韓天宇，陳國建

（法國船級(jí)社，上海 200031）

0 前 言

散貨船在海上交通運(yùn)輸中起著舉足輕重的作用。但是散貨船的海損事故一直不斷并在 1990年代大幅上升。

統(tǒng)計(jì)表明，越來越多的海損事故是由船體結(jié)構(gòu)破壞造成的。

國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）決定提高對(duì)散貨船船體結(jié)構(gòu)的要求。各船級(jí)社在上世紀(jì)末相繼對(duì)散貨船船體結(jié)構(gòu)制定了URS12（單殼散貨船舷側(cè)結(jié)構(gòu)的要求）、URS17（散貨船進(jìn)水狀態(tài)下的總強(qiáng)度要求）、URS18（散貨船進(jìn)水狀態(tài)下貨艙槽型艙壁的強(qiáng)度要求）、URS20（散貨船進(jìn)水狀態(tài)下貨艙許用裝載量的要求）和URS25（散貨船統(tǒng)一的設(shè)計(jì)裝載工況及其對(duì)應(yīng)的船級(jí)符號(hào)的要求）[1]。隨后IACS又制定了散貨船共同規(guī)范。該規(guī)范不僅包括了所有的URS的要求，而且也統(tǒng)一了各船級(jí)社對(duì)散貨船船體結(jié)構(gòu)的要求。推出散貨船共同規(guī)范的目的是：

1)消除各船級(jí)社之間在船體結(jié)構(gòu)尺寸上的競(jìng)爭(zhēng)；

2)和國際海事組織IMO即將推出的新造船的GBS標(biāo)準(zhǔn)相接軌；

3)確保按照共同規(guī)范設(shè)計(jì)建造的船舶能在行業(yè)內(nèi)被公認(rèn)為是安全可靠的，并且滿足所有已生效的規(guī)范的要求；

4)結(jié)合了各個(gè)船級(jí)社在散貨船船體結(jié)構(gòu)上的經(jīng)驗(yàn)；

5)減少因同時(shí)滿足各個(gè)船級(jí)社規(guī)范所產(chǎn)生的成本。

散貨船共同規(guī)范適用于2006年4月1日以后簽約建造的，船長(zhǎng)在90m以上，且船體貨艙區(qū)設(shè)計(jì)為單甲板，雙底，有頂邊艙和底邊艙，舷側(cè)為單殼或雙殼，并主要用于裝運(yùn)散貨的船舶。散貨船共同規(guī)范包含了已生效的針對(duì)船體結(jié)構(gòu)的國際法規(guī)的要求，還綜合了散貨船在使用過程中反饋的經(jīng)驗(yàn)。

1 散貨船共同規(guī)范的強(qiáng)度分析

1.1 總縱強(qiáng)度

共同規(guī)范要求對(duì)帶有“BC-A”，“BC-B”船級(jí)符號(hào)的船舶進(jìn)行完整工況、港口工況和進(jìn)水狀態(tài)下的總縱強(qiáng)度計(jì)算。應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)是按照船體中剖面參與總強(qiáng)度的構(gòu)件的凈尺寸（扣一半的腐蝕）給出的。因此對(duì)于帶有“BC-A”，“BC-B”船級(jí)符號(hào)的船舶，在設(shè)計(jì)初期需給出進(jìn)水狀態(tài)下的設(shè)計(jì)彎矩和剪力，以校核進(jìn)水狀態(tài)下的總縱強(qiáng)度。而且根據(jù)實(shí)船設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，很多此類散貨船的剖面模數(shù)都是由進(jìn)水狀態(tài)下的設(shè)計(jì)彎矩決定的。

完整工況和進(jìn)水狀態(tài)下船體梁總縱剪切強(qiáng)度校核對(duì)于貨艙區(qū)舷側(cè)結(jié)構(gòu)為單殼的散貨船是非常重要的。通常單殼散貨船的舷側(cè)外板在貨艙橫艙壁附近，為確保有足夠的剪切強(qiáng)度需加厚很多，而且此加厚范圍要足夠大，厚度沿遠(yuǎn)離橫艙壁的方向應(yīng)逐步遞減，以保證在厚度過度的位置仍有足夠的剪切強(qiáng)度。

1.2 組合屈曲

組合屈曲是用于校核參與總縱強(qiáng)度的船體梁?jiǎn)卧甯竦那鷱?qiáng)度，但它不同于有限元分析中的屈曲強(qiáng)度校核。按照共同規(guī)范的要求，需驗(yàn)證2種應(yīng)力組合方式下的屈曲強(qiáng)度：

1)100%船體梁?jiǎn)卧甯裆系膹澢鷫簯?yīng)力和80%船體梁?jiǎn)卧甯裆系募羟袘?yīng)力；

2)80%船體梁?jiǎn)卧甯裆系膹澢鷫簯?yīng)力和100%船體梁?jiǎn)卧甯裆系募羟袘?yīng)力。

船體梁?jiǎn)卧甯裆系膹澢鷫簯?yīng)力和剪切應(yīng)力是根據(jù)完整工況下的設(shè)計(jì)靜水彎矩和剪力加上波浪彎矩和剪力計(jì)算得到的。組合屈曲的校核對(duì)許多散貨船特別是舷側(cè)為橫骨架式的散貨船是非常重要的。通常在中剖面的上部舷側(cè)區(qū)域容易出現(xiàn)組合屈曲的問題。

1.3 卷筒鋼板加強(qiáng)

共同規(guī)范對(duì)卷筒鋼板加強(qiáng)給出了非常詳盡的要求。按此要求，當(dāng)單個(gè)卷筒鋼板下的木質(zhì)橫撐數(shù)目少于5時(shí)，承受卷鋼載荷的內(nèi)底板板厚，內(nèi)底縱骨的剖面模數(shù)和底邊艙斜板板厚及其縱骨剖面模數(shù)通常需加大很多。當(dāng)單個(gè)卷筒鋼板下的木質(zhì)橫撐數(shù)目多于5時(shí)，老版本的規(guī)范要求按照內(nèi)底板和底邊艙斜板承受均布載荷進(jìn)行計(jì)算。均布載荷的大小是根據(jù)卷鋼的重量除以卷鋼的直徑和長(zhǎng)度得到的。由于木質(zhì)橫撐數(shù)目多于5時(shí)的卷筒鋼板加強(qiáng)比較容易滿足而且加強(qiáng)不多，所以很多設(shè)計(jì)者都按照此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。但2009年7月1日以后生效的新版本的共同規(guī)范對(duì)此處作出了修改，即當(dāng)單個(gè)卷筒鋼板下的木質(zhì)橫撐數(shù)目多于5時(shí)，內(nèi)底板和底邊艙斜板按照承受線載荷而不再是均布載荷進(jìn)行計(jì)算。按此新要求內(nèi)底板板厚，內(nèi)底縱骨的剖面模數(shù)和底邊艙斜板板厚及其縱骨剖面模數(shù)都將比老版本共同規(guī)范的要求加大很多。

2 基于規(guī)范的有限元直接計(jì)算

共同規(guī)范要求對(duì)于不小于 150m的散貨船進(jìn)行三維有限元直接強(qiáng)度分析[2]。規(guī)范中規(guī)定了3種有限元分析步驟，其中2種是屈曲和屈服分析，另1個(gè)是疲勞分析。現(xiàn)重點(diǎn)討論屈曲和屈服分析。前2種分析分別是總強(qiáng)度分析和詳細(xì)節(jié)點(diǎn)分析?？倧?qiáng)度分析主要考慮在艙段中的主要支撐結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度表現(xiàn)，可以稱為3艙段模型分析。詳細(xì)節(jié)點(diǎn)分析主要通過局部細(xì)化的網(wǎng)格來分析出現(xiàn)高應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)，稱作局部細(xì)網(wǎng)格分析。模型的范圍，網(wǎng)格大小和單元屬性都在共同規(guī)范中有詳細(xì)的說明。

在共同規(guī)范中，定義了4種標(biāo)準(zhǔn)化的工況用于有限元計(jì)算，分別是“H”、“F”、“R”和“P”，它們之間相互獨(dú)立。其中，“H”和“F”分別代表了迎浪和隨浪狀態(tài)，可以看作船體處于正浮狀態(tài)，即靜止?fàn)顟B(tài)或者具有縱蕩，垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)。這表明船體遭遇的波浪所產(chǎn)生的海平面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（正和負(fù)）對(duì)稱于船體兩舷，且作用于船體的波浪誘導(dǎo)總體載荷為垂直波浪彎矩和垂直剪力。工況“R”和“P”對(duì)應(yīng)于橫斜浪的情況，即船體有橫蕩，橫搖和艏搖運(yùn)動(dòng)。在這兩個(gè)工況中，船體遭遇的波浪所產(chǎn)生的海平面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（正和負(fù)）于船體兩舷不對(duì)稱，作用于船體的波浪誘導(dǎo)總體載荷除垂直波浪彎矩和垂直剪力，還有水平波浪彎矩。

邊界條件應(yīng)用在3艙段模型的兩端。兩端截面上縱向連續(xù)構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)與中縱剖面上的中和軸處的獨(dú)立點(diǎn)通過剛性連接單元鏈接。規(guī)范中將繞船長(zhǎng)的自由度轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定，這表明繞船長(zhǎng)方向上的自由扭轉(zhuǎn)被限制。

詳細(xì)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算既可以通過在總體網(wǎng)格中嵌入局部細(xì)化網(wǎng)格來計(jì)算，也可以使用子模型的方法來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于前1種方法，載荷和邊界條件都可以直接根據(jù)規(guī)范得到。如果使用子模型方法，載荷由總體網(wǎng)格映射到子模型細(xì)網(wǎng)格，由總體網(wǎng)格得到的節(jié)點(diǎn)力或節(jié)點(diǎn)位移可以作為子模型的邊界條件輸入。

2.1 主要支撐構(gòu)件的總體網(wǎng)格分析

主要支撐構(gòu)件，由于其幾何形狀和艙內(nèi)位置的不同，從而對(duì)不同的載況和工況的敏感程度不同。

輕貨艙外底板最嚴(yán)重的屈曲通常出現(xiàn)在隔艙裝載的正浮狀態(tài)，見圖 3。而重貨艙的外底板屈曲通常產(chǎn)生在多港裝載載況下，見圖 2，即艙內(nèi)和雙層底艙為空，吃水為最大吃水的0.83。原因在于，輕艙外底板上承受的內(nèi)外不平衡的壓力在隔艙裝載的情況下達(dá)到最大。重貨艙在多港裝載載況下的情況相同。

圖1 隔艙裝載載況下輕艙外底板屈曲模態(tài)

圖2 多港裝載載況下重艙外底板屈曲模態(tài)

對(duì)于舷側(cè)來說，在艙內(nèi)為空或者貨物裝載高度不高時(shí)，如果吃水較大或者外部水壓頭較高，不平衡壓力就有可能達(dá)到最大，這通常出現(xiàn)在橫斜浪狀態(tài)。這個(gè)不平衡的壓力可能在艙段中部的舷側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較高載荷。然而，靠近橫艙壁的舷側(cè)板的尺寸通常是由可產(chǎn)生較大剪力的裝載情況決定的，例如正浮狀態(tài)下的隔艙裝載或者重壓載。過大的剪力載荷會(huì)導(dǎo)致由于剪力屈曲或者屈服而引起的舷側(cè)結(jié)構(gòu)失效。

艙口間甲板的尺寸通常由橫浪狀態(tài)的工況決定，在此狀態(tài)下船體梁水平橫向位移較為顯著。圖3為橫浪狀態(tài)下某條船的甲板的典型變形圖。方形的艙口趨向于變形為平行四邊形，在有限元中有可能觀察到此處的剪切屈曲。在重壓載艙中，由于壓載水產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致艙口間甲板變形，從而牽扯甲板縱桁引起變形，如圖4所示。如果甲板縱桁沒有得到足夠的加強(qiáng)，那么就有可能產(chǎn)生高的應(yīng)力水平和屈曲水平。

如果計(jì)算表明過高的屈服應(yīng)力和屈曲水平，就應(yīng)該采取相應(yīng)的措施以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。增加板材厚度是1種行之有效的方法。另外，增加中間加強(qiáng)筋可以用較小的重量代價(jià)消除屈曲。主要支撐構(gòu)件可以在總體網(wǎng)格階段進(jìn)行分析。然而，由于總體網(wǎng)格的單元尺寸限制，某些高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，例如舷側(cè)肋骨的下趾端，不能在總體網(wǎng)格中正確地表達(dá)。因此得到的應(yīng)力水平不能夠正確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。這就需要進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格詳細(xì)分析。

圖3 橫浪下主甲板的變形模態(tài)

圖4 重壓載艙內(nèi)甲板縱桁的變形模態(tài)

2.2 細(xì)網(wǎng)格詳細(xì)分析

用細(xì)網(wǎng)格分析的目的是更加準(zhǔn)確地分析結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的應(yīng)力水平。在這些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處，總體網(wǎng)格由于單元尺寸限制，不能正確反映結(jié)構(gòu)幾何形式，而且不夠精細(xì)。在這些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)處，常常伴有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1)舷側(cè)肋骨的下趾端。舷側(cè)肋骨的下趾端是全船上的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)。如果在設(shè)計(jì)過程中沒有注意，會(huì)引起趾端應(yīng)力集中過大和應(yīng)力過高，進(jìn)而損壞趾端或底邊艙斜板。在重壓載艙，最壞的載荷通常是在橫斜浪下由壓載水的側(cè)向慣性水壓頭引起的。在重艙和輕艙，當(dāng)艙內(nèi)為空或者貨物量裝載較低時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)惡劣的載荷。推薦的加強(qiáng)措施包括增加趾端腹板局部板厚，改善結(jié)構(gòu)形式，將面板厚度在結(jié)束處斜切成1:3等。圖5是一個(gè)趾端的典型示意圖和網(wǎng)格劃分。

2)內(nèi)底板與底墩立板連接處。盡管在總體網(wǎng)格中，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的有限元模型可以與圖紙的幾何形式保持一致，應(yīng)力也在可以接受的范圍，但是關(guān)于這個(gè)節(jié)點(diǎn)在重壓載艙中損壞的報(bào)告卻時(shí)有發(fā)生。原因是由于總體網(wǎng)格的單元尺寸較大，而應(yīng)力是通過整個(gè)單元評(píng)估得到，從而造成應(yīng)力的陡然變化無法表現(xiàn)出來。圖6是某船的此節(jié)點(diǎn)在同一工況下在總體網(wǎng)格和局部網(wǎng)格中的應(yīng)力分布的對(duì)比。應(yīng)力從粗網(wǎng)格（網(wǎng)格為筋間距大?。┑?20MPa到細(xì)網(wǎng)格（網(wǎng)格為200mm）的320MPa上升了近1.4倍，這表明要想研究此點(diǎn)的應(yīng)力集中，必須使用足夠精細(xì)的網(wǎng)格。此結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的幾何形式難以改變，對(duì)此節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)則可以通過增加板厚和提高材料等級(jí)來實(shí)現(xiàn)。在此節(jié)點(diǎn)全焊透是必須的，并且高度推薦進(jìn)行無損探傷。

圖5 趾端的典型示意圖和網(wǎng)格劃分

圖6 此節(jié)點(diǎn)在同一工況下在總體網(wǎng)格和局部網(wǎng)格中的應(yīng)力分布的對(duì)比

3)艙口角隅。艙口角隅應(yīng)引起特別注意。艙口角隅的損壞有可能引起災(zāi)難性的后果。過高的應(yīng)力集中通常是主要原因。散貨船不可避免的具有1個(gè)巨大的艙口開口，以進(jìn)行貨物裝卸。這樣的長(zhǎng)方形的角隅對(duì)于扭曲非常敏感，尤其是橫斜浪的狀態(tài)，見圖 3。對(duì)艙口角隅可以通過嵌入高等級(jí)的厚板或者改善角隅幾何形式來進(jìn)行加強(qiáng)。嵌入板應(yīng)跨過角隅彎弧的長(zhǎng)邊和短邊，與相鄰甲板的對(duì)接焊處應(yīng)通過打磨進(jìn)行光順過渡。如圖 7所示。

圖7 艙口角隅的加強(qiáng)圖示與典型的應(yīng)力分布

3 結(jié) 語

共同規(guī)范對(duì)散貨船的船體強(qiáng)度提出了很多具體的新要求，也給船體設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。這些要求在船舶設(shè)計(jì)中需要予以特別關(guān)注和認(rèn)真考慮。

[1] IACS.blue book[S].May 2009.

[2] NR 522 DT R02E.Common Structure Rules for Bulk Carriers[S].July 2009.