HCSR舱段模型中端部梁剖面属性对扭转变形的影响

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(中国船级社，北京 100007)

HCSR规范对于3舱段模型在模型端面上施加了端部约束梁，这样做的目的是为了施加3舱段以外的船体部分对于3舱段的面外刚度影响。在扭转情况下，端部约束梁会施加翘曲约束，在弯矩作用下，端面约束梁的面外刚度会保持端面的形状[1-2]。

1 研究说明

端面约束梁的剖面属性主要有剖面积A、剖面惯性矩Iyy，Izz，J。为了研究端部约束梁对于船体梁扭转的影响，选择现有规范中的一些扭转工况进行计算，研究扭转变形对于端部约束梁的剖面属性的敏感性。

本研究选择一条实际的CSR散货船进行分析。除端面约束梁的剖面属性外，其它均按照HCSR规范要求的边界条件和载荷施加方式进行施加。选择6个转矩为波浪控制参数的工况进行研究，见表1。扭转变形采用中舱的舱口对角点的距离变化(长度形变量)来衡量，4个角点的位置见图1。变形前对角线的距离为25 285 mm。同时，还对端部约束梁所在的前端面的所有节点的X向的最大和最小位移相对于不同剖面属性进行了比较分析。

表1 计算工况表

图1 舱口角点示意

2 研究方法

鉴于程序操作的便利性，HCSR规范中对于端部约束梁的剖面属性规定了剖面积A为端面剖面积的1/80，剖面惯性矩，Iyy，Izz，J均为端面上船体梁纵向构件剖面惯性矩总和的1/25。本舱段模型前后端面的剖面积分别为5 987 520 mm2和5 732 160 mm2；前后端面的惯性矩分别为6.611 18×1014mm4和6.372 75×1014mm4。

为了评估端部约束梁的剖面积和惯性矩对于扭转变形的影响，分以下两步进行敏感性分析。

1)固定剖面惯性矩Iyy，Izz，J均为规范规定的值，剖面积分别取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)，研究剖面积对于扭转变形的影响。

2)固定端部约束梁剖面积A为规范规定的值，同步变化端部约束梁剖面惯性矩Iyy，Izz，J，分别取0(I000)、1/10(I010)、1/20(I020)、1/25(I025)、1/37.5(I037)、1/50(I050)和1/100(I100)，用于研究端部约束梁剖面惯性矩对于扭转变形的影响。

3 结果分析

通过端部约束梁剖面积对扭转变形的敏感性分析，可以得到中舱舱口C1-C3对角的变形情况，见图2。

C2-C4的对角的变形情况见图3。

图2 C1-C3形变量

图3 C2-C4形变量

变化不同的惯性矩时前端面上所有节点X向位移最大值与最小值见表2。

表2 前端面节点X向位移最大值

对于固定端部约束梁剖面面积，变化端部约束梁剖面惯性矩的两对角变形计算结果分别见图4、5。

图4 C1-C3形变量

变化不同的惯性矩时前端面的节点X向位移最大值与最小值见表3。

图5 C2-C4形变量

表3 前端面节点X向位移最大值

剖面工况1最小最大工况2最小最大工况3最小最大工况4最小最大工况5最小最大工况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 结论

1)变化端部约束梁的剖面积由1/10的端面面积至几乎为0，中舱的舱口对角变形并无显著的变化，而且对于前端面的端部约束梁的节点位移的最大值和最小值也无显著影响，说明扭转变形对于端部约束梁的剖面积的改变并不敏感。

2)变化端部约束梁的惯性矩由船体梁纵向构件剖面惯性矩总和的1/10至端部约束梁的惯性矩几乎为0，中舱的舱口对角变形是随着其变小而逐渐变大的，端面的变形逐渐变大，说明端部约束梁的惯性矩会明显影响到扭转变形。这是一个明显能起到影响扭转变形的一个因素。

3)之所以会出现这种情况，可能是由于HCSR的边界条件中限制了端面上各节点的Y和Z和平动位移，使其成为刚周边，因而处于这些结构之上的端部约束梁几乎不会发生轴向变形，因而端部约束梁的剖面积并不会对扭转变形起太大的影响。同时这种边界条件并没有限制端面的X向平动位移，这就使得端面可以产生自由翘曲变形，此时再在端面上添加端面约束梁，端面约束梁的Y向和Z向的惯性矩/刚度会成为抵抗这种翘曲变形的因素，因而增加端面约束梁Y向和Z向的惯性矩的大小便会对端面的翘曲变形产生更大的抵抗，从而减小其整个船体梁的扭转变形。

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

[2] 王杰德，杨永谦.船体强度与结构设计[M].北京：国防工业出版社.1995.