散货船结构共同规范疲劳强度研究

1、散货船结构共同规范疲劳强度研究CCS天津分社：刘之昱摘要:2006年4月1日,国际船级社协会(IACS)颁布的双壳油轮结构共同规范和散货船结构共同规范正式生效,与以往各船级社规范相比,共同规范(CSR)对船舶的安全性提出了更严格的要求。本文结合等效设计波原理对散货船结构共同规范的载荷和疲劳强度校核制定的理论依据做初步的研究，应用共同规范对一条21万吨单壳散货船典型节点进行疲劳强度校核，并把计算结果与CCS船体结构疲劳强度指南的结果进行了对比分析，对共同规范的一些规定的合理性提出了自己的看法。关键词：共同规范，疲劳强度，设计波，散货船。AbstractIACS Common Structural

2、 Rules for Double Hull Oil TankersandCommon Structural Rules for Bulk Carriers (CSR) has gone into effect at 1st April 2006. CSR is more strict with the ships safety than other Classification Societys rules. This paper is mainly about the theory background of load and fatigue assessment of CSR for B

3、ulk Carriers based on the equal design wave approach (EDW). The fatigue assessment of 210 000t bulk carrier was done according to the CSR for Bulk Carriers, and compared to the result of CCS rules. Finally give some advice to the CSR for Bulk Carriers.Key words: Common structural rules (CSR); F

4、atigue assessment; Design wave approach; Bulk carriers1 概述为了减少船级社之间由于采用不同要求和标准引起的竞争，保证依照新规范建造的船舶被工业界认可为和依照现行规范建造的船只起码同样安全有效，并满足国际组织（如IMO,EU等）当前和将来制定的海上安全和环境保护法规中有关结构强度、统一性及透明度的要求，ABS, LR, DNV在2004年6月提出了双壳油轮共同规范JOINT TANKER PROJECT(JTP)第一稿，为船长150m以上的双壳油轮提供了新的设计和建造规范。CCS/KR/NK/BV/GL/RINA/RS在2004年7月提出了

5、散货船共同规范JIONT BULKER PROJECT(JBP)。现在国际船级社协会(IACS)已经推广了这两个规范。双壳油轮结构共同规范和散货船结构共同规范是国际船级社协会第一次在全球范围内推行统一规范，对造船界的影响很大。IACS共同规范是为满足航运业对更高质量船舶的需求，在国际航运界创造一个公平市场而产生的，旨在造出更安全、更牢固的新船。随着散货船结构共同规范计划的推进和最后方案的推出，一方面统一各船级社对散货船和油船的安全要求，另一方面共同规范对船体强度提出了更高的标准。例如，共同规范对结构的稳定性计算方法做了改进，增加了对船体极限强度和船体构件疲劳强度的计算以及船体构件腐蚀余量的概念

6、。 本文将对散货船结构共同规范制定的理论背景进行初步的研究，并应用共同规范的简化方法对一条21万吨单壳散货船进行了疲劳强度评估，为了更清楚的看出共同规范的变化，把同一位置节点应用CCS船体结构疲劳强度指南（2001）进行了计算，将计算结果进行了对比。2 散货船结构共同规范疲劳评估原理探讨IACS散货船结构共同规范的载荷就是基于等效设计波原理（EDW）确定的。采用设计波法时，关键的问题是如何确定设计波的参数，使得按它计算出来的船体应力范围能代表实际船体航行过程中一定超越概率水平的应力范围。正确的途径是通过船体波浪载荷的长期分析，得到规定超越概率水平或重现期的船体弯矩、扭矩等有代表性的控制参数值，

7、然后选择典型的规则波，使之产生与长期预报值相等的波浪载荷，由此来确定设计计算用的波浪参数。根据设计波原理，海浪和其诱导的船舶响应可以通过一个或几个主要的载荷参数来反映。主要载荷参数指的是：载荷影响、船体运动以及局部动力响应等，考虑以其中的最有影响的参数来建立用于船体结构分析的计算载荷。ABS规范中考虑的主要载荷参数有：垂向波浪弯矩(VBM)、垂向波浪剪力(VSF)、水平波浪弯矩(HBM)、水平波浪剪力(HSF)、扭矩(TM)。其中五个载荷控制参数幅频响应为最大值(包括正负两个最大值)的时刻取为计算瞬时。DNV提出的几个主要载荷参数为：舯横剖面最大波浪诱导垂直弯矩、最大水平弯矩、最大扭矩、首柱最

8、大垂向加速度、在船舯剖面附近板格的最大波动压力。实际上，主要载荷控制参数的选取与要考察的船体构件有关。对于船体，存在很多的重要构件，如甲板、横舱壁、外底板、内底板、纵桁、纵骨等。根据某一载荷控制参数选定的设计波，一般只能考察其中一部分构件在船舶寿命期内的受力状况。例如，迎浪航行时的中垂和中拱状态只能考察甲板、底部等部位构件的应力水平，而对舷侧构件则作用不明显。因此需要有效地选择多个典型的设计波，才能全面地考察船体各个主要构件在航行过程中的可能恶劣海况下的应力水平。设计波系统的确定就是各主要载荷参数对应的设计波中各因素的定义。设计波主要要素包括：典型的波浪环境参数，浪向和频率，波幅，相位。确定了

9、这些要素，我们就可以得到等效设计波的形式。为了确定设计波的频率和浪向，通常在给定的工况下，应用波浪载荷线性切片理论或三维方法计算船舶在单位规则波中的响应。计算中应考虑各个浪向和足够范围内的波频，一般从迎浪(0)到随浪(180)以15步长递增浪向角，波浪频率的范围是从0.2r/s到1.8r/s以0.05r/s步长递增。CSR规范中将浪向分为迎浪（H）、随浪（F）、横摇最大（R）和横向压力最大（P）。此四种载荷实例分别考虑了船舶的最大垂向波浪弯矩（H、F），最大运动（R）和最大外部动压力（P），较为全面的涵盖了船舶的主要危险状态。规范将每个装载工况下所计及构件的组合应力范围最大的载荷实例定义为主要

10、载荷实例，并以主要载荷实例中的组合热点应力范围作为计算该工况下疲劳累积损伤的主要参数，即把每个构件主要载荷实例对应浪向定为该构件等效设计波的浪向。这种选取方法考虑了由于构件位置不同而造成的设计波参数不同，针对每一节点分别选取不同的设计波，能够比较全面而真实的反映构件的受力情况。设计波的波频的选择是以波长的规定给出的，通常，船舶迎浪和随浪运动时，波长为0.91.2倍船长时船舶处于最危险状态，横浪时波长比船长更大一些。CSR规范规定迎浪（H）时（以均匀装载工况为例说明，实际吃水等于结构吃水）波长，随浪（F）时波长，横摇最大（R）时（本船），横向压力最大（P）时。每一载荷实例的波长都是选取的最危险状

11、态。规范选取有义波高作为设计波的波高，这里的有义波高（）是指产生长期预报值（）（对应一定超越概率，所有浪向）的波高，作为最大期望值1/1000倍。由2-1式进行直接计算，这是基于服从瑞利（Rayleigh）分布的短期响应值的最大值 (2-1)其中，是由载荷成分响应函数确定的每一有义波高标准差的最大值，2为一常量，用来确定由标准差得到的非规则响应的最大值的有义值，1.9是确定有义值的1000个波浪的最大响应值的常量。2-1式只能通过载荷直接计算得到，规范中应用其简化公式： (2-2)其中L为计算船长，为IACS UR11规定的波高系数，为各个浪向对应的波长。关于波高和浪向的研究可以参阅文献6和7

12、。设计波的相位一般取为主要载荷参数达到最大值(可正可负)的时刻，并且要同时规定此工况下的船舶受力状态(垂向波浪弯矩是中垂还是中拱)。散货船结构共同规范第8章第2节关于主要载荷实例和“工况1”的规定正是应用了确定设计波相位的原理。日本海事协会（NK）朱庭耀博士在其相关研究中6 7对22条散货船和27条油船进行了设计载荷直接分析和简化公式计算，证实了散货船结构共同规范对载荷规定的合理性和准确度。并且指出油船的设计载荷（包括船舶运动、加速度和动压力等）一般也适用于散货船，这为以后两个规范的统一提供了一定的理论基础。散货船结构共同规范关于载荷的这种规定沿袭了日本海事协会（NK）的散货船结构指南中疲劳强

13、度评估指南的载荷要求。3 21万吨单壳散货船疲劳计算在此，本文对21万吨单壳散货船分别按照IACS散货船结构共同规范和CCS船体结构疲劳强度指南进行了纵骨疲劳强度简化法计算，该散货船的主要船体参数如下：总 长abt. 312.00 m两柱间长300.00 m型 宽50.00m型 深25.30m结构吃水18.30m方型系数 0.8471航 速 abt. 14.0 knots该散货船为双底、单壳结构，船体采用船用低碳钢、AH32、AH36(DH36、EH36)高强度钢建造。设有顶边舱和底边舱；货舱区肋距930 mm，实肋板的间距为2.79 m(3个肋距)，顶边舱隔板间距5.58 m(6个肋距)；全

14、船共9个货舱，船舶隔舱装载工况时，第1、3、5、7、9货舱装货，第2、4、6、8货舱为空舱；第4货舱为重压载舱。根据散货船结构共同规范Ch8，Sec4扶强材应力评估的相关规定，选取该船Fr196肋位处几个典型节点进行简化法疲劳分析，该肋位在第4、5舱之间横舱壁处。为了叙述方便，将纵骨进行编号，选取的纵骨位置和编号详见图3.1。计算结果见表3.1。图3.1表3.1 典型纵骨节点疲劳简化法计算结果纵骨编号散货船结构共同规范CCS疲劳指南疲劳损伤度D疲劳年限（单位 年）疲劳损伤度D疲劳年限（单位 年）IL10.33474.840.29667.521IL20.347720.28969.226IL30.

15、347720.30765.147IL40.3571.420.33959.075BL10.97225.730.84623.634BL21.2819.580.93421.415BL31.3318.791.01619.689BL41.4217.661.15417.329BL51.6315.352.6157.649HL10.05144860.083239.964HL20.116214.650.20597.677SL14.255.881.33215.014SL21.7814.072.7837.186SL32.918.5910.50239.832SL52.1711.520.77425.84SL72.938

16、.530.8922.479TL11.1322.060.85323.449TL20.65238.360.53637.284TL30.32377.450.30864.931DL11.7314.481.26715.785DL21.9612.751.27415.7DL32.0412.231.28615.55DL42.211.371.30315.352从结果的对比可以看出，两个规范的计算结果基本一致，只有少数几个节点误差较大。其中，顶边舱内舷侧纵骨SL3、SL5、SL7等计算结果差别明显，共同规范的疲劳累积损伤度计算结果明显高于CCS规范的结果，这是因为IACS 散货船结构共同规范规定：计算位置高于水线

17、时，海水动压力值（）取为水线处值（只适用于简化算法，见规范Ch8，Sec4，2.3.3），而CCS疲劳评估指南和IACS双壳油船结构共同规范规定的海水动压力值在水线以上是逐渐减小的。对于一套成体系的规范来说，载荷的规定应该是一致的。疲劳评估有限元分析和简化算法的计算原理是相同的，散货船结构共同规范关于疲劳载荷的这种规定的合理性有待于做进一步的研究。本文按照规范第4章第5节规定的水线以上水动压力修正值，对顶边舱内的舷侧纵骨的疲劳强度重新进行了校核。按新的海水动压力值求得的顶边舱舷侧纵骨节点疲劳损伤度和疲劳年限如表3.2。其中SL8和SL9为扁钢，剖面模数较小，因此疲劳累积损伤度较大。从表中还可以

18、看出：越靠近甲板处，船体梁弯矩造成的应力所占比例越大，海水动压力的影响也越小。表3.2 修正以后顶边舱舷侧纵骨计算结果纵骨编号散货船结构共同规范修正以后结果疲劳损伤度D疲劳年限（单位 年）疲劳损伤度D疲劳年限（单位 年）SL32.9098.5950.56544.249SL42.33310.7160.53346.914SL52.17211.5100.56943.923SL63.0748.1330.75733.030SL72.9318.5290.88028.412SL81.40517.7991.10722.587SL91.42317.5691.41517.6674 结论与以往各船级社的规范相比，I

19、ACS散货船结构共同规范更注重船体结构的有限元计算，对校核不同位置的构件所需的载荷规定的更详细，也更加严格，增加了船体构件在船舶使用期间的腐蚀裕量的值。这样必定会使船舶在海上航行的安全性大大增加，有利于海洋环境的保护，另一方面也造成了空船重量的增加，不利于船舶的经济性。从本文的船体纵骨疲劳强度计算结果可以看出，散货船结构共同规范与CCS船体结构疲劳强度指南的结果很接近，由于该船建造的较早（1996年），各船级社的疲劳强度评估规范还没有生效（CCS和DNV的疲劳规范是2001年生效的），因此很多纵骨节点不符合疲劳规范要求。这也说明了进行疲劳强度评估的必要性。IACS同时推出了双壳油船和散货船的结

20、构共同规范，但是两种船舶的规范存在较大的差异，制定规范载荷的理论依据也不相同。两个规范的统一已经提到了日程上来，这将是今后研究工作的一个重点。散货船是三大主流船型之一，在过去几年，我国已经建造了相当数量的性能优良的散货船，在散货船型的研究开发上具有坚实基础。规范的要求是船舶设计与建造的基础，中国船级社是散货船结构共同规范的发起者和制定者之一，如果我们走在别人前面，提前研究开发，及时推出符合共同规范要求的新型散货船，对保持和扩大我国在散货船上的设计建造优势，对实现造船大国和强国的目标有十分重要的意义。参考文献：1 冯国庆. 船舶结构疲劳强度评估方法研究. 哈尔滨工程大学博士学位论文, 2006年8月2 任慧龙, 闫发锁，等