0 引　言

协调后的散货船和油船共同结构规范（CSR）^[1]于2015年7月1日生效。在此之前，由于油轮和散货船的CSR规范是由2个不同工作组制定，在波浪载荷、直接有限元分析、疲劳强度、屈曲强度等方面存在一定的差异，上述方面在散货船和油船共同结构规范中进行了统一协调处理。在疲劳强度评估方面，CSR完全统一了CSR-OT^[2]和CSR-BC^[3]这2个之前独立的疲劳评估方法，建立了一种新的协调疲劳评估方法，包括疲劳评估范围、疲劳热点选择、波浪载荷、疲劳应力计算与修正、疲劳寿命计算等。显然，对于油船来说，与CSR-OT时期只要求评估底边舱折角相比，协调后的疲劳评估方法提升了合理性和安全水平的同时，评估范围的扩展也带来了工作量的巨大增加，规范实际应用时也陆续发现了一些问题，本文根据近年来在船舶结构设计和审图检验方面遇到的问题和积累的经验，选择了4个问题进行讨论分析，主要如下:

1） 底边舱折角疲劳热点分析与嵌接肘板疲劳改善问题；

2） 横舱壁水平桁趾端疲劳强度与强度筛选的矛盾问题；

3） 横舱壁水平桁根部热点疲劳影响因素与设计标准的合理性问题；

4） 甲板分段扇形孔的设计标准合理性问题研究。

1 底边舱折角疲劳热点问题 1.1 疲劳热点分析

对于底边舱折角，疲劳热点的要求见表1，可见围绕此关键节点6个热点需要进行计算，相比CSR-OT规范的要求，协调后的CSR规范增加了腹板热点以及嵌接肘板热点的要求，各热点的疲劳评估结果见表2。

根据评估结果，可见嵌接肘板处的疲劳热点并不满足疲劳强度要求，结合审图经验此处一般也比较难以满足规范疲劳要求，类似的问题在某VLCC也曾出现。嵌接肘板处的疲劳热点属于当前CSR规范中Type b型热点，热点处采用10 mm×10 mm网格细化，采用虚拟梁单元提取热点应力，有限元模型见图1，根据IIW^[4-5]相关文献描述，其受力特点和裂纹形式见图2，文献中也指出此处将遭受较大的应力集中情况，体现出较低的疲劳寿命，如可能需要进行一定的“软化”处理。

1.2 疲劳寿命改善分析

为研究不同软趾曲线对疲劳评估结果带来的影响，分别设计了3条过渡曲线，其中曲线A为原始设计，曲线B和曲线C为不同半径下的“软化”曲线，见图3。应力提取方面，在船长和船宽方向分别建立了虚拟梁单元进行应力提取，具体评估结果见表3。

根据上述评估结果，可见对于嵌接肘板热点的疲劳寿命，船长方向的热点应力因承受船体梁载荷，其应力水平远高于船宽方向的热点应力，所以对此处起决定作用的是船长方向提取应力的热点，另外，趾端处“软化”程度（即过渡曲线的设计）将对评估结果造成较大的影响，算例中原始设计状态（曲线A设计）得到的疲劳寿命随着偏低，但是随着趾端处曲率的增加其评估结果得到非常显著的改善，软趾对于嵌接肘板热点的疲劳评估十分重要，实际设计中可关注此改善措施。

2 横舱壁水平桁趾端规范问题 2.1 问题描述

在目前CSR规范中，对于水平桁趾端处的评估校核，分为3个层次，分别为粗网格下的屈服强度筛选评估（见图4）、细网格（50 mm×50 mm）下的屈服强度评估以及精细网格（t×t）下的疲劳强度评估，规范评估逻辑为首先进行粗网格下的屈服筛选评估，如满足屈服筛选要求则省去进一步的细网格屈服评估和疲劳评估，因此，在结构初步设计阶段，设计用户为省去后续的相关工作，可能会过度增大趾端处的单元厚度以降低趾端处粗网格单元应力，以此种方式通过强度筛选以免除细网格评估，但也增加了应力过度集中和疲劳强度的隐患。

其中，强度筛选因子λ_sc计算式为：

${ {\lambda _{sc}} = {C_a}\left( {0.68{{\left( {\frac{{{b_2}}}{{{b_1}}}} \right)}^{0.5}} {\sigma _{vm}} + 0.50{{\left( {\frac{{{A_{beam - n50}}}}{{{b_1}{t_{n50}}}}} \right)}^{0.5}} \left| {{\sigma _{beam}}} \right|} \right)\frac{k}{{235}}。} $

(1)

2.2 实船计算分析

根据实际设计审图经验，最上一层的横舱壁水平桁因其垂向位置离中和轴较远，承受较大的船体梁应力，疲劳热点应力范围较大，所以此处疲劳强度更容易发生问题，本文以某Aframax油船为例，对此处进行不同趾端厚度下的屈服评估、屈服筛选评估、疲劳强度评估，计算模型见图5，评估结果见表4。

根据评估分析结果，横舱壁水平桁板厚为13.75 mm，当其趾端局部厚度达到18 mm和22.5 mm时，趾端处疲劳评估结果并不满足规范要求。某种程度上说，增加趾端局部板厚将增加该位置处应力集中，相对于粗网格模型，该趋势的表现程度在精细网格模型中更加明显，但过大的应力集中易引起疲劳问题。在实际设计场景中，在CSR规范要求下的强度筛选环节，有时为免除50×50细网格评估，会相对刻意加大趾端位置的局部板厚以达到强度筛选通过的效果。此时按照规范要求的逻辑，无需进行细网格强度评估，进而也无需进行疲劳筛选评估，即不会执行疲劳评估。但本研究的实船评估中显示，当执行实际的疲劳评估，在板厚加厚到一定程度后，该节点并不满足疲劳要求，因此留下了一定的安全隐患。本案例中，当趾端局部板厚与临近板厚比值超过1.3后，将出现该问题，规范需要在后续的筛选逻辑中进行完善和补充。

3 横舱壁水平桁设计标准问题 3.1 问题描述

一般来讲，为提高油船横舱壁水平桁根部的抗疲劳能力，通常会在此处安装背肘板，CSR规范也提供了相应的设计标准见图6，以某Aframax油船为例，800×600×25（R550）型式的背肘板是CSR规范推荐的基本设计形式。但随着高强度钢的应用普及，相比传统设计，高强度钢使用比例较高的情况下，船体主要支撑构件板厚得到普遍减小，25 mm的背肘板板厚相对于周边结构的板厚布置已经显得突出偏大。

CSR规范提供的设计标准要求安装带软趾的背肘板。建议采用如下尺寸：

1）VLCC：800×800×30，R600的软趾，见图6；

2）其他油船: 800×600×25，R550的软趾，见图6，长臂在纵向内壳上；

肘板的最小屈服应力应不小于315 N/mm²。自由边应打磨光滑且角隅磨圆。

3.2 实船计算分析

为研究背肘板板厚对于水平桁根部位置处的疲劳强度影响，本文选取了某实船中间货舱最上层横舱壁水平桁为评估对象，背肘板的设计型式与CSR规范中的推荐设计标准一致。背肘板板厚的变化范围由8 mm（最小板厚要求）～25 mm（设计标准要求）。有限元模型见图7。评估热点分别为肘板自由边（热点1）、纵舱壁处趾端（热点2）、横舱壁处趾端（热点3）。3个热点的评估结果见表5和图8。

实船中纵向内壳和横舱壁板的厚度分别为13 mm和12.75 mm，热点2和热点3的疲劳寿命随着厚度的增加而减小，因此可看出增加背肘板的厚度也增加了应力集中水平，热点2的下降梯度比热点3大，因热点2位于纵向内壳，承受船体梁载荷，应力水平较高。对于热点2（纵舱壁处趾端），当背肘板厚度从14.5 mm变化到25 mm时，其疲劳寿命不满足规范要求，尤其需要注意的是，25 mm是设计标准所要求的厚度，但评估结果仍不满足规范要求。这一规范问题需要在未来进行研究和完善，建议CSR规范的设计标准不仅需考虑几何形状和材料，还需注重考虑与周围结构的刚度匹配，以避免过度的应力集中问题。

4 甲板分段扇形孔设计标准问题 4.1 问题描述

CSR规范中，在货舱区域分段接头处，实际设计中应首先避免在扇形孔位置处设置分段焊缝^[6]，如实际设计中确需布置，位于强力甲板和舷侧距基线 0.9D以上的纵向骨材分段扇形孔应根据提供的设计标准进行设计，这些位置处承受较高的船体梁交变应力，存在一定的疲劳风险需要对其具体的设计型式给予关注^[7]。在规范提供的设计标准中，对于加长的扇形孔设计（见图9），在实际设计参数中规范要求开孔长度a需大于高度b的4倍，为验证其合理性，选取某实船进行了分析计算。

4.2 实船计算分析

选取实船中某甲板纵骨完成分段扇形孔有限元模型的细化，扇形孔选取3种长度分别为a=100 mm、a=150 mm、a=200 mm，开孔高度b=50 mm。评估的热点为对接焊缝处热点A和开孔前后趾端处热点B，评估结果见表6。评估结果可见，随着开孔长度a的增加，对接焊缝处的疲劳寿命得到明显改善提高，对于焊趾处的疲劳寿命变化并不明显。

5 结　语

本文对底边舱折角、横舱壁水平桁趾端、横舱壁水平桁根部、甲板分段扇形孔4个方面的疲劳强度问题进行了分析和讨论，包括在实际船舶结构设计中发现的问题、解决问题的方法或影响因素等。本文结论如下:

1）对于底边舱折角处，嵌接肘板的纵向趾端位置一般难以满足疲劳要求，但过渡曲线的几何形状对疲劳寿命有重要影响，平滑过渡和软趾处理对该处疲劳寿命提升有显著影响；

2）对于横舱壁水平桁的趾端，某些情况下增加趾部局部板厚可以避免对趾部进行50×50细网格评估，但可能带来潜在的疲劳问题，CSR规范强度筛选和疲劳筛选方法的逻辑描述和要求需要改进；

3）对于横舱壁水平桁的背肘板，CSR规范中设计标准中的采用固定值板厚25 mm，在现今高强度钢使用比例较高的实船，易导致应力集中和疲劳问题，建议CSR规范中的设计标准不仅要考虑几何形状和材料，还要考虑与周围结构的刚度匹配；

4）对于甲板分段扇形孔，CSR规范提供的设计标准具有合理性，实际设计中需要注意设计标准中的参数关系。