HCSR和CSR规范结构强度评估方法比较研究可编辑.docx

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HCSR和CSR规范结构强度评估方法比较研究可编辑

分类号:

密级:

UDC:

编号:

工学硕士学位论文

HCSR和CSR规范结构强度评估方法比较研究

硕士研究生:

周广喜

指导教师:

冯国庆副教授

学科、专业:

船舶与海洋结构物设计制造

论文主审人:

王晓天教授

哈尔滨工程大学2013年3月分类号:

U661.4密级:

UDC:

编号:

工学硕士学位论文

HCSR和CSR规范结构强度评估方法比较研究

硕士研究生:

周广喜

指导教师:

冯国庆副教授

学位级别:

工学硕士

学科、专业:

船舶与海洋结构物设计制造

所在单位:

船舶工程学院

论文提交日期:

2013年1月10日

论文答辩日期:

2013年3月8日

学位授予单位:

哈尔滨工程大学

ClassifiedIndex:

U661.4

U.D.C:

ADissertationfortheDegreeofM.Eng

Studyonthecomparitionofstructuralstrength

assessmentmethodbetweenHCSRandCSR

Candidate:

ZhouGuangxi

Supervisor:

AssociateProf.FengGuoqing

AcademicDegreeAppliedfor:

MasterofEngineering

Specialty:

DesignandConstructionofNavalArchitecture

andOceanStructure

DateofSubmission:

Jan.10th,2013

DateofOralExamination:

Mar.8th,2013

University:

HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明:

本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人

独立完成的。

有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参

考文献相对应。

除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人

或集体已经公开发表的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集

体,均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本

人承担。

作者（签字）:

日期:

年月日

哈尔滨工程大学

学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校攻读学位

期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。

哈尔滨工程大学有权保留

并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。

本人允许哈尔滨工程大学将

论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索,可采用影印、缩印或扫

描等复制手段保存和汇编本学位论文,可以公布论文的全部内容。

同时本

人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名

单位为哈尔滨工程大学。

涉密学位论文待解密后适用本声明。

本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由

哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。

作者（签字）:

导师（签字）:

日期:

年月日年月日HCSR和CSR规范结构强度评估方法比较研究

摘要

为保证船舶的安全性能,国际海事组织IMO决定制定目标型船建造标准GBS作为

重要的的战略项目,而共同结构规范CSR已经不能满足GBS的要求,国际船级社协会

IACS决定在CSR的基础上研发协调共同结构规范HCSR,因此对HCSR的研究,尤

其是与CSR的对比研究成为目前工作的重点,本文主要内容有:

1、研究了HCSR规范屈服强度分析流程,包括结构模型的建立、腐蚀余量的扣除、

边界条件的确定、载荷工况的确定、设计载荷的施加、弯矩剪力扭矩的调整等,总结分

析了HCSR、CSR-BC、CSR-OT规范屈服强度评估方法的异同点;

2、研究了HCSR规范屈曲强度分析方法的技术背景,分析了HCSR规范直接计算

方法的屈曲要求和屈曲能力,并总结分析了屈曲强度评估时HCSR与CSR-BC和

CSR-OT规范的异同点;

3、研究了HCSR规范疲劳强度分析方法,包括名义应力法和热点应力法疲劳载荷

与工况的确定、应力范围的计算与合成、S-N曲线的选取、疲劳累计损伤和疲劳寿命的

计算等,总结分析了HCSR、CSR-BC、CSR-OT规范疲劳强度评估方法的异同点;

4、以一型散货船和一型油船为算例,分别按照HCSR和CSR进行屈服强度、屈曲

强度和疲劳强度评估,计算每种船型在不同规范下的强度性能,比较分析两者结果的差

异,为HCSR规范的进一步修订提供参考性的建议。

关键词:

协调共同结构规范;共同结构规范;屈服强度;屈曲强度;疲劳强度HCSR和CSR规范结构强度评估方法比较研究

ABSTRACT

InternationalMaritimeOrganizationIMOdecidedtoestablishtheGoalBased

StandardsGBStoensurethehighsafetyofshipsasthemostimportantstrategyproject.As

CommonStructureRulesCSRcannotsatisfytherequirementsofGBS,International

AssociationofClassificationSocietiesIACSdecidedtoestablishHarmoniousCommon

StructuralRulesHCSRforbulkcarriersanddouble-hulloiltankers.Soitisimportanttodo

someresearchonHCSR,especiallythecomparisonwithCSR.Themaincontentsare

describedasbelow:

1.TheyieldstrengthanalysismethodofHCSRwasstudied,includingthestructural

modeling,reductionofcorrosionthickness,boundaryconditions,loadcases,andhowto

adjusthullgirdershearforces,bendingmomentsandtorsionalmoments.Thedifferenceof

yieldstrengthanalysismethodamongHCSR,CSR-BCandCSR-OTwassummarized2.Thetechnologybackgroundofbulklingstrengthanalysismethodwasstudied.The

bucklingrequirementsfordirectstrengthanalysisandbucklingcapacitywereanalyzed.The

differenceofbucklingstrengthanalysismethodamongHCSR,CSR-BCandCSR-OTwas

summedup3.ThefatiguestrengthanalysismethodofHCSRwasstudied,includingfatigueloads

andloadcases,stressrangecalculationandcomposition,S-Ncurveselection,fatiguedamage,

fatiguelifecalculationfornominalstressmethodandhotspotstressmethod.Thedifference

offatiguestrengthanalysismethodamongHCSR,CSR-BCandCSR-OTwasexpounded4.Theyield,bucklingandfatiguestrengthanalysisforabulkcarrierandanoiltanker

arecarriedoutbasedonHCSRandCSR.ThedifferenceofcalculationresultsbetweenHCSR

andCSRisshownandcompared.SomeadvicetotherevisionofHCSRisalsoputforward

Keywords:

HCSR;CSR;Yieldstrength;Bucklingstrength;FatiguestrengthHCSR和CSR规范结构强度评估方法比较研究

目录

第1章绪论.1

1.1论文的背景和意义.1

1.2IACSHCSR规范概述..3

1.3HCSR规范关键技术要点分析.6

1.4国内外研究现状.7

1.5论文主要工作..9

第2章HCSR与CSR屈服强度评估方法比较研究10

2.1概述.10

2.2强度评估载荷确定流程10

2.3有限元模型与边界条件11

2.3.1坐标系11

2.3.2结构尺寸（腐蚀扣除）11

2.3.3边界条件.11

2.4载荷工况13

2.4.1技术背景.13

2.4.2等效设计波14

2.5设计载荷及其组合16

2.5.1船舶运动和加速度.16

2.5.2船体梁载荷17

2.5.3外部载荷.19

2.5.4内部载荷.20

2.5.5弯矩剪力扭矩调整.22

2.5.6HCSR规范与CSR规范设计载荷确定方法异同点分析24

2.6评估标准25

2.7HCSR规范与CSR规范细网格方法异同点分析26

2.8实船计算对比分析27

2.8.1散货船屈服强度计算结果分析28

2.8.2油船屈服强度计算结果分析.30哈尔滨工程大学硕士学位论文

2.9本章小结33

第3章HCSR与CSR屈曲强度评估方法比较研究34

3.1概述.34

3.2HCSR规范屈曲校核的技术背景.34

3.2.1有限元分析中基于应力法的参考应力34

3.2.2有限元分析中基于位移法的参考应力35

3.3HCSR规范直接计算分析的屈曲要求37

3.3.1评估方法.37

3.3.2屈曲利用因子38

3.3.3屈曲分析方法39

3.4屈曲能力40

3.4.1整体加筋板能力40

3.4.2板能力41

3.4.3加强筋能力42

3.5HCSR规范与CSR规范屈曲强度评估方法异同点分析.42

3.6实船计算对比分析43

3.6.1散货船屈曲强度计算结果分析44

3.6.2油船屈曲强度计算结果分析.45

3.7本章小结48

第4章HCSR与CSR疲劳强度评估方法比较研究49

4.1概述.49

4.2疲劳载荷与工况的确定49

4.3应力范围的计算与合成52

4.3.1船体梁应力52

4.3.2加强筋弯曲引起的应力53

4.3.3横舱壁相对位移引起的应力.54

4.3.4名义应力法热点应力范围的计算55

4.3.5热点应力法热点应力范围的计算56

4.3.6热点平均应力59

4.3.7疲劳热点应力范围的修正.60

4.4疲劳累积损伤的计算.63HCSR和CSR规范结构强度评估方法比较研究

4.4.1S-N曲线的选取63

4.4.2Weibull形状参数的选取65

4.4.3累积损伤计算公式.66

4.4.4疲劳寿命计算公式.67

4.5实船疲劳强度计算分析68

4.5.1散货船疲劳强度计算结果分析69

4.5.2油船疲劳强度计算结果及分析71

4.6本章小结72

结论73

参考文献75

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果.78

致谢79

第1章绪论

第1章绪论

1.1论文的背景和意义

国际海事组织IMO考虑到近年来相关船舶污染事故大多与船体结构强度有关,决

[1]

定制定目标型新船建造标准GBS作为重要的的战略项目,以保证更安全的船舶。

这

种标准既鼓励了设计的创新又保证了船舶的建造质量,船舶如果能维护得当,那么在其

整个使用寿命里应该都是安全的。

该标准还确保船舶所有构件均易于接近,以做适当检

查并易于维护。

2004年希腊、巴哈马和IACS联合向IMO海安会提出了GBS的五层框架结构,如

下图所示:

第一层TierI为目标,提出了符合船舶建造、航运安全和环保的整体目标;

第二层TierⅡ为功能要求,提出了为实现第一层目标船舶结构必须符合的15项功能

要求;第三层TierⅢ为符合验证,提供必要的程序及规定以验证船舶设计和建造规范

及规定符合第一层和第二层的要求;第四层TierIV为船舶设计和建造规范及规定,为

了满足TierI和TierⅡ的要求,由IMO、主管机关和（或）船级社开发,并被主管机关

和（或）代表主管机关的船级社所采纳的关于船舶设计和建造的细节要求;第五层Tier

V为工业应用及标准,即涉及船舶建造、营运、维护、培训、配备等的工业标准、应用

[2][3]

规则和安全质量标准,它们一般被船舶设计和建造规范及规定纳人或引用。

第一层（TierⅠ）

目标

IMO层面的

目标型标准

第一层（TierⅡ）

功能要求

第一层（TierⅢ）

符合验证

船级社等层面

的规范及规定

第一层（TierⅣ）

船舶设计和建造规范及规定

工业界层面

的标准

工业应用及标准

第一层（TierⅤ）图1.1目标型船舶建造标准框架图

IMO负责上三层的“目标”、“功能性要求”和“对规范的验证”;第四层的船舶建造规

范仍由各船级社负责制订,但必须通过IMO组织的验证;第五层的相关行业标准也要

间接地与规范一起接受验证,它规定了各船级社150米及以上船长的油船和散货船（不

[4]

包括矿砂船及兼装船）结构规范必须符合IMOGBS的要求,并通过IMO的审核。

IMO、IACS、欧盟等国际组织针对海运安全与环保推出一些节能、减排、安全、环

1哈尔滨工程大学硕士学位论文

保、质量等方面的新规范、新标准。

HCSR规范、《1974年国际海上人命安全公约》SOLAS

修正案、国际拆船公约《2009年香港国际安全与无害环境拆船公约》、压载水公约、

海事劳工公约、NOx/SOx排放新标准、新船能效设计指数EEDI、《国际散货船和油船

目标型船舶建造标准》GBS、《原油油船货油舱保护涂层性能标准》、《原油油船货油舱

防腐保护替代方法性能标准》、强制提高新船噪声等级、完整稳性标准等一系列修正案

及强制性标准都即将相继生效或处于修订状态。

新标准、新规范意味着更加严格的检验体系和更加尖端的制造技术,一旦生效,船

舶企业参与国际市场竞争的门槛将大幅提高,无疑会对我国船舶工业的发展产生巨大而

[5]

深远的影响,CSR的生效已经验证了这一点。

不仅如此,全球造船行业的版图亦可能

重新分布。

对于造船大国的中国来说,要想在新规冲击下保持全球造船业霸主地位,势

必面临严峻的挑战,前景还很不明朗。

近些年来,研究新标准、开发绿色环保型船作为

其占领未来市场已经成为日、韩等国发展的目标,而我国大多数船舶设计单位和船厂由

于设计技术、造船技术相对滞后,对即将实施的新规范、新标准应对能力稍显不足。

[6]

中国为了积极应对这些新的挑战,整个行业从上游到下游都开始积极准备起来。

2011年6月28日,中国船舶工业行业协会技术委员会在京正式成立,集结了两大船舶

集团公司、中远造船工业公司、中远船务工程集团公司、中外运长航重工、中海工业公

司、地方重点造船企业及研究机构等行业骨干力量。

中国船协技术委成立后,对外将积

极跟踪国际海事新规范、新标准的制定动向,组织业界参与国际海事界双边、多边对话

和交流活动,征求船舶企业对新规范、新标准的反馈意见,在国际交流中发挥民间组织

的作用;对内将组织研究、宣贯和应对新规范、新标准,促进船舶企业更好地满足这些

要求。

中国船级社于2011年8月11日同上海船舶工业行业协会和上海市船舶与海洋工

程学会,共同召开了“船舶公约与规范发展及其对行业影响研讨会”,这三家机构的合作

将有效的促进国内船舶行业的发展,为国内的船舶行业交流提供一个便利的平台。

同时,国外的行业内也在跟进新规范,确保行业内的领先地位。

美国船级社ABS和英国劳氏船级社LR早在共同规范CSR刚生效的时候就开发

了适用于CSR规范的软件英美联合开发CSR共同软件,以此用来对将要入级船级社的

船舶进行规范计算和有限元评估。

这两家船级还专门针对CSR规范成立一个软件合作

公司,在英国的伦敦和美国的休斯敦都设有办公室,这个软件公司也将针对HCSR规范

开发适用于HCSR规范的软件,并于2012年提供给业界进行审查。

[7][8]

CSR规范自诞生以来,对船舶安全性做出了卓越的贡献,但这两份独立的规范

在载荷、有限元直接计算、疲劳强度、屈曲强度等方面存在一定的技术差异。

为了消除

2第1章绪论

这些技术差异,国际船级社协会从2008年开始陆续成立专项工作组,对共同结构规范

进行研究,按IMOGBS的要求着手编写HCSR,并于今年7月1日正式发布该规范第

一版草稿版,目前正处于工业界对第一版草稿的反馈阶段,在HCSR规范草稿的第一阶

段反馈结束后,在2013年初还将开始第二阶段的工业界反馈,随后IACS技术委员会将

在2013年秋天根据上述反馈进行最终审评。

HCSR规范有望于2013年12月被国际船

级社协会委员会采纳。

与CSR相比,HCSR对油船和散货船在载荷、船体梁总纵强度及

规定性要求、有限元分析方法、疲劳强度、屈曲强度等方面进行了协调,并根据GBS

要求补充了剩余强度、结构冗余度分析等内容,规范内容更加全面、更加强调计算分析

[9]

的作用。

在GBS的215项要求中,需要目前HCSR规范来完成的占80%~90%,而

[10]

这次HCSR规范的成果将为IACS成员共享。

目前,HCSR的具体执行时间还未定,

IACS可能会采用7>2014年1月1日、2014年7月1日和2015年1月1日这3个时间点

中的一个,最迟不会晚于GBS的实施节点。

船舶结构载荷的制定、屈服强度评估方法、屈曲强度评估方法、疲劳强度评估方法

一直是HCSR和CSR中重要的组成部分,而在这些方面的规定HCSR规范和CSR规范

存在着一定的差异,如何从CSR规范顺利过度到HCSR规范已经成为船级社、船厂以

[11]

及相关设计单位的首要难题。

本文详细论述了HCSR规范关于载荷、屈服强度评估方法、屈曲强度评估方法和疲

劳强度评估方法等方面的规定,与CSR规范进行了对比研究,并且以一型油船和一型

散货船为例对比分析了HCSR规范和CSR规范关于屈服强度评估、屈曲强度评估和疲

劳强度评估计算结果的差异为HCSR规范的修订提供参考性的建议。

1.2IACSHCSR规范概述

目前,IACS在CSR规范和IMOGBS要求的基础上开发的HCSR规范于2012年7

月1日向工业界发出了第一版草稿版,各船级社被要求于2013年11月30日前完成GBS

自审文件,于2013年12月31日前提交IMO进行GBS验证。

由于HCSR既要协调CSR

规范的区别,使两本规范合理的统一,又要满足GBS的要求,这使得HCSR规范的出

版增加了难度,又显得尤为重要。

结合业界这些年对CSR的改进想法,并从目前HCSR规范的进展情况来看,基本

上船舶的总体结构要求变化不会太大,但对局部结构的要求则有一些变化,这些变化将

导致船体局部结构的改变,如疲劳评估对纵骨端部的连接形式进行了规范。

但对船舶工

程来说,它是一个系统的工程,往往会因为局部的改动影响整个生产建造流程。

可以说,

3哈尔滨工程大学硕士学位论文

HCSR规范的影响主要体现在如下几个方面:

第一,不论是CSR-OT还是CSR-BC,在

规范内容,结构形式上都没有太大的变化;第二,HCSR规范需要满足GBS的要求,

而目前CSR规范不能做到这一点,所以需要补充考虑一部分内容,比如,对建造标准、

人为因素和剩余强度等方面的有了新的要求,同时,有一些内容还需要在CSR规范要

[12]

求的基础上进行完善来满足GBS的要求,比如在载荷、疲劳、结构强度等方面。

无论是在CSR基础上进一步完善内容还是协调后新加入的内容,这些要求都将对

船舶的设计和建造产生一定的影响,新船型的开发和设计难度将加大,特别是设计的工

[13]

作量将是原来的三四倍。

HCSR是满足IMOGBS要求的,对原油船和散货船共同结

构规范进行合理协调且对结构强度的要求不小于原规范相应要求的规范,它的主要特点

表现为:

在原CSR基础上对油船和散货船的共同部分内容进行合理协调后的规范和在

原CSR基础上对不满足IMOGBS要求部分进行内容补充研究后的规范。

HCSR对CSR的很多内容进行了协调,根据2012年7月1日的第一版草稿版来看,

[14]

主要体现在以下六个方面:

1、载荷

HCSR在CSR-OT和CSR-BC要求的基础上,在整体载荷的确定流程、运动和加速

度的计算方法、船体梁载荷的确定方法、载荷工况的确定方法、外部载荷和内部载荷的

确定方法等方面做了协调。

2、屈曲强度要求

HCSR在CSR-OT和CSR-BC要求的基础上,针对油船和散货船不同的穿行特点和

功能要求,对屈曲细长比的规定、船体梁屈曲的规定、有限元屈曲的规定、屈曲能力和

屈曲衡准等方面的规定做了协调。

3、有限元分析要求

HCSR对CSR-OT和CSR-BC有限元分析方法的协调内容包括:

评估区域的确定、

有限元模型范围的确定、净厚度的确定、单元及单元细化尺寸的确定、边界条件的确定、

装载工况的确