HCSR艙段模型中端部梁剖面屬性對扭轉變形的影響

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(中國船級社，北京 100007)

HCSR規范對于3艙段模型在模型端面上施加了端部約束梁，這樣做的目的是為了施加3艙段以外的船體部分對于3艙段的面外剛度影響。在扭轉情況下，端部約束梁會施加翹曲約束，在彎矩作用下，端面約束梁的面外剛度會保持端面的形狀[1-2]。

1 研究說明

端面約束梁的剖面屬性主要有剖面積A、剖面慣性矩Iyy，Izz，J。為了研究端部約束梁對于船體梁扭轉的影響，選擇現有規范中的一些扭轉工況進行計算，研究扭轉變形對于端部約束梁的剖面屬性的敏感性。

本研究選擇一條實際的CSR散貨船進行分析。除端面約束梁的剖面屬性外，其它均按照HCSR規范要求的邊界條件和載荷施加方式進行施加。選擇6個轉矩為波浪控制參數的工況進行研究，見表1。扭轉變形采用中艙的艙口對角點的距離變化(長度形變量)來衡量，4個角點的位置見圖1。變形前對角線的距離為25 285 mm。同時，還對端部約束梁所在的前端面的所有節點的X向的最大和最小位移相對于不同剖面屬性進行了比較分析。

表1 計算工況表

圖1 艙口角點示意

2 研究方法

鑒于程序操作的便利性，HCSR規范中對于端部約束梁的剖面屬性規定了剖面積A為端面剖面積的1/80，剖面慣性矩，Iyy，Izz，J均為端面上船體梁縱向構件剖面慣性矩總和的1/25。本艙段模型前后端面的剖面積分別為5 987 520 mm2和5 732 160 mm2；前后端面的慣性矩分別為6.611 18×1014mm4和6.372 75×1014mm4。

為了評估端部約束梁的剖面積和慣性矩對于扭轉變形的影響，分以下兩步進行敏感性分析。

1)固定剖面慣性矩Iyy，Izz，J均為規范規定的值，剖面積分別取0(A000)、1/240(A240)、1/160(A160)、1/120(A120)、1/80(A080)、1/53(A053)、1/40(A040)、1/20(A020)和1/10(A010)，研究剖面積對于扭轉變形的影響。

2)固定端部約束梁剖面積A為規范規定的值，同步變化端部約束梁剖面慣性矩Iyy，Izz，J，分別取0(I000)、1/10(I010)、1/20(I020)、1/25(I025)、1/37.5(I037)、1/50(I050)和1/100(I100)，用于研究端部約束梁剖面慣性矩對于扭轉變形的影響。

3 結果分析

通過端部約束梁剖面積對扭轉變形的敏感性分析，可以得到中艙艙口C1-C3對角的變形情況，見圖2。

C2-C4的對角的變形情況見圖3。

圖2 C1-C3形變量

圖3 C2-C4形變量

變化不同的慣性矩時前端面上所有節點X向位移最大值與最小值見表2。

表2 前端面節點X向位移最大值

對于固定端部約束梁剖面面積，變化端部約束梁剖面慣性矩的兩對角變形計算結果分別見圖4、5。

圖4 C1-C3形變量

變化不同的慣性矩時前端面的節點X向位移最大值與最小值見表3。

圖5 C2-C4形變量

表3 前端面節點X向位移最大值

剖面工況1最小最大工況2最小最大工況3最小最大工況4最小最大工況5最小最大工況6最小最大I010-50.71 17.91 -36.48 16.93 -19.14 69.00 -19.30 68.54 -69.68 15.58 -13.38 49.33 I020-51.63 18.07 -37.37 17.30 -19.60 69.42 -19.93 68.85 -71.20 15.23 -14.26 49.74I025-51.94 18.15 -37.66 17.48 -19.75 69.60 -20.16 68.98 -71.75 15.11 -14.62 49.86 I037-52.50 18.35 -38.14 17.92 -20.02 69.98 -20.59 69.24 -72.77 14.89 -15.36 50.06 I050-52.89 18.53 -38.44 18.30 -20.19 70.31 -20.90 69.46 -73.50 14.76 -15.94 50.17 I100-53.75 19.12 -39.01 19.45 -20.55 71.28 -21.63 70.13 -75.28 14.52 -17.48 50.36 I000-57.31 21.83 -43.35 22.91 -23.22 75.33 -27.98 70.49 -95.23 2.91 -32.90 41.43

4 結論

1)變化端部約束梁的剖面積由1/10的端面面積至幾乎為0，中艙的艙口對角變形并無顯著的變化，而且對于前端面的端部約束梁的節點位移的最大值和最小值也無顯著影響，說明扭轉變形對于端部約束梁的剖面積的改變并不敏感。

2)變化端部約束梁的慣性矩由船體梁縱向構件剖面慣性矩總和的1/10至端部約束梁的慣性矩幾乎為0，中艙的艙口對角變形是隨著其變小而逐漸變大的，端面的變形逐漸變大，說明端部約束梁的慣性矩會明顯影響到扭轉變形。這是一個明顯能起到影響扭轉變形的一個因素。

3)之所以會出現這種情況，可能是由于HCSR的邊界條件中限制了端面上各節點的Y和Z和平動位移，使其成為剛周邊，因而處于這些結構之上的端部約束梁幾乎不會發生軸向變形，因而端部約束梁的剖面積并不會對扭轉變形起太大的影響。同時這種邊界條件并沒有限制端面的X向平動位移，這就使得端面可以產生自由翹曲變形，此時再在端面上添加端面約束梁，端面約束梁的Y向和Z向的慣性矩/剛度會成為抵抗這種翹曲變形的因素，因而增加端面約束梁Y向和Z向的慣性矩的大小便會對端面的翹曲變形產生更大的抵抗，從而減小其整個船體梁的扭轉變形。

[1] IACS.Common structural rules for bulk carriers and oil tankers [S].IACS.2012.

[2] 王杰德，楊永謙.船體強度與結構設計[M].北京：國防工業出版社.1995.