本帖最后由 船舶新闻 于 2016-5-5 10:57 编辑
摘要
Abstract
国际船级社协会推出了集装箱船总纵强度的额外要求UR S11A,并将于2016年7月1日正式实施。由于其中很多要求与目前在用的UR S11不同，而 S11被大部分船级社规范采用用于船体梁总纵强度校核，所以S11A势必对现行的规范与设计造成影响。本文对S11A作简要的介绍，并以英国劳氏船级社规范为例给出测试结果，比较它对现行规范的影响，并给出合理的建议。以期广大船舶科技人员对S11A的应用有充分理解，对后续的设计有所裨益。
关键词：UR S11, UR S11A，集装箱船，船体梁强度
引言
由于近年来集装箱船事故的增加，尤其是2007年MSC Napoli和2013年MOL Comfort的事故尤为严重，其中MOL Comfort还仅有5年船龄。上述事故促使IACS加快对集装箱船采用新的统一强度要求S11A， 同时一起推出的还包括UR S34。S11A是对船体梁强度的要求，而UR S34是对集装箱船有限元分析的功能性要求。
与S11相比，S11A将一些较为先进的结构强度理论引入到集装箱船的规范实践，包括引入了总纵弯矩下的船体梁极限强度，加筋板屈曲模式，侧向载荷和极限强度等先进的屈曲强度理念。鉴于此，有必要对两者进行比较，评估其对现行规范与设计的影响。
1、 UR S11和UR S11A简介与比较
S11适用于90米以上除共同规范散货船和油船之外的所有船型，其要求被大部分的船级社采用并沿用至今。S11A适用于90米以上集装箱船或者主要用来装载集装箱的船舶。
两者的主要要求与不同点包括以下几方面，
S11对结构强度的要求基于总板厚法（除屈曲之外），而S11A采用净板厚法，其中除了屈曲校核是扣除全部的腐蚀余量外，其他包括总纵强度和极限强度校核均扣除0.5倍的腐蚀余量。
两者的船体梁波浪载荷的数值和分布均有差别。两者均基于北大西洋波浪谱，回归期20年超越概率水平10-8。由于集装箱船一般有较大的首部外飘，与S11相比S11A对波浪载荷考虑由于外飘引起的非线性的影响，公式中引入了中拱中垂非线性系数。由于采用净厚度方法以及载荷的变化，许用应力较 S11 有所提升。 我们以中垂波浪弯矩公式为例给出简单说明，
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非线性修正系数
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不小于1.0首部外飘系数
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而ADK，AWL，zf即为首部外飘参数，该参数对载荷的影响较大。
- 对于船体梁的剪切强度，S11A则采用了横截面剪力流分布的方法。许用剪应力也较S11有所提高。
- 参与总纵强度构件的屈曲要求，S11秉承传统屈曲校核方法，即采用基本板格的屈曲特征值并结合加强筋剖面尺度比要求来校核板格的屈曲强度，所涉及的板格屈曲属于线弹性范围，其屈曲特征值较低。而S11A将CSR H的“极限强度”概念的非线性屈曲理论引入到集装箱的实践应用中。对于板格考虑了双向应力以及剪应力的影响，而对于骨材的屈曲要求，则综合考虑了几种载荷的共同作用，包括总纵弯曲应力，侧向载荷引起的弯曲和骨材扭转变形引起的应力。
- 对于刚度的要求，S11只对船中区域有最小惯性矩的要求。而S11A则要求在所校核的剖面均满足刚度要求。
- 对于船体梁极限强度，这是S11A的新要求，适用于150m以上的船，方法与CSR H相同采用增量迭代法，考虑中拱与中垂两种状态，还引入了双层底结构弯曲的安全因子。
2、UR S11A测试结果及总结
我们以L社规范为例测试了1100-16000TEU的8条船来总结对现有规范的影响。测试的方法即默认现存的船体结构符合目前的船级社规范的要求，用L社的规范校核软件建立符合S11A腐蚀要求的剖面，检查现存构件是否满足S11A要求。这8条船的基本参数如下表：
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根据IACS Technical Background for UR S11A (1)，与S11相比，300m以上的船体梁中拱弯矩将增加10-15%，而小于300m的船中拱弯矩将有小幅的减少。而中垂弯矩将平均增加40%左右。垂向波浪剪力中拱增加20%左右， 而对中垂增加70%左右。这和我们的测试结果也相吻合。波浪载荷的增加尤其是中垂状态下非线性修正系数的提高是导致结构尺寸要求增加的主要因素之一。尤其对小船更加如此。
测试结果主要包括以下几方面：
采用总厚度与50%净厚度相比，船底部剖面模数相差7%左右，而在甲板与纵向舱口围处剖面模数相差3-4%左右（1）。这与我们的测试结果较吻合。虽然S11A对应的许用弯曲应力有所提升，但从下图明显可以看出，大部分小船在一定程度上不满足要求，而对于8000箱以上的大船几乎全都能满足要求。相比于船底，甲板和舱口围更难满足要求。
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下图我们给出了每条船板格失效百分比以及每个剖面加权百分比。
从下图可以看出，只有很少量的板格发生剪切失效（少于1%）。从剖面加权百分比可以看到每条船在不同剖面的失效情况。剪应力的不足主要集中在1/4和3/4船长区域，由于该区域的波浪剪力较大。由于S11A采用剪力流的方法计算剪应力，失效板格的多少不仅跟船长尺度即载荷有关联，还与该区域剖面的闭式结构的分布有关。
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对纵向骨材屈曲强度，根据我们的测试结果，基本上均满足S11A要求。因此这里我们仅给出板格屈曲的测试结果，下图给出了每条船板格失效百分比以及每个剖面加权百分比。可以看出，有很大程度的板格屈曲失效，可见S11A对屈曲强度的要求有很大的提高。一方面由于载荷的增加，另一方面由于方法的改变，剪应力对屈曲结果影响较大。
同时可以看出S11A屈曲要求对小船的影响比大船更大，这是由于屈曲强度校核需要扣除全部的腐蚀余量，而同样的腐蚀余量对小船薄板的强度削弱要明显的多。
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由于船体梁极限强度要求针对150m以上的船，因此测试不包括1100TEU。
从结果可以看出在中拱状态，3900， 10000， 14000， 16000的后端剖面不满足要求，在该状态下小船的船体梁极限强度较大船更强，船中前端较后端更强。而在中垂状态，小船则有更多的不满足。
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从以上的结果我们总结如下，
- 相对于大型箱船，S11A对小型箱船影响较大，究其原因由于S11A采用净板厚法评估强度，而腐蚀余量不是按照百分比来计算而是固定值，因此对于大船无论是总强度的剖面模数还是局部强度都有更多的余量。然而通常来说固定厚度的腐蚀余量也是合理，无论是厚板还是薄板其腐蚀的量值应该是相近的.另一方面是载荷的变化。相对于小船，中垂的波浪弯矩和波浪剪力有更大的增加，这在我们的测试结果中趋势非常的明显。然而对于这些尺度的小船并没有由于总强度引起的破损案例的报告。究其原因是该船型的装载工况几乎没有中垂状态。对于集装箱船许用中垂静水弯矩通常的做法是直接给出0值，这些值已经隐藏了很大的余量。在装载许可的前提下，在设计中该值还可以进一步优化。
- 对1/4和3/4船长区域的影响较船中更大，尤其是剪应力和屈曲强度。由于剪应力采用剪流的方法计算，在该区域设计合适的闭式结构可以降低该处的剪应力。由于屈曲校核引入了剪应力的影响，降低了剪应力同时也会降低该处的屈曲要求。
- 由于波浪载荷引入了首部外飘的非线性影响，因此对首部剖面的线型优化有助于降低载荷从而优化结构。
3、结语
IACS将新的理论引入到规范技术标准的实践应用中，有力地推动了集装箱船结构设计技术的进一步发展。给未来集装箱船的解决方案带来新的挑战，同时也给业界带来了新的机遇。本文通过上述测试比较以期读者对S11A有更深入理解，对后续的设计优化有所裨益。
参考文献：
1． Detailed Technical Background for UR S11A (New June 2015), International Association of Classification Societies,
2． Lloyd Register Rules and Regulations for the Classification of Ships
3． 洪英，钱峰等，IACS双壳油船共同规范高级屈曲评估方法及CCS新一代板格屈曲校核软件系统。
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发表于 2016-5-5 10:55
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