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基于HCSR要求的散货船艏底部砰击加强的研究探讨-造船技
术版
基于HCSR要求的散货船艏底部砰击加强的
研究探讨
陈富斌陈飞
[摘要]散货船和油船的协调共同结构规范(以下简称HCSR)计划将于2014年正式生效。本文旨在分析HCSR与CSR-BC之间针对散货船砰击要求的差异,研究探讨满足HCSR要求的散货船船艏底部的结构设计。
[关键词]HCSR、CSR-BC、砰击载荷、船艏底部加强
1引言
船舶在波浪中航行,当艏部吃水较小的时候,由于大幅度的纵摇或升沉运动,船艏底部可能露出水面。在船艏以一定的相对速度重新入水的过程中,底部结构将承受水面的撞击,这种现象称为船艏底部砰击。由于砰击载荷比正常工况下的载荷大很多,因此底部结构需要做相应的加强措施。CSR-BC(散货船共同结构规范,下同)和HCSR均要求:,需对船艏底部结构进行加强。
模型试验和实船研究表明:砰击载荷具有局部性、瞬时性和压力峰值在船体外板上快速移动等特点,在船体结构的设计中往往以结构产生等效的应力响应水平将砰击压力等效转化为静压力,即砰击设计———————————————————————————————————————————————
载荷。不同的研究结果或多或少存在差异,即将生效的HCSR与现行的CSR-BC对砰击载荷及加强的要求亦有差别。
2研究目的
好望角型散货船为我公司的主打产品之一,HCSR的正式生效将对我公司产生重要影响。开发出满足HCSR要求的散货船产品已迫在眉睫。本文将从HCSR与CSR-BC的底部砰击载荷的计算入手,分析比较二者之间的差异;并基于HCSR,针对好望角型散货船进行实船方案设计,重点研究如何合理设计砰击加强区域的底部结构,为HCSR生效后的散货船该区域的结构设计提供参考。
由于砰击载荷公式与规范船长L相关,且我公司散货船产品均为L大于170m的大型散货船,故本文仅研究L大于170m的散货船。
3HCSR与CSR-BC对砰击载荷及加强要求的差异
对船艏底部结构,CSR-,(最小压载吃水)(二者取小);而HCSR中加强区域沿用了CSR-OT(油船共同结构规范,下同)的规定,其加强范围如图1中阴影区域所示:
图1
设函数F(L)=-(L>170),大型散货船的最大服务航速一般都在18kn以下,取V=18,对F(L)求导得f(L)=-/(L>170),f(L)>0,故HCSR要求的纵向加强范围大于CSR-BC要求值。
以某型散货船为例,其最大服务航速V=,规范船长———————————————————————————————————————————————
L=,最小艏吃水TBFP=,CSR-BC与HCSR的加强范围如表1所示:
表1
下图则直观地展示了外板展开图上加强范围的差别,HCSR要求的加强面积A2约为CSR-。
图2
由以上分析可知,对L>170m的散货船而言,HCSR对散货船船艏底部砰击加强的纵向、垂向范围均比CSR-BC要求更大,导致需要加强的结构大大增加。
船底砰击设计载荷
CSR-BC的设计砰击载荷不考虑底部压载舱的压载状态,其计算公式如下:PSL=1984*C1*CSL*(-)当L>150m时;
其中,C1是与船长L和最小艏吃水TBFP有关的修正系数,C1=-(TBFP/L)且C1<;
CSL是与砰击位置相关的载荷分布系数(具体公式见CSR-BC),CSL与砰击位置X/L之间的函数关系如图3所示:
图3
HCSR中砰击压力的确定基本上沿用了CSR-OT的方法,选用的修正系数则结合了CSR-BC和CSR-OT。其计算公式如下:
case1:砰击区域的舱室为空舱时:PSL=130*g*Fsl*CSL-e*e当L?170m;
———————————————————————————————————————————————
case2:砰击区域的舱室为满舱时:PSL=130*g*fSL*CSL-f*e-
ρ*g*ZTOP当L?170m;需要指出的是:系数fSL与CSR-BC中的CSL一致;系数CSL-e=-(TBFP/L),其它系数此处不一一赘述。
以某实船为例算得CSR-BC与HCSR的砰击载荷,如表2所示:
表2
砰击载荷的差异:
C1
C1
另外,船舶的最小艏吃水TBFP也在很大程度上影响砰击载荷。表3显示了不同的TBFP下
从表3可以看出,砰击载荷随最小艏吃水的增大而明显减小。经以上分析,不难得出以下几点结论:
(1)砰击载荷与砰击载荷分布系数fSL成正比,,;
(2)根据规范公式计算所得的砰击载荷,HCSR较CSR-BC大,这也基本符合HCSR制定的核心原则——结构强度更趋保守和安全;
(3)最小艏吃水很大程度决定了砰击设计载荷的大小;对采用排空置换法来置换压载水的散货船而言,最小艏吃水通常出现在压载水置换工况;若在前期的配载设计中适当控制最小艏吃水值,将对降低砰击载荷非常有利。
4满足HCSR要求的船底砰击加强的结构设计研究———————————————————————————————————————————————
底部需加强的结构主要有船底外板、外板纵骨及主要支撑构件。HCSR对这些构件局部强度的要求基本上沿用了CSR-OT的规定,但是业界对CSR-OT就主要支撑构件的砰击加强的规范计算方法存有争议,一般采用直接计算方法。首先介绍几个重要的定义:
(1)s:板格宽,对纵骨架式结构,s即为纵骨间距。(2):板格长,对纵骨架式结构,即为肋板间距。
(3)ReH:屈服极限,普碳钢ReH=235N/mm,不同级别的高强度钢可达到315N/mm、355N/mm甚至更高。
2
2
2
(4)τeH:许用剪切应力,τeH=ReH
加强区域的外底板净板厚不小于由以下公式计算所得值:
t=
其中,板格承载能力修正系数Cd=,Ca=,修正因子αp=-s/(2100?),且αp?。净板厚与s成正比,,而对其影响很小。纵骨间距在方案设计阶段已确定,且改变纵骨间距s对结果影响非常小,故一般不采用。对板材而言,控制板厚的有效方式为使用高强度钢。
———————————————————————————————————————————————
外底纵骨的净剖面模数应不小于:
Zpl=
外底纵骨的腹板净面积应不小于:
t=PSLs?shrshrteHPSLs?2bdgbdgseH其中,?bdg、?shr分别为纵骨的弯曲跨距和剪切跨距,等于肋板间距减去纵骨端部有效折减距离。由以上公式可知:
(1)减小外底纵骨跨距和间距、使用高强度钢等措施,可有效控制纵骨的结构重量;
(2)规范对外底纵骨腹板的剪切面积要求较高,故在设计该区域的外底纵骨规格时,在满足尺度比要求和剖面模数的前提下,优先考虑增大其腹板的高度和厚度以增大剪切面积,骨材的面板尺寸可适当减小,且应特别注意腹板上的开孔位置和大小对剪切面积的影响。
船艏底部结构最常见的加强方式为:不改变结构布置,采用直接增大构件尺寸的方式来满足砰击加强的要求。这也是我公司散货船产品的加强方案,本文将此设为方案一。另设方案二:改变结构布置,加密实肋板,但不增设纵桁。
以某实船为例,对方案一和方案二(,加强区域实肋板数量由24增加至36)在砰击加强区域的构件的重量差异进行统计分析。该区域外板、纵骨及主要支撑构件均采用ReH=355N/mm的高强度钢,其计算结果见表4。
表4单位:吨
———————————————————————————————————————————————
2
注:正值表示方案二比方案一结构重量减轻值
负值表示方案一比方案二结构重量减轻值
通过表4的统计分析可知:
(1)方案二通过增设加密实肋板,减小外板纵骨和内底纵骨的跨距,从而有效地控制了外板纵骨和内底纵骨的尺度。对比方案一,由纵骨尺寸减小导致结构重量下降最为明显,。但是由增加的实肋板以及肋板加强筋导致的结构重量增量为54吨。总的来说,;
(2)从施工角度出发,方案二由于增设12档实肋板,导致其焊接装配工作量明显增加。对比方案一,方案二带来的结构重量减轻效果并不明显,相反,由于横向构件大幅增加而导致生产工作量明显增加。因此,综合结构重量和现场施工两个因素考虑,作者认为方案一要优于方案二,即建议采用不改变结构布置、直接增大构件尺寸的方式。
在采用方案一的情况下要达到控制纵骨重量的目的,可以使用以下方法:1)增大实肋板的垂直加强筋或者增设端肘板,以增大有效折减距离,可适当减小纵骨的弯曲跨距和剪切跨距;2),可以结合分段划分增设纵骨规格。笔者将二者结合使用,得到的计算结果表明:,,。
5结论
———————————————————————————————————————————————
本文就即将生效的HCSR对大型散货船船艏底部砰击载荷及加强要求与CSR-BC进行了比较分析,并通过具体船型的方案设计对砰击区域的结构设计进行了研究探讨。通过分析论证,得到以下结论和建议:
(1)HCSR中砰击设计载荷较CSR-BC更高,要求加强的范围更广。将导致船艏底部结构明显增重,生产建造成本增加;
(2)该区域应采用合理、有效的方式进行加强,如采用高强度钢、合理设计纵骨的腹板及面板规格、加大实肋板的垂向加强筋或端部肘板等,不建议加密实肋板;
(3)在初期分舱配载设计过程中,应适当考虑砰击因素,通过提高船舶的最小艏吃水来控制砰击载荷。
【参考文献】
[1]散货船和油船协调共同结构规范(草案()HarmonisedCommon
StructureRulesforBulkCarriersandOilTankers)
[2]散货船共同结构规范(CommonStructureRulesforBulk
Carriers)
[3]《CSR油船PSM砰击要求研究》朱庭国盛利贤外高桥造船技术2011总第019期
【作者简介】
陈富斌助理工程师
陈飞助理工程师
电话8754
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基于HCSR要求的散货船艏底部砰击加强的研究探讨-造船技
术版
基于HCSR要求的散货船艏底部砰击加强的
研究探讨
陈富斌陈飞
[摘要]散货船和油船的协调共同结构规范(以下简称HCSR)计划将于2014年正式生效。本文旨在分析HCSR与CSR-BC之间针对散货船砰击要求的差异,研究探讨满足HCSR要求的散货船船艏底部的结构设计。
[关键词]HCSR、CSR-BC、砰击载荷、船艏底部加强
1引言
船舶在波浪中航行,当艏部吃水较小的时候,由于大幅度的纵摇或升沉运动,船艏底部可能露出水面。在船艏以一定的相对速度重新入水的过程中,底部结构将承受水面的撞击,这种现象称为船艏底部砰击。由于砰击载荷比正常工况下的载荷大很多,因此底部结构需要做相应的加强措施。CSR-BC(散货船共同结构规范,下同)和HCSR均要求:,需对船艏底部结构进行加强。
模型试验和实船研究表明:砰击载荷具有局部性、瞬时性和压力峰值在船体外板上快速移动等特点,在船体结构的设计中往往以结构产生等效的应力响应水平将砰击压力等效转化为静压力,即砰击设计———————————————————————————————————————————————
载荷。不同的研究结果或多或少存在差异,即将生效的HCSR与现行的CSR-BC对砰击载荷及加强的要求亦有差别。
2研究目的
好望角型散货船为我公司的主打产品之一,HCSR的正式生效将对我公司产生重要影响。开发出满足HCSR要求的散货船产品已迫在眉睫。本文将从HCSR与CSR-BC的底部砰击载荷的计算入手,分析比较二者之间的差异;并基于HCSR,针对好望角型散货船进行实船方案设计,重点研究如何合理设计砰击加强区域的底部结构,为HCSR生效后的散货船该区域的结构设计提供参考。
由于砰击载荷公式与规范船长L相关,且我公司散货船产品均为L大于170m的大型散货船,故本文仅研究L大于170m的散货船。
3HCSR与CSR-BC对砰击载荷及加强要求的差异
对船艏底部结构,CSR-,(最小压载吃水)(二者取小);而HCSR中加强区域沿用了CSR-OT(油船共同结构规范,下同)的规定,其加强范围如图1中阴影区域所示:
图1
设函数F(L)=-(L>170),大型散货船的最大服务航速一般都在18kn以下,取V=18,对F(L)求导得f(L)=-/(L>170),f(L)>0,故HCSR要求的纵向加强范围大于CSR-BC要求值。
以某型散货船为例,其最大服务航速V=,规范船长———————————————————————————————————————————————
L=,最小艏吃水TBFP=,CSR-BC与HCSR的加强范围如表1所示:
表1
下图则直观地展示了外板展开图上加强范围的差别,HCSR要求的加强面积A2约为CSR-。
图2
由以上分析可知,对L>170m的散货船而言,HCSR对散货船船艏底部砰击加强的纵向、垂向范围均比CSR-BC要求更大,导致需要加强的结构大大增加。
船底砰击设计载荷
CSR-BC的设计砰击载荷不考虑底部压载舱的压载状态,其计算公式如下:PSL=1984*C1*CSL*(-)当L>150m时;
其中,C1是与船长L和最小艏吃水TBFP有关的修正系数,C1=-(TBFP/L)且C1<;
CSL是与砰击位置相关的载荷分布系数(具体公式见CSR-BC),CSL与砰击位置X/L之间的函数关系如图3所示:
图3
HCSR中砰击压力的确定基本上沿用了CSR-OT的方法,选用的修正系数则结合了CSR-BC和CSR-OT。其计算公式如下:
case1:砰击区域的舱室为空舱时:PSL=130*g*Fsl*CSL-e*e当L?170m;
———————————————————————————————————————————————
case2:砰击区域的舱室为满舱时:PSL=130*g*fSL*CSL-f*e-
ρ*g*ZTOP当L?170m;需要指出的是:系数fSL与CSR-BC中的CSL一致;系数CSL-e=-(TBFP/L),其它系数此处不一一赘述。
以某实船为例算得CSR-BC与HCSR的砰击载荷,如表2所示:
表2
砰击载荷的差异:
C1
C1
另外,船舶的最小艏吃水TBFP也在很大程度上影响砰击载荷。表3显示了不同的TBFP下
从表3可以看出,砰击载荷随最小艏吃水的增大而明显减小。经以上分析,不难得出以下几点结论:
(1)砰击载荷与砰击载荷分布系数fSL成正比,,;
(2)根据规范公式计算所得的砰击载荷,HCSR较CSR-BC大,这也基本符合HCSR制定的核心原则——结构强度更趋保守和安全;
(3)最小艏吃水很大程度决定了砰击设计载荷的大小;对采用排空置换法来置换压载水的散货船而言,最小艏吃水通常出现在压载水置换工况;若在前期的配载设计中适当控制最小艏吃水值,将对降低砰击载荷非常有利。
4满足HCSR要求的船底砰击加强的结构设计研究———————————————————————————————————————————————
底部需加强的结构主要有船底外板、外板纵骨及主要支撑构件。HCSR对这些构件局部强度的要求基本上沿用了CSR-OT的规定,但是业界对CSR-OT就主要支撑构件的砰击加强的规范计算方法存有争议,一般采用直接计算方法。首先介绍几个重要的定义:
(1)s:板格宽,对纵骨架式结构,s即为纵骨间距。(2):板格长,对纵骨架式结构,即为肋板间距。
(3)ReH:屈服极限,普碳钢ReH=235N/mm,不同级别的高强度钢可达到315N/mm、355N/mm甚至更高。
2
2
2
(4)τeH:许用剪切应力,τeH=ReH
加强区域的外底板净板厚不小于由以下公式计算所得值:
t=
其中,板格承载能力修正系数Cd=,Ca=,修正因子αp=-s/(2100?),且αp?。净板厚与s成正比,,而对其影响很小。纵骨间距在方案设计阶段已确定,且改变纵骨间距s对结果影响非常小,故一般不采用。对板材而言,控制板厚的有效方式为使用高强度钢。
———————————————————————————————————————————————
外底纵骨的净剖面模数应不小于:
Zpl=
外底纵骨的腹板净面积应不小于:
t=PSLs?shrshrteHPSLs?2bdgbdgseH其中,?bdg、?shr分别为纵骨的弯曲跨距和剪切跨距,等于肋板间距减去纵骨端部有效折减距离。由以上公式可知:
(1)减小外底纵骨跨距和间距、使用高强度钢等措施,可有效控制纵骨的结构重量;
(2)规范对外底纵骨腹板的剪切面积要求较高,故在设计该区域的外底纵骨规格时,在满足尺度比要求和剖面模数的前提下,优先考虑增大其腹板的高度和厚度以增大剪切面积,骨材的面板尺寸可适当减小,且应特别注意腹板上的开孔位置和大小对剪切面积的影响。
船艏底部结构最常见的加强方式为:不改变结构布置,采用直接增大构件尺寸的方式来满足砰击加强的要求。这也是我公司散货船产品的加强方案,本文将此设为方案一。另设方案二:改变结构布置,加密实肋板,但不增设纵桁。
以某实船为例,对方案一和方案二(,加强区域实肋板数量由24增加至36)在砰击加强区域的构件的重量差异进行统计分析。该区域外板、纵骨及主要支撑构件均采用ReH=355N/mm的高强度钢,其计算结果见表4。
表4单位:吨
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注:正值表示方案二比方案一结构重量减轻值
负值表示方案一比方案二结构重量减轻值
通过表4的统计分析可知:
(1)方案二通过增设加密实肋板,减小外板纵骨和内底纵骨的跨距,从而有效地控制了外板纵骨和内底纵骨的尺度。对比方案一,由纵骨尺寸减小导致结构重量下降最为明显,。但是由增加的实肋板以及肋板加强筋导致的结构重量增量为54吨。总的来说,;
(2)从施工角度出发,方案二由于增设12档实肋板,导致其焊接装配工作量明显增加。对比方案一,方案二带来的结构重量减轻效果并不明显,相反,由于横向构件大幅增加而导致生产工作量明显增加。因此,综合结构重量和现场施工两个因素考虑,作者认为方案一要优于方案二,即建议采用不改变结构布置、直接增大构件尺寸的方式。
在采用方案一的情况下要达到控制纵骨重量的目的,可以使用以下方法:1)增大实肋板的垂直加强筋或者增设端肘板,以增大有效折减距离,可适当减小纵骨的弯曲跨距和剪切跨距;2),可以结合分段划分增设纵骨规格。笔者将二者结合使用,得到的计算结果表明:,,。
5结论
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本文就即将生效的HCSR对大型散货船船艏底部砰击载荷及加强要求与CSR-BC进行了比较分析,并通过具体船型的方案设计对砰击区域的结构设计进行了研究探讨。通过分析论证,得到以下结论和建议:
(1)HCSR中砰击设计载荷较CSR-BC更高,要求加强的范围更广。将导致船艏底部结构明显增重,生产建造成本增加;
(2)该区域应采用合理、有效的方式进行加强,如采用高强度钢、合理设计纵骨的腹板及面板规格、加大实肋板的垂向加强筋或端部肘板等,不建议加密实肋板;
(3)在初期分舱配载设计过程中,应适当考虑砰击因素,通过提高船舶的最小艏吃水来控制砰击载荷。
【参考文献】
[1]散货船和油船协调共同结构规范(草案()HarmonisedCommon
StructureRulesforBulkCarriersandOilTankers)
[2]散货船共同结构规范(CommonStructureRulesforBulk
Carriers)
[3]《CSR油船PSM砰击要求研究》朱庭国盛利贤外高桥造船技术2011总第019期
【作者简介】
陈富斌助理工程师
陈飞助理工程师
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