CSR散货船结构强度有限元分析中的若干问题

2010-05-07刘文华丁天安

船舶与海洋工程 2010年4期

刘文华，丁天安

（1.上海船舶研究设计院，上海 200032；2.上海船厂船舶有限公司，上海 202164）

0 引言

目标型船舶建造标准(GBS)于2010年5月在国际海事组织（IMO）海上安全委员会（MSC）第87届会议上获得正式通过，将于2012年1月1日正式生效[1]。油船和散货船协调后的共同结构规范（HSR）需要满足GBS的要求, 各国船级社申请进行规范的GBS符合性验证的截止时间是2013年12月31日。

散货船共同结构规范[2]（CSR-BC）从2006年4月1日生效至今，已发出10次修改通报[3]。船厂、船舶设计单位、船级社和船东都能体会到CSR对造船业的影响。根据图1给出的CSR协调时间表，可以看出协调后的CSR将于明年正式生效，因此今年是IACS听取业界反馈，协调CSR发展的关键一年。广州广船国际股份有限公司的专家从结构规范设计的角度对CSR的协调发展提出了质疑[4]。受此启发，本文从结构强度有限元分析的角度评价CSR-BC的不足。

图1 CSR的协调时间表

根据CSR-BC要求，船长150m及以上的船舶，应基于三维有限元方法进行主要支撑构件的直接强度评估。其中包括整体舱段有限元强度分析（有限元分析第一步），用于评估货舱结构主要支撑构件的整体强度；详细应力评估（有限元分析第二步），用细化网格评估高应力区域；热点应力分析（有限元分析第三步），用精细网格计算应力集中点的热点应力，以进行疲劳强度评估。

本文基于中国船级社开发的CSR-DSA、LR开发的ShipRight 、BV开发的VeriSTAR 和ABS开发的SafeShip 等CSR计算软件的使用经验，从三维有限元直接强度评估的3个方面阐述CSR-BC的不足之处。

1 整体舱段有限元分析

1.1 有限元建模

在进行有限元建模时，规范允许使用正交异性单元或不使用正交异性单元。使用正交异性单元时，双层底纵桁或肋板构件的网格尺寸为双层底高度；不使用正交异性单元，双层底纵桁或肋板构件高度方向至少分为3个单元。目前的计算机硬件性能都较好，不使用正交异性单元建模，计算时间也很短，计算结果精度也更高。各船级社开发的CSR计算软件，大部分不采用正交异性单元建模。鉴于油船共同结构规范[5]（CSR-TK）也不采用正交异性单元建模，建议协调后的CSR取消正交异性单元建模方式及相应的分析衡准。

1.2 船体梁载荷计算方法

整体舱段有限元分析包含弯矩分析和剪力分析两个方面。弯矩分析时，规范允许采用直接法或叠加法；剪力分析时，只能采用直接法。直接法是指将船体梁载荷直接施加到有限元模型上，叠加法是指将采用侧向载荷的结构分析中得到的应力单独与船体梁应力相叠加。实际运用中发现两种方法会导致计算结果有一定的差异。鉴于CSR-TK只采用直接法，能有效避免计算结果的差异，建议协调后的CSR取消叠加法。

1.3 评估结果的范围

CSR-BC只是指出3舱段有限元模型的中部舱的所有主要支撑构件（包括舱壁），应进行评估，见图 2。由于大部分散货船的舱壁为槽型，存在底凳斜板，这样会出现是否要将评估范围扩大到底凳斜板处的争议。CSR-TK则详细规定了衡准验收的范围，并给出了完整的示意图，见图 3，避免了争议。建议协调后的CSR能完善模型评估范围的示意图。

图2 散货船有限元模型纵向范围及评估目标

图3 油船有限元模型中按照验收衡准进行验证的范围

1.4 评估结果的外推

散货船整体舱段有限元分析只是对船中区域的货舱结构进行直接强度分析，规范并没有给出艏、艉部货舱结构的评估要求，从而引出了如何将中间舱的评估结果应用到艏艉部货舱结构的问题。CSR-TK则明确指出，艏、艉部货油舱区域横舱壁处，承受船体梁垂向载荷的纵向船体梁抗剪构件的评估，可在中部舱段有限元模型的基础上进行。为使船体结构设计更加合理，建议协调后的CSR增加艏、艉部货舱结构有限元评估的方法。

2 详细应力评估

2.1 细化区域

规范规定，在整体舱段有限元分析时，如果指定区域计算应力超过许用应力的95%，则需要利用细化网格进行详细应力评估。目前有观点认为95%的筛选标准不够严格，主要理由有两方面：一是如果能严格控制细化部位的屈服强度，将有利于提高构件的疲劳强度；二是油船结构需要细化的区域多、疲劳强度计算只有一个点，而散货船需要疲劳强度计算的区域多，从而认为散货船细化要求不够严谨。

2.2 网格大小及应力评估标准

散货船高应力区域细化单元的尺寸为相应区域普通扶强材间距的1/4左右，例如：对普通扶强材间距为800mm 的结构，单元尺寸为200mm×200mm。对于所用单元尺寸明显小于上述者，许用应力取规定尺寸的单个单元相当区域所包含的所有单元的平均应力。

CSR-TK规定细化区域的网格尺寸不大于50mm×50mm，对于使用更小的网格尺寸，许用应力同样采用上述网格尺度面积相当的单元平均应力，但平均应力基于单元面积进行加权计算，应力平均不得在结构不连续处和竖板结构处进行。

在实际计算中，可以发现200mm×200mm级别的单元尺寸，并不能够准确评估疲劳热点区域的应力集中程度，热点区域能通过详细应力评估，但疲劳寿命并不能满足要求。此外采用更小的网格尺寸进行详细应力评估时，如果结构不连续，在进行应力平均时会得出不合理的结果。建议协调后的CSR完善详细应力评估标准。

3 疲劳强度评估的热点应力分析

3.1 分析建模

疲劳评估区域用精细网格建模，精细网格区域的单元尺寸应近似或等于评估区域的净厚度。在实际计算中，这一描述会引起争议。以内底板与底凳斜板相交处的热点为例，如热点位于船底纵桁、实肋板、底凳隔板、内底板和底凳斜板等5处构件相交处，5处构件的净厚度各不相同。采用何种构件的净厚度建模，对计算结果都会有影响，但规范对此并未有考虑。建议协调后的CSR引入网格大小与净厚度差异的修正系数。

3.2 热点应力的定义

CSR-BC和CSR-TK对热点应力的定义是不同的，前者定义为：热点表面的结构几何应力，见图4；后者定义为：从距焊趾位置起 0.5t 处的表面应力，见图 5。这一差异导致在分析散货船疲劳强度计算结果时产生争议。以3.1中提到的5处构件相交处热点为例，可能要考虑上下、左右、前后等 6个方向单元的插值，结果自然也会有差异。建议协调后的CSR完善热点应力的定义。

3.3 热点应力线性插值

目前CSR-BC给出的热点应力计算方法还不够完善，以热点应力线性插值为例，有关方面向IACS提出了5种插值方法（KC 1006）[6]，图6 给出了KC 1006的附件。IACS答复协调后的CSR规范将给出最终的解决方案，目前暂时由各船级社自行决定。事实上，各船级社开发的计算软件已采用了下述不同的方法，由此导致同一艘船入级不同，疲劳强度计算结果有偏差。

图4 散货船热点应力定义

图5 油船热点应力定义

图6 热点应力插值的5种方法（KC 1006）

本文根据实际计算经验，进一步提出在考虑KC 1006文件的基础上，需要注意主应力的方向。实际中会偶然出现插值的单元方向相反，引起最终疲劳寿命有较大差异，因此建议协调后的CSR给出热点应力插值的详细公式，以免引起争议。

另外值得注意的是，CSR-BC给出的热点应力线性插值方法为外插法，而CSR-TK给出的热点应力线性插值方法为内插法。

3.4 疲劳寿命结果分析

通过对多艘船的疲劳寿命结果进行分析，发现船长小于200m的散货船，疲劳寿命基本容易满足规范的要求；而船长大于200m的散货船，则不容易满足规范的要求，需要采取多种措施来提高结构的疲劳强度。

2008年9月12日生效的散货船共同结构规范修改通知3（RCN 3），对接焊缝和十字型焊缝的残余应力均修改为 0，并给出了背景文件[3]。文件认为，该修改可以解决在实际的疲劳累计损伤度计算中，非压载舱构件的结果大于压载舱构件的问题，并给出3000多艘实船疲劳裂缝的统计表，见表1。从中可以得出船体主要构件发生疲劳损伤的部位99.8%集中在压载舱，其中 72%的部位集中在内底板与底边舱斜板、内底板与底凳斜板/垂直板。