HCSR艙段模型中端部梁剖面屬性對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的影響

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(中國(guó)船級(jí)社，北京 100007)

HCSR規(guī)范對(duì)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(duì)于3艙段的面外剛度影響。在扭轉(zhuǎn)情況下，端部約束梁會(huì)施加翹曲約束，在彎矩作用下，端面約束梁的面外剛度會(huì)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(duì)于船體梁扭轉(zhuǎn)的影響，選擇現(xiàn)有規(guī)范中的一些扭轉(zhuǎn)工況進(jìn)行計(jì)算，研究扭轉(zhuǎn)變形對(duì)于端部約束梁的剖面屬性的敏感性。

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

表1 計(jì)算工況表

圖1 艙口角點(diǎn)示意

2 研究方法

鑒于程序操作的便利性，HCSR規(guī)范中對(duì)于端部約束梁的剖面屬性規(guī)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(gòu)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(píng)估端部約束梁的剖面積和慣性矩對(duì)于扭轉(zhuǎn)變形的影響，分以下兩步進(jìn)行敏感性分析。

1)固定剖面慣性矩Iyy，Izz，J均為規(guī)范規(guī)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(duì)于扭轉(zhuǎn)變形的影響。

2)固定端部約束梁剖面積A為規(guī)范規(guī)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(duì)于扭轉(zhuǎn)變形的影響。

3 結(jié)果分析

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

C2-C4的對(duì)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(shí)前端面上所有節(jié)點(diǎn)X向位移最大值與最小值見表2。

表2 前端面節(jié)點(diǎn)X向位移最大值

對(duì)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(duì)角變形計(jì)算結(jié)果分別見圖4、5。

圖4 C1-C3形變量

變化不同的慣性矩時(shí)前端面的節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(jié)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(duì)角變形并無顯著的變化，而且對(duì)于前端面的端部約束梁的節(jié)點(diǎn)位移的最大值和最小值也無顯著影響，說明扭轉(zhuǎn)變形對(duì)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(gòu)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(duì)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(huì)明顯影響到扭轉(zhuǎn)變形。這是一個(gè)明顯能起到影響扭轉(zhuǎn)變形的一個(gè)因素。

3)之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，可能是由于HCSR的邊界條件中限制了端面上各節(jié)點(diǎn)的Y和Z和平動(dòng)位移，使其成為剛周邊，因而處于這些結(jié)構(gòu)之上的端部約束梁幾乎不會(huì)發(fā)生軸向變形，因而端部約束梁的剖面積并不會(huì)對(duì)扭轉(zhuǎn)變形起太大的影響。同時(shí)這種邊界條件并沒有限制端面的X向平動(dòng)位移，這就使得端面可以產(chǎn)生自由翹曲變形，此時(shí)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(huì)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(huì)對(duì)端面的翹曲變形產(chǎn)生更大的抵抗，從而減小其整個(gè)船體梁的扭轉(zhuǎn)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(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.1995.