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IACS集装箱建造新标准呼之欲出

新闻来源:中国船检    浏览量:1782 胥苗苗 2015-11-19
        明年7月1日,IACS针对大型集装箱船结构强度的两项新标准将正式生效。该标准的推出,缘于“MOL Comfort”号集装箱船的断裂沉没事故。2013年6月17日,由新加坡港驶往沙特阿拉伯吉达港的商船三井8110TEU型集装箱船“MOL Comfort”号,在距离阿曼塞莱拉港430海里处突发事故,船体断裂为两截,随后船体前部突然不明原因起火,并在5天后沉没。这起事故被认为是迄今为止最惨烈的一起集装箱船船体断裂事故,令整个航运界一片哗然。然而,让业界疑惑的是,“MOL Comfort”号船体断裂究竟是个案,还是同类型船舶的“基因问题”。尽管到目前为止,关于“MOL Comfort”号船体断裂的原因依然众说纷纭,仍未有最终定论。但IACS加强了集装箱船安全标准方面的工作,通过开展相关研究编制了两个针对集装箱船结构强度的统一要求: UR S11A和UR S34。目前上述两个UR已经在IACS内部获得通过,将于2016年7月1日生效。
        据中国船级社上海规范所副所长王刚介绍,UR S11A为针对集装箱船船体结构总纵强度的统一要求,UR S34提出了集装箱船有限元直接分析载荷工况的功能要求。那么,即将生效的集装箱新标准都包含哪些新的内容?先来看UR S11A标准。据中国船级社上海规范研究所直接参加IACS该项目的郑刚博士介绍,在UR S11A生效之前,UR S11给出包括集装箱船在内的各种类型船舶总纵强度的统一要求。S11A生效后,S11适用于集装箱船之外的其他船舶,S11A适用于集装箱船。新UR的特点,同时也是两个UR的差别,主要表现在以下几个方面。一是净厚度方法。S11的总纵强度校核基于建造厚度,即船体梁的承载能力、船体梁载荷作用下的应力基于船舶的建造厚度计算得到,而S11A的强度校核采用与共同结构规范(CSR)类似的净厚度方法。考虑到船型的差别,根据集装箱船腐蚀的实测数据,S11A给出了集装箱船各结构的腐蚀增量。二是新的波浪载荷公式。为了得到新的波浪弯矩和波浪剪力公式,负责编制S11A的IACS PT56项目组对大量以集装箱船、客船等瘦长型船为主的样船开展了线性和非线性水动力计算,得到船体梁各位置处的波浪弯矩和波浪剪力。在对上述计算结果进行统计回归的基础上,综合考虑各种影响因素,最后形成了新的波浪弯矩和波浪剪力公式。而在谈到US11A的波浪载荷公式与S11的公式的差别时,郑刚表示,差别主要体现在:新公式明确了载荷的线性成分和非线性成分;为了考虑水线以上船体形状的影响,新公式引入了反映首部外飘的系数;根据实船计算结果,给出了新的波浪弯矩和波浪剪力沿船长方向的分布;对于肥胖型船,新旧公式给出的中拱波浪弯矩相当,但总体而言,新公式给出的波浪剪力更大。三是屈服强度。虽然屈服强度校核公式在形式上有些变化,但实际上S11A与 S11在校核内容上是一致的,仍然分别对弯曲强度和剪切强度进行校核,只是考虑净厚度的原因,许用应力与原要求不同。新UR明确了剪切应力计算应采用剪流方法,并在其附录1中给出了具体的算法。对UR S11中的最小惯性矩要求,新要求也根据自身方法特点进行了修订,,主要包括以下两方面:一方面是考虑了船体梁合成弯矩的最大值,而不仅仅是原最小剖面模数所对应的合成弯矩;第二方面是考虑了净厚度方法对于惯性矩的影响。四是屈曲强度。新UR中的屈曲强度借鉴CSR的屈曲强度校核方法,这是和原UR相比一个明显的变化。但在S11A中没有对局部动载荷给出统一要求,为了避免各家船级社要求不一致的情况,而达到统一的计算结果,新UR规定计算中仅考虑静压力的影响。五是极限强度。由于之前对事故的调查研究都指向了极限强度的不足,新UR增加了船体梁极限强度的要求。极限强度校核的方法与CSR一致,包括总弯矩计算中静水波浪弯矩的组合系数,以及船体梁极限能力计算采用的SMITH方法。考虑船型特点并根据实船评估的结果,新UR进行了如下修改:根据集装箱船的特点,修改了将双层底系数和材料系数;根据集装箱船的结构形式,对计算中各构件所采用的单元类型的规定进行了修改和补充。六是对大型集装箱船提出了附加要求。新UR对于超巴拿马型集装箱船还给出了附加要求,具体包括:屈服和屈曲校核时应考虑各种载荷成分,应力成分的影响;极限强度校核时,应考虑颤振对垂向弯矩的贡献。
        再来看UR S34标准。据中国船级社上海规范研究所专家汤明文介绍,IACS新要求的目的是:通过规定统一的载荷工况,在所有船级社对集装箱船进行有限元强度评估时取得一致的安全水平。它的目的不是为了规定全部的有限元分析具体要求,而是通过功能性要求的规定确保各船级社在结构安全所要求最基本的载荷工况下开展计算分析。同时在船中区域货舱舱段分析中,形成一套最基本的共同计算工况,这样IACS各船级社之间便取得了货舱结构计算分析的统一基准线。为了形成合理、全面的功能性要求,工作组向IACS成员分发了调查表,收集了各船级社关于集装箱船规范要求的信息,工作组在分析各船级社集装箱船规范共性和个性要求的基础上,针对集装箱船的装载特点和安全营运基本要求,建立了UR S34中的功能性要求。汤明文表示,该UR中的有限元载荷要求是在各船级社集装箱船规范的载荷准则基础上所形成的更高水平的要求。因此,UR S34中的载荷工况的功能性要求对各船级社规范有不同程度的影响,对单个船级社的影响程度取决于各船级社规范与UR S34的装载计算工况间的差异。但是,对大多数船级社而言,UR S34中的装载计算工况,已经被大多数船级社纳入,因此对结构尺寸影响很大。这一结论也在对比研究结果中得到验证。
由于UR S34是一个新规定,综合了各船级社有关集装箱船规范中关于整船和货舱段有限元直接计算分析规定而制定的要求,或多或少与各船级社的规定有所差异。UR 34对整船有限元分析、货舱段有限元计算分析评估的结构构件强度及主要结构构件进行了定义。UR S34中没有明确提到的要求应符合各船级社的规定。
        UR S34的具体内容包括:在整船分析方面,适用于290米及以上集装箱船,船体梁载荷按照各船级社程序规定考虑,UR S34中提供了两种方法,方法1将船体梁载荷(垂向弯矩、水平弯矩和扭矩)直接施加到整船有限元模型进行分析;方法2:将直接计算载荷传递施加到整船有限元模型进行分析。舱段分析方面:150米及以上集装箱船需进行舱段有限元计算,舷外水压力、货物载荷等局部载荷及船体梁载荷根据各船级社规定确定。载荷准则方面,一是波浪环境:船舶考虑航行在北大西洋波浪环境中进行屈服屈曲分析评估,垂向波浪弯矩按照UR S11A的规定选取,其它船体梁载荷、局部载荷按照各船级社规定确定。二是作业工况:考虑航行工况,港内及其它如进水、压水试验等工况可按各船级社规范要求进行。在载荷分量方面,一是对整船分析分别规定了方法1、2所对应考虑的静载荷和动载荷。二是对货舱段分析分别规定了船体梁静载荷和动载荷,局部静载荷和动载荷。考虑的船体梁载荷为垂向静水弯矩和垂向波浪弯矩;局部载荷为舷外静水压力、集装箱静压力、压载水和燃油静载荷、结构自重,海水动压力、船体结构和集装箱动载荷(在规定的计算工况中压载水舱和燃油舱空舱,但其它额外附加工况可根据船级社规定考虑计入)。在装载计算工况方面:整船分析将根据装载手册及各船级社规范规定选取。货舱段分析:UR S34规定了一套最低限度的计算工况,另外装载手册中装载工况如有必要也要在舱段计算分析时考虑。
        那么,新的UR生效后将会给业界带来哪些影响呢?专家们表示,新UR的研究开发过程中,以及在编制完成后,组内和各家船级社都进行了实船评估。根据实船评估结果,对UR进行了一些调整。因此,新UR应该不会对目前的设计造成显著影响,但是会给业界带来以下几个方面的影响。一是由于新增加了极限强度的要求,在设计时设计方不但要考虑船体梁的剖面模数,还要考虑剖面的极限能力,这和CSR刚生效时的情况有些类似;二是对于小型的集装箱船,新要求可能会对构件尺寸造成影响,这主要表现在内壳的剪切强度方面。主要由于波浪剪力明显增加和净厚度方法对于薄板的影响更明显这两方面原因所致。但由于剪切强度并非集装箱船设计的控制因素,该问题一般可通过提高材料的强度等级解决。新的UR S34生效后,各船级社要在集装箱整船和货舱段有限元计算分析中纳入新的要求,特别是货舱段计算中需补充新要求的装载计算工况,同时还要研究如何将S11A中新要求的波浪弯矩合理地应用到货舱段有限元计算分析中。由于在UR S34生效前,各主要船级社集装箱船规范中对整船和货舱段结构计算分析的要求在计算工况和载荷上都存在一些差异,UR S34生效后,首先对有限元计算载荷规定了高水平的功能性要求,统一了集装箱船结构强度的底线。其次,通过规定货舱段计算最低限度的装载计算工况,形成了船中货舱区域结构强度的基线。这必将为新造大型集装箱船结构强度安全增加技术上的进一步保证。
        另外,从设计角度的考虑,由于新旧UR的上述差异,原根据S11设计的船舶需要根据新的要求对设计进行优化和调整,包括剖面模数、惯性矩,极限强度等几个方面。设计者自身也会经历一个逐步掌握和适应的过程。新波浪弯矩和剪力公式中包含了首部外飘的影响,通过减小首部外飘可以减小波浪弯矩。为此设计者可能对首部外飘进行优化,在箱位和波浪载荷之间寻求一个平衡。目前所评估的船都是根据S11设计的,因此有些影响通过适当的调整可轻易解决,有些影响则可能引起实质的结构增加或设计的更改。在之前的评估的过程中,有些技术方案还也同时在进行一些细节的完善和调整。因此,新UR真正的影响也许需要一段时间才能逐渐显现出来。
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