徐義剛，韓 鈺，李丹丹，陳 磊

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

UR S11A及UR S34對超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

徐義剛，韓 鈺，李丹丹，陳 磊

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

比較國際船級社協(xié)會（International Association of Classification Societies，IACS）制定的針對集裝箱船總縱強度評估的標(biāo)準(zhǔn)“UR S11A”與集裝箱船有限元強度評估工況的最低要求“UR S34”的差異，主要比較總縱強度評估方法、垂向波浪彎矩和垂向波浪剪力公式的差異。結(jié)合中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院自主開發(fā)設(shè)計的某2種類型超大型集裝箱船，計算分析UR S11A對集裝箱船3個典型位置（船體0.25L，0.50L和0.75L處）縱向結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的影響，特別是對剪切強度的影響。同時，介紹UR S34的一些關(guān)鍵內(nèi)容。

UR S11A；UR S34；集裝箱船；總縱強度；垂向波浪彎矩；垂向波浪剪力

0 引 言

2007年和2013年發(fā)生的2起與船體梁強度有關(guān)的集裝箱船海損事故引起了國際海事界的廣泛關(guān)注，促使國際船級社協(xié)會（International Association of Classification Societies，IACS）重新制定針對瘦長型船舶的總縱強度校核標(biāo)準(zhǔn)。IACS基于大量實船數(shù)據(jù)，應(yīng)用目前較為成熟的計算理論和方法，借鑒當(dāng)前主流船級社規(guī)范和共同規(guī)范的思想及方法，制定出針對集裝箱船總縱強度評估的標(biāo)準(zhǔn)“UR S11A”和采用有限元方法進行集裝箱船強度評估的最低要求“UR S34”[1]，并從2016年7月1日起正式實施。為此，主要研究UR S11A和UR S34的實施對超大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

1 UR S11A與UR S11的差異

UR S11A相關(guān)規(guī)定適用于集裝箱船0.20L~0.75L內(nèi)的總縱強度校核，包括屈服強度、屈曲強度、船體梁剛度和極限強度。

1.1 總尺度和凈尺度差異

IACS先前的總縱強度校核標(biāo)準(zhǔn)UR S11是基于船體結(jié)構(gòu)的總尺度校核船體梁總縱強度（屈曲強度校核除外），而 UR S11A則是基于船體結(jié)構(gòu)的凈尺度校核船體梁總縱強度。船體結(jié)構(gòu)的凈尺度由計算式tnet= tas_build- tvol_add- atc得到，各種強度校核類別下的腐蝕余量系數(shù)a見表1。

表1 各種強度校核類別下的腐蝕余量系數(shù)

1.2 許用應(yīng)力差異

在UR S11中，船體梁彎曲強度的校核對象為船體梁的剖面模數(shù)，船體梁剪切強度的校核對象為縱向構(gòu)件的板厚，正應(yīng)力和剪應(yīng)力的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)分別為175/k及110/k。在UR S11A中，船體梁彎曲強度的校核對象為船體梁的正應(yīng)力，船體梁剪切強度的校核對象為剪應(yīng)力，對應(yīng)的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)分別為190/k及120/k。由此可看出，UR S11A引入了共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（Common Structural Rules，CSR）中采用凈尺度校核船體梁強度的理論，許用應(yīng)力衡準(zhǔn)也與CSR保持一致[2]，高于采用總尺度校核船體梁屈服強度的UR S11的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)。

1.3 波浪載荷差異

UR S11對不同類型的船舶規(guī)定相同的垂向波浪載荷計算公式，這對散貨船和油船等肥大型船舶來說比較適用，而對集裝箱船等瘦長型船舶不太適用。因此，UR S11A進行諸多實船波浪載荷預(yù)報，并回歸針對集裝箱船垂向波浪載荷的計算公式。對集裝箱船影響較大的中拱波浪彎矩和剪力的計算式為

集裝箱船總縱強度一般由中拱工況決定，中垂工況可通過調(diào)整中垂靜水彎矩來降低UR S11A的影響。UR S11A對集裝箱船結(jié)構(gòu)尺寸有直接影響的是中拱波浪彎矩的增大、船體后半部分正剪力的增大和船體前半部分負剪力的增大，這3個波浪載荷均與。對于大部分集裝箱船來說，有關(guān)，而，因此大部分集裝箱船的中拱波浪彎矩可表示為

由式(4)可知，船舶主尺度中影響集裝箱船垂向波浪彎矩的主要因素是船長、型寬和方形系數(shù)，其中，船長的影響因子有所增大，船寬的影響因子有所減小，方形系數(shù)的影響因子不變。與UR S11不同的是，UR S11A中結(jié)構(gòu)吃水對中拱波浪彎矩也有一定的影響。

船體后半部分正剪力和船體前半部分負剪力可表示為

由式(5)和式(6)可知，船體后半部分的波浪剪力也受結(jié)構(gòu)吃水處的水線面系數(shù)的影響。

1.4 其他方面的差異

1) 關(guān)于船體梁屈曲強度校核：UR S11首先基于總尺度計算船體梁應(yīng)力，基于凈尺度計算板格的臨界屈曲應(yīng)力，然后分別校核板格在船體梁剪切應(yīng)力和船體梁縱向壓應(yīng)力作用下的屈曲能力；UR S11A首先基于凈尺度計算船體梁應(yīng)力和板格臨界屈曲應(yīng)力，然后校核板格在船體梁剪切應(yīng)力和船體梁縱向壓縮應(yīng)力聯(lián)合作用下的屈曲能力，這與CSR BC中的船體梁板格屈曲強度校核是一致的[2]。

2) 關(guān)于船體梁的剛度要求：UR S11只要求船中處的船體梁垂向慣性矩不小于規(guī)范要求值，且規(guī)范要求值只與船體主尺度有關(guān)；UR S11A不僅對船中處的慣性矩有要求，對船體0.20L~0.75L內(nèi)的慣性矩均有要求，其規(guī)范要求值與船體主尺度和船體梁載荷均有關(guān)，船體梁載荷越大，船體垂向慣性矩要求值也越大。

3) 與UR S11相比，UR S11A增加了船體梁極限強度校核，其方法與主流船級社的規(guī)范相同，只是安全許用因子有所不同[3-5]。此外，對于船寬>32.26m的集裝箱船，UR S11A增加了屈服強度、屈曲強度和極限強度評估的補充要求，其中：極限強度評估需根據(jù)相應(yīng)的船級社規(guī)范，考慮砰擊振動對垂向彎矩的影響；屈服強度和屈曲強度評估需根據(jù)相應(yīng)的船級社規(guī)范，考慮波浪扭矩、水平波浪彎矩和貨物靜扭矩等附加船體梁載荷。

2 UR S11A對超大型集裝箱船的影響分析

結(jié)合中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院開發(fā)設(shè)計的21000TEU和11800TEU超大型集裝箱船實船（以下簡稱為：實船A及實船B），計算分析UR S11A對集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。針對這2種類型集裝箱船，選取3個典型位置（船體0.25L，0.50L和0.75L處）的剖面進行計算分析，船舶主要參數(shù)見表2。

表2 實船A和實船B主要參數(shù) m

2.1 實船A結(jié)果及分析

UR S11和UR S11A計算出的垂向波浪彎矩分布見圖1。相較于UR S11，UR S11A計算出的船體0.50L處的垂向彎矩變化百分比見表3。

表3 船體0.50L處的垂向彎矩變化百分比 %

超大型集裝箱船的總縱強度一般由中拱工況決定，同樣A船的中拱垂向靜水彎矩也遠大于其中垂垂向靜水彎矩，因此A船中橫剖面尺寸由中拱工況決定?；谕黄拭鏄?gòu)件尺寸，比較UR S11A對A船中橫剖面模數(shù)和慣性矩裕度的影響。由于中拱工況下的總垂向彎矩只增大了4.3%，因此UR S11A對中橫剖面尺寸的影響并不大，結(jié)果見表4。甲板處剖面模數(shù)裕度增大而船底處剖面模數(shù)裕度減小，這主要是因為UR S11A采用凈尺度校核船體梁強度，甲板結(jié)構(gòu)扣除的腐蝕余量較少而船底結(jié)構(gòu)扣除的腐蝕余量較多，使得船體梁中和軸上移。此外，計算結(jié)果表明UR S11A對該船船體0.50L處的船體梁屈曲強度影響較小，無需明顯增加結(jié)構(gòu)板厚。

表4 船體0.50L處船體梁剖面特征裕度變化百分比 %

UR S11和UR S11A計算出的垂向波浪剪力分布見圖2。相較于UR S11，UR S11A計算出的船體0. 25L和0.75L處的垂向剪力變化百分比見表5。

表5 UR S11A計算出的船體0.25L和0.75L處的垂向剪力變化百分比 %

船體梁任意剖面的剪切強度是由剖面總垂向正剪力和總垂向負剪力的絕對值中的大者決定的，集裝箱船垂向靜水剪力一般在船體0.25L處為正剪力、在船體0.75L處為負剪力。因此，對 A船船體梁剪切強度起決定性作用的剪力在船體0.25L處為波浪正剪力，在船體0.75L處為波浪負剪力。

在A船船體0.25L和0.75L處分別選取一個剖面，計算UR S11A對此處結(jié)構(gòu)尺寸的影響，結(jié)果見圖3。船體0.25L處較大范圍內(nèi)的內(nèi)殼板厚需增加1~2mm，主要原因是UR S11A中垂向波浪剪力的增大導(dǎo)致內(nèi)殼板上的剪應(yīng)力增大，這些位置的內(nèi)殼板不滿足屈曲強度要求；船體 0.75L處部分船體外板和內(nèi)殼板板厚需增加0.5~4.5mm，板厚增加較多的原因是外板和內(nèi)殼板上的剪切應(yīng)力超出UR S11A中船體梁剪切應(yīng)力許用值，需通過增加外板和內(nèi)殼板板厚來提高此處的船體梁剪切強度。

2.2 實船B結(jié)果及分析

相較于UR S11，UR S11A計算出的船體0.50L處的垂向彎矩變化百分比見表6。

表6 UR S11A計算出的船體0.50L處的垂向彎矩變化百分比 %

B船船體0.50L處的總垂向彎矩在中拱工況下只增大4.2%。 UR S11A對B船中橫剖面模數(shù)和慣性矩的影響見表7。在不考慮滿足UR S11A和考慮滿足UR S11A時，Us的最大值分別為0.856和0.933，極限強度均滿足規(guī)范的要求，因此UR S11A中船體梁極限強度的要求沒有增加船中處的結(jié)構(gòu)尺寸。船體內(nèi)殼上部分板由于船體梁正應(yīng)力增大導(dǎo)致屈曲強度不滿足要求，板厚需增加0.5~1.0mm（見圖4）。

表7 船體0.50L處船體梁剖面特征裕度變化百分比 %

相較于UR S11，UR S11A計算出的船體0. 25L和0.75L處的垂向剪力變化百分比見表8。

表8 UR S11A計算出的船體0.25L和0.75L處的垂向剪力變化百分比 %

同樣在B船船體0.25L和0.75L附近分別選取一個剖面，計算UR S11A對此處結(jié)構(gòu)尺寸的影響，計算結(jié)果見圖5和圖6。船體0.25L處部分內(nèi)殼板由于剪切應(yīng)力增大導(dǎo)致屈曲強度不滿足要求，板厚需增加1.0~1.5mm。船體0.75L處部分內(nèi)殼板由于剪切應(yīng)力增大導(dǎo)致屈曲強度不滿足要求，板厚需增加 0.5~1.0mm；而部分外板上的剪切應(yīng)力大于UR S11A中船體梁剪切強度許用值，需通過增加外板板厚來提高船體梁剪切強度，外板板厚增加1.5~4.0mm。

3 UR S34主要內(nèi)容

UR S34是在采用有限元方法進行集裝箱船強度評估時對載荷工況的最低要求，包括全船有限元分析和艙段有限元分析。UR S34要求有限元強度評估的垂向波浪彎矩與UR S11A一致，其他船體梁載荷和局部載荷與相應(yīng)的船級社規(guī)范一致。

關(guān)于艙段有限元分析，UR S34規(guī)定了幾種必須評估的裝載工況（見表9），裝載手冊中的裝載工況若認為有必要也需進行評估。同時，需考慮2種波浪載荷工況，其中：在迎浪工況下產(chǎn)生最大的中拱垂向波浪彎矩和中垂垂向波浪彎矩；在橫浪工況下產(chǎn)生最大的橫搖運動，但在某些裝載工況下可不用考慮橫浪工況。

表9 UR S34中艙段有限元分析必須評估的裝載工況

關(guān)于全船有限元分析，UR S34規(guī)定裝載工況與裝載手冊和相應(yīng)的船級社規(guī)范一致。波浪載荷工況分別考慮垂向波浪彎矩、水平波浪彎矩和波浪扭矩最大時的波浪載荷組合。

4 結(jié) 語

UR S11A為針對集裝箱船總縱強度校核的規(guī)范，借鑒了當(dāng)前主流船級社規(guī)范和共同規(guī)范，例如，采用凈尺度校核船體梁強度，校核正應(yīng)力和剪應(yīng)力聯(lián)合作用下的板格屈曲強度，增加船體梁極限強度校核。UR S11A給出適用于集裝箱船垂向波浪彎矩和波浪剪力計算的公式。根據(jù)2種類型超大型集裝箱實船的計算結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 由于集裝箱船的總縱強度一般是由中拱工況決定的，因此UR S11A對集裝箱船結(jié)構(gòu)尺寸有直接影響的是船體中拱波浪彎矩的增大、船體后半部分正剪力的增大和船體前半部分負剪力的增大，其中，船體中拱波浪彎矩約增大9%，船體后半部分正剪力和船體前半部分負剪力分別增大50%左右。

2) 中拱波浪彎矩的增大對這2種類型集裝箱船中橫剖面模數(shù)和慣性矩的影響都非常小，在同一剖面尺寸下，甲板處剖面模數(shù)裕度增大<1%，船底處剖面模數(shù)裕度減小<3%，船體梁慣性矩裕度增大<2%，其中B船小范圍內(nèi)的內(nèi)殼板由于船體梁屈曲強度不滿足要求，板厚需增加0.5~1.0mm。此外，UR S11A中船體梁極限強度的要求對這2種類型集裝箱船中橫剖面尺寸的影響不大。

3) 波浪剪力的增大對船體0.25L和0.75L處的影響比較大，主要表現(xiàn)在波浪剪力的增加導(dǎo)致外板和內(nèi)殼板上的剪切應(yīng)力超出許用值，需增加外板或內(nèi)殼板厚，或采用提高鋼級的方法；同時，內(nèi)殼板上剪應(yīng)力增大導(dǎo)致板格屈曲強度不滿足要求，需增加板厚。

4) 由于大部分船級社規(guī)范中關(guān)于采用有限元方法進行集裝箱船強度評估的載荷工況已涵蓋UR S34中的強制性載荷工況[6]，因此UR S34對集裝箱船強度評估結(jié)果的影響不大。

[1] IACS. Requirements concerning strength of ships[S]. 2015.

[2] IACS. Common structural rules for bulk carriers[S].2012.

[3] GL. Rules for classification and construction ship technology[S]. 2015.

[4] BV. Rules for the classification of steel ships[S]. 2013.

[5] LR. Rules and regulations for the classification of ships [S]. 2014.

[6] LR. Structure design assessment, primary structure of container ships [S]. 2006.

The Im pact of UR S11A and UR S34 on the Structure Design of Ultra Large Container Ship

XU Yi-gang，HAN Yu，LI Dan-dan，CHEN Lei
（Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China）

The UR S11A standard issued by International Association of Classification Societies (IACS) for the global longitudinal strength assessment of container ship is compared w ith the UR S34 m inimum requirements for the finite element strength assessment of container ship, and the differences are mainly found in the global longitudinal strength assessment method, the vertical wave bending moment and the vertical wave shear force equations. Then calculations are performed on the base of two types of ultra large container ship developed by MARIC to analyze the influence of UR S11A on the longitudinal structural component dimensions at 3 typical locations (0.25L, 0.50L and 0.75L), especially the influence on the shear strength. Major contents of UR S34 are also introduced.

UR S11A; UR S34; container ship; global longitudinal strength; vertical wave bending moment; vertical wave shear force

U661.43

A

2095-4069 (2017) 03-0012-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.003

2016-09-23

工信部高技術(shù)船舶科研計劃資助

徐義剛，男，碩士，工程師，1987年生。2012年畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造專業(yè)，現(xiàn)從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。