极限强度对船舶结构设计的影响

极限强度对船舶结构设计的影响
摘要：极限强度校核是评估船舶结构安全性的重要强度指标，目前根据CSR 规
范要求，油船、散货船必须进行极限强度校核。

通过对SUEZEMAX 型油船和CAPESIZE 型散货船的极限强度分析，探讨极限强度的控制因素及相应的提高船体
极限弯矩能力的措施，为结构设计提供参考。

关键词：船舶结构设计；共同规范；极限强度；极限弯矩
前言
在船舶结构设计中，船体梁强度对于船体结构而言是至关重要的。

在传统的
船舶设计中，通常采用许用应力的工作应力设计法对船体梁进行总纵弯曲强度和
剪切强度校核。

但是，船舶在整个使用过程中，除了要承受正常航行、进出港口、货物装卸等的常规载荷外，还可能遭遇到搁浅、碰撞、水下爆炸等意外情况。

由
于此时作用在船体上的外载荷不好确定，因而一般用剖面的极限弯矩来评估船体
结构的承载能力。

极限弯矩是船体达到极限状态时所对应的作用弯矩。

船体梁极限抗弯能力是
船体达到崩溃时船体梁的最大的弯矩能力，船体梁的破坏由纵向结构的屈曲、极
限强度和屈服控制。

通过计算船体剖面的极限弯矩能力值，对船体梁的极限强度
进行评估，得到船体梁的实际强度储备，优化结构设计。

在CSR规范中明确规定
对于适用该规范的船舶，不但要满足常规的许用应力要求，而且还应满足极限强
度衡准。

本文通过对SUEZEMAX 型油船和CAPESIZE型散货船的两典型船舶的极限强度
分析，探讨极限强度对船舶结构设计的影响，为满足CSR 规范要求的船舶结构设
计提供参考。

1 CSR 极限强度要求
为估算出船体梁的实际弯曲能力，CSR 规范采用局部安全因子设计法对船体
梁的极限强度进行校核。

极限强度衡准以分项安全因子形式给出，并使用结构可
靠性分析技术进行了校准。

在 CSR 规范中规定，船长不小于150m 的船舶必须进
行船体梁极限强度校核。

对于油船而言，只校核中垂弯矩状态，而对于散货船需
校核中拱和中垂两种弯矩状态。

这一规定符合油船和散货船实际弯矩状态。

因为
对于油船而言，中垂弯矩比中拱弯矩的多；对于散货船来说，通常情况下中垂弯
矩也大于中拱弯矩，而且，甲板区域是单层结构，其强度远远低于具有双层底结
构的船底区域，因此，对于散货船中垂状态是危险状态。

2两型船极限强度分析
随着船舶结构分析和设计技术的不断进步，船体结构极限强度的研究取得了
相当大的进展，求得船体梁极限强度能力有多种方法，可以归类为简化公式法、
逐步失效分析法或非线性有限元法。

目前，CSR 油船规范中推荐一步法或增量迭
代法，而散货船规范中为增量迭代法。

因而，在本文中油船采用一步法（应用DNV 计算软件NAUTICS HULL），散货船采用增量迭代法（应用BV 计算软件Mars）。

由于船舶越长，船体梁强度越为重要，也就是说，极限强度校核对大型
船舶更重要。

因此，本文中选取SUEZEMAX 型原油船和CAPESIZE 型散货船两型船
进行极限强度分析，为结构设计提供参考。

2.1 SUEZEMAX 型原油船极限强度分析
静水弯矩/kN•m许用中垂弯矩均质满载最大中垂弯矩2.96×106 2。

068×106在校核极限强度之前，首先根据CSR 规范对纵向构件尺寸的要求，调整了相应位置
的板厚和纵骨尺寸。

由于母型船纵骨的剖面模数余量较大，且腹板板厚过大，导
致纵骨的剖面面积较大，因此，对纵骨尺寸进行了优化。

在满足规范要求的基础
上适当减小了升级船底部纵骨的剖面模数，增大了舷顶纵骨的剖面模数，大幅度
减小了纵骨的剖面面积，优化了纵骨细长比。

母型船的纵骨采用T 型材，但是T 型材的细长比不合理，导致横剖面面积大，即船体钢料重。

在满足纵骨细长比的基础上，升级船减小腹板厚度并适当增大面
板宽度，减小纵骨的剖面面积，降低了船体的剖面面积。

通过构件调整，升级船
的船底剖面模数有所降低，但增大了甲板剖面模数。

在此基础上，母型船的甲板
区域剖面模数刚刚满足工作应力法要求，但是剖面的极限弯矩能力值不满足要求；而升级船通过适当减小船底区域剖面模数增大甲板区域剖面模数，满足了极限强
度要求，且减轻了结构重量。

因此，调整甲板区域、船底区域剖面模数，避免某
一模数过大，达到理想平衡状态，使得工作应力法要求的剖面模数与极限强度法
要求的剖面模数大体相当，达到减轻结构重量的目的。

2.2 CAPESIZE 型散货船极限强度分析
该计算船型是我公司开发成功的满足CSR 规范的CAPESIZE 型散货船，根据CSR 规范要求，在满足工作应力设计法要求后又校核了极限强度，在满足工作应
力设计法衡准的基础上，也满足了极限强度的要求，也就是说，该计算船型并没
有因为极限强度的要求而增加构件尺寸，并且两种方法的剖面模数余量都很小，
很好的满足了两种方法的衡准要求。

另外，计算结果也反映出极限强度对总强度的要求主要体现在中垂状态，并
且在进水条件下的中垂极限弯矩是最危险状态。

中垂状态下，船体梁的失效主要
由甲板区域的纵向构件的屈曲控制。

因此船体梁极限强度主要由甲板区域的加筋
板的屈曲极限强度控制。

构成船体梁横剖面的板格和纵骨主要按照以下失效模式之一屈曲破坏：梁柱
屈曲、扭转屈曲、折边型材的腹板局部屈曲、扁钢腹板局部屈曲、板材屈曲。

按
照CSR 规范规定，如果结构受压超出了其屈曲限度，其承载能力降低。

为确定横
框架之间的最弱失效模式，板和纵骨的相关失效模式都要考虑。

因此，既要保证
甲板板具有足够的板厚，也要保证纵骨具有相当的刚度，进而甲板区域具有足够
的剖面模数。

2.3两型船极限强度对结构设计影响的分析
以上算例中的两型大型油船和散货船通过合理的结构设计，都满足极限强度
要求。

因此根据极限强度主导控制因素的特点，在结构设计中应从以下几方面优
化设计，更好的满足极限强度。

1）对于油船来说，极限强度校核的最危险状态是许用静水弯矩；对于散货船，进水条件下的中垂弯矩是主导因素，因此根据装载计算结果和设计经验在留有适
当余量的基础上确定合理的结构设计的许用弯矩值可以有效控制结构重量。

2）合理布置甲板区域构件，调整甲板、船底的剖面模数，达到理想平衡状态，避免某一模数过大。

对于甲板纵骨在满足细长比和最小刚度要求的基础上，尽量
选用T 型材，少用扁钢，并且适当增大T型材的腹板高度和面板宽度和厚度来提
高剖面模数，降低横剖面面积。

的屈曲失效模式和纵骨的屈曲失效模式都需考虑，所以在结构设计时要保证
甲板板和纵骨具有足够的屈曲强度，提高中垂状态下剖面的极限弯矩能力值。

结束语
本文根据 CSR 规范要求对SUEZEMAX型油船和CAPESIZE 型散货船两典型船进
行了极限强度分析，探讨了极限强的控制因素，通过在船舶设计中采取相应的措
施来提高船体极限弯矩能力，进而有效的降低或避免因极限强度的要求而导致的
剖面构件尺寸增加，达到控制结构重量的目的，为结构设计提供参考。

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