0.38，可以從上圖中看出這四個位置的波浪扭矩處于圖形的最高附近。CH7 艙的 50mm×

50mm細(xì)化分析結(jié)果為646MPa，CH8艙的細(xì)化分析結(jié)果為617MPa，這與上圖的顯示結(jié)果是一致的。并且646MPa，617MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超過許用值

490MPa，在實際的設(shè)計中也需采用較多的如形狀設(shè)計或新節(jié)點設(shè)計才能 滿足規(guī)范要求。在貨艙尾部艙口角隅的設(shè)計中可以先用規(guī)范公式進行波浪扭矩的計算，進行預(yù)判。尤其是縱向位置超出船中區(qū)域的范圍不應(yīng)該使 得參與總縱強度的構(gòu)件尺寸直接下降。

4.4 首部區(qū)域貨艙波浪扭矩近似計算及結(jié)果分析

4.4.1 首部區(qū)域貨艙波浪扭矩近似計算。首部貨艙段的計算包括Forwardcargoholdregion 分別為 CH2，CH3 貨艙，和 Foremostcargoregion 的

CH1貨艙。在本船的計算中取CW=10.735，L=294m，B=50m，D=25m，CB=0.

835，fps取1.0，TLC在取18.5m以便于對比分析。表9中x/L=0.531和1經(jīng)公式推導(dǎo)波浪扭矩沿船長分布系數(shù)為 0 的位置。

圖 5 首部區(qū)域波浪扭矩分布曲線

4.4.2 首部部分貨艙段波浪扭矩的結(jié)果分析。CH3 艙角隅的縱向位置為x/L為0.71，0.76，可以從圖5中看出0.71，0.76位置的波浪扭矩處于圖形的最高點。這與模型的細(xì)化分析結(jié)果是一致的，從而在貨艙首部艙口角 隅的設(shè)計中可以先用規(guī)范公式進行波浪扭矩的計算，進行預(yù)判。尤其是縱 向位置超出船中區(qū)域的范圍不應(yīng)該使得參與總縱強度的構(gòu)件尺寸直接下降。CH1，CH2艙的艙口角隅的縱向位置分別為0.8，0.85，0.88，0.94，可以從圖中看出處于這個縱向位置的波浪扭矩離最大值處較遠(yuǎn)，而且通過細(xì)化分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)這四個位置的角隅比較容易設(shè)計要求，使用常規(guī)的橢圓角隅模型即可滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文對比分析了HCSR 相對于 CSR 規(guī)范的主要變化，并進行了兩種規(guī)范船中區(qū)域艙口角隅的對比分析;其次用 CSR-H 規(guī)范對首尾部貨艙角隅進行校核，并發(fā)現(xiàn) OST 斜浪工況對首尾艙口角隅的設(shè)計起主導(dǎo)作用;在對 OST 工況引起的波浪扭矩進行規(guī)范研究基礎(chǔ)上，得出波浪扭矩沿船長的分布規(guī)律并對角隅設(shè)計可能產(chǎn)生的影響，對本船的分析可以得出下列結(jié)論：

（1） 本船依據(jù) HCSR 規(guī)范計算的船中三艙段艙口角隅的應(yīng)力高于

CSR 規(guī)范計算結(jié)果，主要是由新增加的 OST 設(shè)計波引起，但在設(shè)計中仍能較易滿足規(guī)范要求。

（2）首部 CH1，CH2 艙艙口角隅的設(shè)計較易滿足規(guī)范要求，最大值出現(xiàn)在CH3艙的角隅處，細(xì)化模型的最大計算值為563.8MPa，與圖5顯示的首部區(qū)域波浪扭矩分部曲線變化趨勢是一致的。

（3）尾部 CH7，CH8，CH9 艙段中的 CH7、CH8 艙的艙口角隅細(xì)化模型的最大計算值 647MPa、617MPa 也超出了許用值 490MPa，其中最大值

647MPa出現(xiàn)CH7貨艙在縱向位置X/L=0.33，與圖4顯示的尾部波浪扭矩的分部規(guī)律也是近似一致的。

后續(xù)工作，通過總縱強度沿船長的分布規(guī)律，艙口角隅的幾何形狀設(shè)計，節(jié)點形式設(shè)計以使得艙口角隅能滿足規(guī)范的要求。在實際設(shè)計中，由于船舶結(jié)構(gòu)，載荷及工況的多樣性，以及疲勞壽命由原 CSR 中的 20 年提高到25年，應(yīng)力范圍概率水平從10-4變?yōu)?0-2，以及規(guī)范在疲勞壽命評估方面做了改進[5]，導(dǎo)致艙口角隅設(shè)計中仍需經(jīng)過實際計算。

參 考 文 獻(xiàn) ： [1]IACS. CommonStructuralRulesforBulkCarrierandOilTankers[S]， 2014.

[2]IACS. Common Structural Rules for Bulk Carrier[S]， 2012.

[3]IACS. CommonStructuralRulesforDoubleHullOilTankers[S]， 2012.

[4]周廣喜. HCSR 和 CSR 規(guī)范結(jié)構(gòu)強度評估方法比較研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué)， 2013.

[5]張夢婷， 金永興. HCSR 對散貨船疲勞強度校核的新要求[J]. 船舶工程， 2014（5）： 30-33.