劉文華，丁天安

（1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 200032；2.上海船廠船舶有限公司，上海 202164）

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(zhuān)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。

圖1 CSR的協(xié)調(diào)時(shí)間表

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。

圖2 散貨船有限元模型縱向范圍及評(píng)估目標(biāo)

圖3 油船有限元模型中按照驗(yàn)收衡準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證的范圍

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?chē)?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（KC 1006）[6]，圖6 給出了KC 1006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。

圖4 散貨船熱點(diǎn)應(yīng)力定義

圖5 油船熱點(diǎn)應(yīng)力定義

圖6 熱點(diǎn)應(yīng)力插值的5種方法（KC 1006）

本文根據(jù)實(shí)際計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提出在考慮KC 1006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（RCN 3），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)件的問(wèn)題，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CSR 2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)。

[1] 楊培舉.GBS的標(biāo)準(zhǔn)體系再造[J].中國(guó)船檢, 2010,(6):18-21.

[2] IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers[S].July 2009.

[3] IACS.Bulk Carrier CSR – Revision History[S].April 2010.

[4] 小 川.設(shè)計(jì)師眼中的船舶共同規(guī)范[J].國(guó)際船艇，2010,(1): 22-24.

[5] IACS.Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers[S].July 2009.

[6] IACS.Bulker Q&As and CIs on the IACS CSR Knowledge Centre(KC)[S].March 2010.