（工程力学专业论文）某油船改造为双舷侧散货船的直接设计研究.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 船舶改造利用原有船舶，根据市场需求和设计规范要求，对船舶改装和改 型，其投资较低，施工周期短，效益明显。由于单壳油船海损事故的频繁发生， 国际海事组织制定了单壳油船淘汰计划，将未到服务年限的单壳油船改造为散 货船近年来十分常见。 有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示 复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合 求解。船体结构强度直接计算用有限元模型，分别以杆、板、壳和梁等单元来 模拟各构件的实际联系及受力状况。通过大型有限元软件分析求解，可以求出 各构件的变形与应力结果。这种方法是目前船体强度分析中较为准确、较完善 的方法。 由于船体结构本身及其环境条件的复杂性，船体结构强度直接计算方法分 为两种，舱段模型有限元分析方法和全船模型有限元分析方法。目前，世界上 各国船级社在船体结构强度直接计算中，各自形成了独特的计算方法和强度标 准，并且在实际工程中得到广泛应用，其适用性得到实际的检验。关于船体强 度直接计算，各船级社的具体规定存在着较大的差别，但其主要内容和计算过 程基本相同，主要包括有限元模型的选取和建立、边界条件的施加、确定计算 工况、载荷计算与施加、计算求解、结果分析。 本文利用大型有限元软件m s c p a t r a n 、m s c n a s t r a n 对8 00 0 0 d w t 单舷侧 油船改造为双舷侧散货船进行直接设计研究。根据实际船体结构设计图纸建立 三维有限元计算模型，对该船船体结构的屈服和屈曲强度进行了有限元直接计 算分析，为该船改造设计提供必要的依据。按照c c s 双舷侧散货船结构强度 直接计算指南( 2 0 0 4 ) 的规定计算货物压力、舷外水压力、端面弯矩；结构强 度评估时，许用应力按照c c s 双舷侧散货船结构强度直接计算指南( 2 0 0 4 ) 9 选取。利用c c s 屈曲计算插件进行屈曲强度分析。 关键词：船舶改造，有限元方法，直接计算，屈曲强度 武汉理i ：大学硕十学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt om a r k e td e m a n da n dd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s ，t h ec o n v e r s i o no f s h i p u s e st h eo l ds h i p ，a n dc o n v e r to rm o d i f yt h e s h i pt y p e a n di t sm a i na d v a n t a g e sa r e i t sr e l a t i v e l yl o wi n v e s t m e n t ，s h o r tc o n s t r u c t i o nc y c l ea n de f f i c i e n c ys i g n i f i c a n t l y t h ea c c i d e n t so fs i n g l e - h u l lt a n k e r sb e c a m es o f r e q u e n tt h a tt h ei n t e r n a t i o n a l m a r i t i m eo r g a n i z a t i o nh a dd e v e l o p e dap h a s e o u tp l a na b o u ts i n g l e h u l lt a n k e r i n r e c e n ty e a r s ，i th a sb e c o m ec o m m o nt h a tc o n v e r s et h es i n g l e h u l lt a n k e rt ob u l k c a r r i e r t h eb a s i ci d e ao ff i n i t ee l e m e n tm e t h o dd i s c r e t es t r u c t u r e , a n du s em a n yf i n i t e e l e m e n t so fb e i n ga n a l y z e de a s i l yt o e x p r e s st h ec o m p l i c a t eo b j e c t ，a n da p p l yt h e f i n i t en o d e st oi n t e r c o n n e c tb e t w e e ne l e m e n t s ，t h e nm a k ea c o m p r e h e n s i v es o l u t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n so fd e f o r m a t i o n t h ed i r e c tc a l c u l a t i o no fh u l ls t r u c t u r a l s t r e n g t hu s et h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n ds i m u l a t et h ea c t u a lc o n n e c t i o na n dl o a d i n g c a s eo ft h ev a r i o u sc o m p o n e n tr e s p e c t i v e l yb yr o d ，p l a t e ，s h e l la n db e a me l e m e n t w i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ew ec a ns o l v et h ed e f o r m a t i o na n dt h es t r e s sr e s u l t s o fv a r i o u sc o m p o n e n t s a tp r e s e n t , t h i sm e t h o di sa na c c u r a t ea n dp e r f e c tm e t h o d r a l a t i v e l yo nh u l ls t r e n g t ha n a l y s i s a st h ec o m p l e x i t yo ft h eh u l ls t r u c t u r ei t s e l fa n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s t h e d i r e c tc a l c u l a t i o no fh u l ls t r u c t u r a ls t r e n g t hi sd i v i d e di n t ot w ot y p e s ：t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so fm o d u l em o d e la n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f f u l l s h i pm o d e l a tp r e s e n t ，i nt h ed i r e c tc a l c u l a t i o no fh u l ls t r u c t u r a ls t r e n g t h ，v a r i o u sc o u n t r yh a s d e v e l o p e dau n i q u ec a l c u l a t i o nm e t h o da n ds t r e n g t hs t a n d a r d ，a n dw i d e l ya p p l i e di n t h ep r a c t i c a lw o r k s i t sa p p l i c a b i l i t yi sv e r i f i e d b yp r a c t i c a lw o r k s i nt h ed i r e c t c a l c u l a t i o no fh u l ls t r u c t u r a ls t r e n g t h ，t h e r ei sal a r g e rd i f f e r e n c ea b o u tt h ec o n c r e t e r e g u l a t i o na m o n gt h ec l a s s i f i c a t i o ns o c i e t i e s b u ti ti sr o u g h l yt h es a m ei nm a i n c o n t e n ta n dc a l c u l a t i o np r o c e s s a n di n c l u d ec h o o s i n ga n d e s t a b l i s h i n g f i n i t e e l e m e n tm o d e l ，i m p o s i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，d e f i n i t i n gl o a d i n gc a s e s ，c a l c u l a t i n g a n di m p o s i n gl o a d ，c a l c u l a t i n g ，a n da n a l y z i n gr e s u l t s i nt h i s p a p e r , w i 廿lt h el a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s c p a t r a na n d m s c n a s t r a n ，t h e r ew i l ld i r e c t l yd e s i g na n dr e s e a r c ht h eb u l kc a r r i e rc o n v e r t e df r o m u 武汉理一i ：人学硕士学位论文 8 00 0 0 d w ts i n g l e - h u l lt a n k e r s i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a ld e s i g nd r a w i n g so f b u l kc a r g oc a r r i e r , t h i sp a p e re s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f i t s h u l ls t r u c t u r e ，t o a n a l y z ey i e l ds t r e n g t h a n db u c k l i n gs t r e n g t hb yt h ed i r e c t c a l c u l a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n t ，a n dp r o v i d en e c e s s a r yf o u n d a t i o n f o rt h e d e s i g n a t i o no ft h i sc a r r i e r t h ec a r g ol o a d i n g , w a v el o a d i n g , b e n d i n gm o m e n t o fe n d f a c ea r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt og u i d e l i n e sf o rd i r e c ts t r e n g t ha n a l y s i so fd o u b l e s i d es k i nb u l kc a r r i e r s ，2 0 0 4 ( c c s ) w h i l et h ea l l o w a b l es t r e s si ns t r u c t u r es t r e n g t h e v a l u a t i o na r es e l e c t e da c c o r d i n gt og u i d e l i n e sf o 厂d i r e c ts t r e n g t ha n a l y s i so f d o u b l es i d es k i nb u l kc a r r i e r s ，2 0 0 4 ( c c s ) a n dt h i sp a p e ra n a l y z e st h eb u c k l i n g s t r e n g t ho f t h eb u l kc a r r i e rb yc c sb u c k l i n gc a l c u l a t i o np l u g i n s k e yw o r d s ：t h ec o n v e r s i o no fs h i p ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，d i r e c tc a l c u l a t i o n ， b u c k l i n gs t r e n g t h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 导的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 艾中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 又理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我二 【作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 平表示了谢意。 签名：避翌垦日期：_ 兰1 2 ：! 兰：! 兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 凌有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 绰论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 郸内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 受保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 叽构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 筹。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 胜( 签鼽、- 中娥导师( 签鼽粉嘏期岬，三、乒 武汉理丁人学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 1 油船 第1 章绪论 油船是指散装运输各种油类的船。油船除了运输原油外，还装运石油的成 品油，各种动植物油，液态的天然气和石油气等。但是，通常所说的油船是指 运输原油的船。油船有下列一些主要特征n 吨1 ： ( 1 ) 油船的载重量大。由于全球石油货源相对比较充足，货物装卸速度快， 所以油船可以根据航运要求建造得很大。根据油船航行范围的不同，其载重量 的划分也有所不同。在近海航行的油船载重量较小，通常约为3 万d w t ，而远 洋航行的油船载重量则相对较大，约为2 0 万d w t ，有的甚至可以达到5 5 万d w t 以上。一般来说，油船的载重量越大，运输成本越低，但是太大的油船对航道 和港口的吃水的要求较高，容易受到限制。 ( 2 ) 油船的船型较肥，这主要是考虑到船舶造价、空船压载吃水要求及总 纵强度等方面的原因。为了减小自由液面的影响及液体的摇荡，油船常设置有 纵向连续舱壁，这也可以起到加强船体纵向强度的作用。 ( 3 ) 油船设置隔离空舱、干货舱、压载舱等舱。油船在货油舱的后端设置 隔离舱将机炉舱、居住舱室等与货油舱隔开，有利于防止油类渗漏和对危险易 燃货物的防火防爆；由于尾机型船舶满载时尾部轻，发生重心前移，为了调整 纵倾，许多油船在首尖舱之后设置一个干货舱，舱内可以装载一点零星干货。 由于油船船型较肥，在其空载时，需设置压载舱来装载大量的压载水，有的甚 至将货油舱装压载水以保证油船必要的吃水和稳性。 油船按其货舱的结构特点可分为单舷侧油船和双舷侧油船口1 。 单舷侧油船又可分为单底单舷侧油船和双底单舷侧油船。单底单舷侧油船 的油舱不设双层底，仅在机舱部位设有双层底和部分平台甲板。这种结构有利 于油船舱内货油的自然散热，也可避免油气在双层底内积聚而发生危险。与单 底单舷侧油船相比，双底单舷侧油船结构更安全，但其舱容比单底单舷侧油船 稍小，建造成本也有所增加。 武汉理l 人学硕士学位论文 双舷侧油船在其货舱区域内，其舱底和舷侧均为双层结构，这可以较有效 地防止或减少油船发生海损事故时对海洋的污染。由于双壳油船舱内无骨架， 故其建造工艺较为简单且洗舱比较方便。但是，双壳油船相比单壳油船，船体 重量增加，舱容减小，造价提高，对船舶的完整稳性、破舱稳性及船舶净载重 量均有不利影响，而且双层底内油气积聚的危险必须有相应的安全措施加以解 决。 以前的油船都是单甲板、单底结构。近年来，全球油船海损事故屡屡发生 n 1 。如1 9 8 9 年“埃克森瓦尔迪兹”号超级油船在美国阿拉斯加海域发生触礁， 大量原油泄漏，约有13 0 0 k m 2 海面被严重污染，并造成成千上万的海洋生物死 亡。由此，在1 9 9 2 年国际海事组织召丌会议，规定新建油船必须为双壳结构， 并制定了单壳油船淘汰时间表。1 9 9 9 年“埃丽卡 油船在法国比斯开湾水域发 生沉没事故，约1 00 0 0 t 重燃油溢出，使法国海岸的环境遭到严重污染，造成 了巨大的经济损失，令法国政府异常愤怒；2 0 0 2 年“威望”号油轮在西班牙海 域发生沉没事故，7 70 0 0 t 燃料油泄漏，造成欧洲有史以来最严重的海洋污染 事件。该2 艘单壳油船的污染事故引发国际海事组织于2 0 0 1 年、2 0 0 3 年先后 2 次召开紧急大会，对油船相关条款做出修改，加快单壳油船淘汰计划，对载 运重缴单壳油船的淘汰时间作出更严格的规定隋3 ：未按照m a r p o l 7 3 7 8 建造 运输原油、燃油、重柴油或润滑油的2 00 0 0 d w t 及以上油船和运输其他油品3 0 0 0 0 d w t 及以上的油船，淘汰时间为2 0 0 5 年；按照m a r p o l 7 3 7 8 建造的运输 原油、燃油、重柴油或润滑油的2 00 0 0 d w t 及以上油船和运输其他油品3 00 0 0 d w t 及以上的油船，淘汰时间最迟为2 0 1 0 年；50 0 0 d w t 及以上但低于2 00 0 0 d w t 的油船，淘汰时间最迟为2 0 1 0 年。 为了防止和减少油轮发生海损事故造成的污染，国际海事组织已经要求大 型油轮必须设置双层底或双层船壳。现在新造的大型油轮均是双壳结构，大大 减少了大型油轮的油污染事故。 1 1 2 散货船 散货船主要用来运输谷物、煤、矿砂、盐、水泥等大宗干散货物。这些货 物不需要包装成捆、成包、成箱，装载运输非常方便。但是，由于谷物、煤和 矿砂等货物的密度相差较大，每吨货物所占的体积相差也较大，所要求的货舱 容积大小及船体的结构、布置和设备等许多方面也有较大的差距。因此，通常 2 武汉理工大学硕二e 学位论文 仅把装载谷物、煤等货物密度相近的船舶称为散货船，而把装载矿砂等货物的 船舶称为矿砂船。 散货船的分类方法大概有2 种： 1 ) 按载重量分 这是一种造船界最常用的分类方法。散货船按载重量大小可分为五种代表 船型，即小灵便散货船( 2 万3 5 万d w t ) 、大灵便型散货船( 3 5 万5 万d w t ) 、 巴拿马型散货船( 62 - 8 万d w t ) 、好望角型散货船( 1 0 1 8 万d w t ) 和超大型 散货船( 2 0 万d w t 以上) 。 2 ) 按所载货物比重分 2 0 0 2 年，国际船级社联合会( i a c s ) 为适应船东的要求，按所载货物比重 将散货船分为三类：( 1 ) b c - a 类：为运输比重l t m 3 以上的干散货( 如铁矿石) 而设计的能隔舱装运的散货船；( 2 ) b c b 类：为运输比重l t m 3 以上的干散货( 如 煤炭) 且只能在所有货舱积载而设计的散货船；( 3 ) b c c 类：为运输比重l t m 3 以下的干散货( 如谷物) 而设计的散货船。i a c s 将要求新造散货船都附注符号， 全世界约七成左右的散货船属于b c a 类。 散货船作为三大常规船舶之一，是一种常见的货运船舶，它主要用于运输 干散货，如铁矿石、煤、谷物、矾土，另外还有简装石油、焦炭、钢材、矿石、 水泥、糖、盐、化肥、硫磺等质量比较集中的货物。散货船一般运输均质的货 物，并且可以直接将货物装载在货舱内，而不需要任何中间形式包装，装卸均 非常方便。散货船的货物范围很广，货源非常充足，且运输成本较低，因此世 界贸易中主要的散货都通过散货船进行运输。 2 0 世纪8 0 年代中期以后，由于船体设计、防腐不力、维修不及时等方面的 原因，散货船的沉船事故n 删逐渐增多。1 9 8 6 年因船体破损而导致沉没的散货船 有5 艘，1 9 8 7 年因船体损伤而沉没或失踪的散货船有7 艘，而1 9 9 0 年和1 9 9 1 年由于船体破损或船体损伤而沉没的散货船分别达到1 2 艘和1 3 艘，呈现出越 演越烈的趋势。随着散货船沉船事故发生的频率增加，散货船的安全阻3 问题开始 受到人们的高度关注。双舷侧结构为目前广泛使用的散货船结构型式，其主要 结构特点有：船型肥大，均为尾机型船，一般设有艏楼和艉甲板室，船中部无 桥楼和甲板室，有利于货舱和起货设备的布置。散货船舷侧的上下角处设有顶 边舱和底边舱，由于船舶在航行中散装货物会下沉和横向移动，会对船舶的横 倾和稳性产生不利的影响，设置顶边舱可以减少货物的横向移动；设置底边舱 可使舱底货物能自然地流向舱中心部位，卸货非常方便。而在散货船空载时， 3 武汉理一 人学硕士学位论文 可将上下边舱和双层底舱作为压载舱，以增加船舶的吃水，降低空船重心高度。 散货船一般都是单向运输一种货物，其船型又肥大，空载时双层底舱和上 下边舱全部装满压载水，还达不到吃水要求。因此，往往需要另外用l 2 个货 舱作为压载舱。由于利用货舱装压载水，需要对两端水密横舱壁结构进行加强。 双舷侧散货船具有良好的安全、经济和运营优势：( 1 ) 双舷侧使船具有两 道防线，因此可减d , # l - 界对舷侧结构的冲击损伤，还可以减小船体结构疲劳损 伤；( 2 ) 双壳舱壁的刚度更好，能更好地防止货舱进水和各种形式的破坏；( 3 ) 散货船的货种单一，不怕挤压，便于装卸，有利于提高了货物装卸效率，减少 了船舶在港时间，使散货船的营运和维护费用大大降低；由于增加了内壳，双 壳体散货船相比普通单壳体船，船体结构重量和建造成本有所增加，装载量也 有所减少，但双舷侧散货船良好的安全、经济和运营优势越来越得到航运界的 认同，散货船的双壳化、大型化也是大势所趋。 1 1 3 向合冉白改造 由于国际海事组织单壳油船淘汰计划的出台，淘汰单壳油船己势在必行。 对于未到服役年限的单壳油船，对旧船进行船体结构改造或实行船种转换，这 可以节省能源，减少自然资源的浪费；相比新建船舶，旧船改造能缩短建造周 期，节省建造时间，能更快地投入使用，产生更大的收益。船舶改造n 是利用 原有船舶，根据市场需求和设计规范要求，对船舶改装和改型，因投资较低， 施工周期短，经济效益明显，能迎合船东对市场竞争的迫切需求。船舶改造的 内容主要有：扩大运营能力，节约燃油料，改变船舶用途，改善劳动条件，保 护环境，防止污染等。 ( 1 ) 扩大船舶运营能力：如增加船长或增大船舶型深以提高船舶装载量； 对装卸设备及时进行更新，可以有效地提高船舶的装卸效率；对主机进行更换， 以增大功率和提高航速，使之满足市场的发展需求；改货舱为客舱，或改客舱 为货舱；为了提高客位而扩大上层建筑规模等。 ( 2 ) 节约船舶燃润料：如调整主机以减少油耗；废热利用，提高整个动力 装置的热效率；加装燃油混合装置，采用廉价劣质燃料；加装水动力附加装置； 修改螺旋桨以及其他节能装置，如新型自抛光船壳漆，磨光船体表面横向焊缝 等。 ( 3 ) 改变船舶用途：对船队结构进行调整，如普通客船改造成豪华型旅游 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 客船，将散货船改造成散货自卸船，将杂货船改造成集装箱船，将原油船改造 成集装箱船等，以适应航运市场对船舶的需求，并创造更好的效益。 ( 4 ) 保护环境，防止污染：将单壳体原油船改造成双壳体，使船体结构具 有更高的安全稳定性；对原油船加装蒸发回收装置等。 由于船舶改造是利用原有船舶对其进行旧船结构改造或实行船种转换，因 此在利用l h 船材料实现物尽其用的基础上，还必须考虑船体腐蚀n 卜1 2 1 对船体结构 强度的影响。根据腐蚀起因和机理的不同，金属腐蚀可分为不同类型，其中最 常见的是均匀腐蚀和点腐蚀。船舶结构的外部工作环境极为复杂，随着地域、 气候和水深的不同，海水的物理和化学特性也各不相同对船舶结构所造成的腐 蚀影响也有所差别。船体内部各舱船体板与骨材由于所处具体位置不同，其腐 蚀环境也是不尽相同的。在外部工作环境对金属的腐蚀作用下，船体各金属构 件的有效尺寸逐年减小，其承受载荷的能力也在相应地减小，因此在进行船舶 改造设计时考虑船体各金属构件的腐蚀厚度就显得尤为重要。 散货船自2 0 世纪5 0 年代中期出现以来，总体上保持着强劲的增长势头， 对航运业的发展起着至关重要的作用。在国际航运业中，约有3 0 以上的货物运 输属于散货运输。由于散货船货运量大、货源比较充足、航线相对固定、装卸 效率高、市场多样化等多种有利因素，近年来散货船的市场需求很高，船舶订 单也较多，已成为运输船舶的主力军。随着世界经济的发展，散货船运输仍将 保持较高的增长势头，鉴于此，将单壳油船改造为散货船是一种很好的选择。 1 2 课题相关研究的现状 1 2 1 有限元方法 有限元方法的基本思想是将结构离散化，将复杂的对象用有限个容易分析 的单元来表示，通过有限个节点来连接各个单元，然后根据变形协调条件综合 求解。由于结构的单元数目是有限的，节点数目也是有限的，所以称为有限元 方法( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 1 3 】。有限元方法是目前最重要的工程分析技 术之一。 有限元方法基本思想的提出，通常认为始于2 0 世纪4 0 年代。利用经典结 构力学位移法求解刚架内力，是将刚架看成是由有限个在结点处连接的杆件单 元组成，先研究每个杆件单元，最后将其组合进行综合分析。这种先离散、后 5 武汉理工人学硕士学位论文 整合的方法便是有限元方法的基本思想。 1 9 4 1 年，雷尼柯夫( h r e n i k o f o ) 首次提出用框架方法求解力学问题，但这种 方法有很大的局限性，只能用杆系结构来构造离散模型。1 9 4 3 年，柯兰特( c o u r a n t ) 发表了一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题的论文，在一个划分 的三角形单元集合体的每个单元上，假设挠曲函数为简单的线性函数，这是第 一次用有限元方法处理连续体问题。 2 0 世纪5 0 年袋，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的 要求，这就需要更精确的设计和计算。1 9 5 5 年，德国斯图加特大学的j h a r g y r i s 教授发表了一组能量原理与矩阵分析的论文，奠定了有限元方法的理论基础。 1 9 5 6 年特纳( t u m e r ) 、克拉夫( c l o u g h ) 、马丁( m a r t i n ) 和托普( t o p ) 等将刚架分析中 的位移法扩展到弹性力学平面问题，并用于飞机的结构分析和设计，系统研究 了离散杆、梁、三角形的单元刚度表达式，并求得了平面应力问题的正确解答。 他们的研究工作，开始了利用电子计算机求解复杂弹性力学问题的新阶段。 1 9 6 0 年，在处理剖面弹性问题时，克拉夫( c l o u g h ) 第一次提出和使用“有限 元方法”的名称，这个方法的特性和功效才被人们进一步认识到。此后，大量 学者、专家开始使用这一离散方法来处理结构分析、流体分析、热传导及电磁 学等复杂问题。1 9 6 3 1 9 6 4 年，贝塞林( b e s s e l i n g ) 、卞学磺( t h p i a n ) 等人的研 究工作表明，有限元方法实际上是弹性力学变分原理中r a y l e i g h r i t z 的一种形 式，从而为有限元方法在理论上奠定了数学基础。与变分原理相比，有限元方 法更为灵活、适应性更强、计算精度更高。这一成果也大大促进了变分原理的 研究和发展，先后出现了一系列基于变分原理的新型有限元模型，如杂交元、 非协调元、广义协调元等。 2 0 世纪7 0 年代后，随着计算机技术和软件技术的发展，有限元方法进入了 发展的高速期，并且开始被广泛应用于各种工程技术领域。在这一时期，人们 对有限元方法进行了深入研究。涉及的内容包括数学和力学领域所依据的理论、 单元划分的原则、形函数的选取、数值计算方法及误差分析、收敛性和稳定性 研究、计算机软件开发、非线性问题、大变形问题等。1 9 7 2 年，j t i n s l e y o d e n 【l 钏 出版了第一本处理非线性连续体的专著。1 9 7 6 年，o c z i e n k i e w i c z 1 5 出版了第 一本关于有限元分析的专著。在有限元方法发展过程中，我国科技工作者也做 出过杰出贡献，并得到了国际学术界的认可，如胡昌海提出了广义变分原理、 钱伟长最先研究了拉格朗日算子与广义变分原理之间的关系、冯康研究了有限 元方法的精度和收敛性问题、钱令希研究了余能原理等。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 随着有限元方法不断发展和完善，目前已成为一门成熟的学科，其应用范 围已扩展到其他研究领域，成为科技工作者解决实际问题的有力工具。 用有限元进行分析时，首先将被分析的复杂对象离散成为许多容易分析的 小单元，其次根据实际情况给定边界条件、施加载荷、赋予材料特性和选择相 应工况，求解线性或非线性方程组，最后在计算机上，使用图形技术显示位移、 应力、应变、内力等计算结果。由于有限元程序的分析功能非常全面，几乎覆 盖了所有的工程领域，其程序使用也非常方便，这使得有限元程序得以迅速推 广使用。 利用有限元方法直接计算船体结构强度的主要优点如下： ( 1 ) 能用不同的单元划分任意几何形状的结构，节点可任意配置，边界适 应性良好。 ( 2 ) 适应性强，应用范围广泛，可灵活地考虑许多复杂的工况和边界条件。 ( 3 ) 由于单元方程是单个地建立的，因此可以模拟由几种不同材料构成的 物体。 ( 4 ) 可以处理数量不受限制的、各种类型的边界条件。 ( 5 ) 可以随意变化单元的尺寸大小，必要时可使用小单元。 ( 6 ) 可以比较容易对有限元模型进行修改，且花费不大。 ( 7 ) 可处理大变形和非线性材料带来的非线性问题。 随着有限元方法和计算机的飞速发展，有限元软件也随之诞生。有限元方 法是与工程应用密切结合，直接为结构工程设计服务的，因此，通过有限元软 件，有限元方法可转化为直接推动社会发展和科技进步的生产力，产生了巨大 的社会和经济效益。由于有限元软件功能强、格式规范、输入方法简单、用户 使用方便、计算结果可靠和效率高等优点，已经成为c a d c a m 不可分割的一 部分，并逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。 目前，有限元方法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领 域都发挥着重要作用。而在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分 析软件主要有：m s c n a s t r a n 、a n s y s 、m a r c 、a b a q u s 、a d i n a 等。 1 2 2 强度直接计算 船舶是航行于江河湖海的水上工程建筑物，具有良好的航行性能、工作性 能。为了保证船舶在正常的使用过程和一定的使用年限中能正常地工作，这就 7 武汉理上大学硕十学位论文 要求船舶必须具有一定的强度。 船体强度f 1 6 j7 】是指船体结构抵抗各种外力作用的能力。结构能承受在正常 施工和正常使用时可能出现的各种载荷和( 或) 载荷效应的情况下，并在偶然事件 发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性和足够的耐久性，通常我们认为 结构是安全的。 船体的空间结构复杂，其受力也相当复杂，通过长期的生产实践，人们分 析了船体结构的受力和变形特征，认为船体强度问题可分为总强度和局部强度 来研究。总强度是将船体当作一根变截面空心薄壁梁来研究时，船体梁静置于 静水中或波浪上，从整体上研究其变形规律及抵抗破坏的能力的问题。由于船 体主要是纵弯曲变形，所以总强度也称作总纵强度。而局部强度问题是研究船 体各部分结构( 船底板架、甲板板架等) 及其组成构件( 如船底板架中的纵骨、 纵桁等) 因局部荷重和船体梁应力而发生变形或受到破坏的问题。 在一般情况下，船体强度计算应包括下述内容： 1 ) 外力问题，即确定作用在船体或各个结构上的荷载大小和及性质。 2 ) 内力问题：即确定船体结构的应力与变形。 3 ) 许用应力问题：即确定合适的强度标准，并检验强度条件。 长期以来，结构的安全性衡准普遍采用许用应力法。该法根据作用于船体 结构上的外力( 包括主动力和约束反力) ，按照一定的计算方法和程序，确定出船 体结构中危险截面处的应力值，然后将此应力值与许用应力 o 】相比较。利用条 件o 【川来检验结构强度是否足够。该法的特点是将计算中的有关参数都取为一 确定值。 但实际上，在船体强度计算中很多因素都是不确定的。首先，作用于船体 的载荷具有很大的变动性和随机性，特别是波浪引起的载荷；其次，构材料性 能，如屈服极限、疲劳极限的不确定性；此外，如建造质量( 它对结构强度的影 响特别大) ，分析计算中的简化、假设、近似等。因此，结构安全性是属于概率 性的，在结构强度计算中，只有运用概率方法才能充分揭示作用在船体结构上 的随机外力的真相和结构材料在随机载荷作用下的破坏机理。 由于船体结构本身及其环境条件的复杂性，在船舶工程中概率方法的应用 仍处于初步阶段。目前，在船舶建造规范中，对常规船舶，波浪载荷仍以传统 形式表达，但应用了随机性波谱理论以一定概率水平预报；而对于超过规范规 定的范围的船舶，则明确规定了一种半概率的“直接计算法作为补充，即对 于波浪载荷运用概率法进行长期预报，但对船体结构的承载能力仍沿用许用应 8 武汉理工大学硕七学位论文 力的确定方法。 船体结构有限元计算方法【1 8 ”】分为两种，舱段模型有限元分析方法和全船 模型有限元分析方法。目前，世界上各国船级社在船体结构强度直接计算中， 各自形成了独特的计算方法和强度标准，并且在实际工程中得到广泛应用，其 适用性得到实际的检验。关于船体强度直接计算，各船级社的具体规定存在着 较大的差别，但其主要内容和计算过程基本相同，主要包括有限元模型的选取 和建立、边界条件的施加、确定计算工况、载荷计算与施加、计算求解、结果 分析。 在船舶强度直接计算中，由于有限元模型范围、载荷计算原理、边界条件 处理方法的差异，所得到的计算结果也各不相同，而且所需要校核的应力成分 及强度标准也有差异。例如，c s r 在校核船体构件的屈服强度时，屈服强度许 用应力值统一采用2 3 5 k ( k 为材料系数) 【2 0 1 。而c c s 双舷侧散货船结构强度直 接计算分析指南( 2 0 0 4 ) 的屈服强度标准，则需根据构件的分类选取；由于船 体构件所处的具体位置的不同，其分类也有所区别，其许用用力值在2 3 5 k 、 2 2 0 k 、1 9 5 k 、1 7 5 k 等值中选取【2 。 在运用有限元法对船体结构强度直接计算中，国内各科研机构中的科研人 员对各种类型的船舶做了大量的研究工作。1 9 7 9 年，陈浩然【2 2 】的“j i g f e x ”程序 在船舶强度分析中的应用，具体介绍在使用“j i g f e x ”程序过程中必须注意的问 题，例如船体结构在波浪载荷作用下各构件的受力特性，船体结构模型化及输 出数据处理等问题，为我国有限元软件在船舶领域的研制和应用创造了良好的 开端。 1 9 8 0 年，朱胜昌、孙兆康【2 3 】的快艇舱段有限元强度计算，讨论了计及剪切 影响的变刚度空间梁元的计算方法，通过线性方程组的分段求解生成空间梁超 单元，对艇体舱段分析模型进行结构离散化，并通过有限元离散模型与实艇试 验结果进行比较，结果表明有限元强度方法比目前设计室常用计算方法更合理。 二十世纪8 0 年代中期c h e n ，k u t t 等【2 4 】的船体结构极限承载能力分析的有 限元方法，船体结构采用板单元、梁单元模拟，在考虑了材料和几何非线性等 因素影响的情况下，进行船体结构总纵极限强度计算，并通过有限元分析对两 艘货船进行比较，研究了船体极限强度由屈服应力、板厚、初始缺陷所产生的 影响。 刘晓明、周承先【2 5 】的5 8 0 0 0 t 浮式生产储油船有限元分析，介绍了油船的三 维结构有限元建模，边界条件选取，外荷载计算，有限元模型生成和不同荷载 9 武汉理t 大学硕士学位论文 工况分析计算。在油船的三维有限元分析中，应用了三维交互图象的前处理程 序生成有限元模型、检查模型，后处理程序处理有限元计算结果，使得有限元 分析全部计算机化，计算周期大为缩短，并可以很好应用于大型复杂船舶结构 的分析计算中。 张晓君【2 6 】的基于n a s t r a n 的船舶局部强度有限元分析，介绍了有限元分析的 基本思路，应用p a t r a n 、n a s t r a n 程序对艏楼甲板锚机固定座的结构强度进行有 限元分析，并参照c c s 船级社推荐建议和$ 2 7 要求对荷载进行校核。应用三维 有限元方法进行该类型的强度校核，载荷分布更加均匀，分析结构更为精确直 观，并可以根据情况进行进一步分析或处理。 刘俊等【2 7 】的运用n a s t r a n 进行波浪载荷作用下船体强度分析，介绍了船 舶惯性平衡力的计算方法，运用m s c 公司的p a t r a n 和n a s t r a n 软件对波 浪荷载作用下的船体强度进行分析计算。在p a t r a n 中建立整船有限元模型、计 算惯性平衡力、施加荷载，结合自编程序实现波浪载倚作用下的全船准静态强 度分析。计算结果表明该方法可以实现惯性力的计算和施加，对于利用 n a s t r a n 软件进行其他变化惯性力荷载作用下的结构分析，也有借鉴意义。 张少雄、曾竞龙、杨永谢2 8 】的某潜艇耐压壳结构强度和屈曲有限元分析， 应用n a s t r a n 对某观光潜艇耐压壳结构强度以及受压后的弹性屈曲强度进行 有限元分析计算，并对潜艇耐压壳体壳板、肋骨、窗座以及观察窗有机玻璃的 强度结果进行校核，结果表明潜艇的强度、稳定性及窗座刚度满足要求。 王建勋，丁勇裂2 9 】的3 20 0 0 d w t 散货船货舱段结构强度分析，根据中国船级 社双舷侧散货船结构强度直接计算指南( 2 0 0 4 ) 的要求，利用p a t r a n 、n a s t r a n 软件分析了3 20 0 0 d w t 散货船货舱段强度，分别对满载出港、压载出港、均质 货三种工况进行了有限元强度计算，计算结果表明在实际装载中对满载出港、 均质货两种工况应予以重视。 朱胜昌等【3 0 】的船舶强度直接计算中的有限元分析模块和在整船分析中的应 用，讨论了整船惯性平衡处理的方法及其在船舶强度分析中的应用，并介绍了 船舶直接计算中基于w i n d o w s 9 5 平台使用的有限元计算模块、有限元图形显 示模块、模型消隐显示模块、有限元应力显示模块等。该模块图形处理方便灵 活，是船舶结构直接计算中有限元分析的有力工具。另外整船分析时惯性平衡 力的计算方法也得到了成功的应用。 陈庆强、江南、朱胜昌等【3 1 】的3 00 0 0 吨多用途船船体舱段强度的有限元计 算分析，对3 00 0 0 吨多用途船船体舱段强度进行了有限元直接计算分析。按照 l o 武汉理工大学硕十学位论文 g l 规范直接计算的要求，舱段载荷除了需要考虑水压力载荷、货物载荷和自重 等舱段局部载荷外，还需要考虑总强度的影响作用。经过满载工况、压载工况 和起重机作业工况的计算表明，该船强度满足g l 规范直接计算要求。 陈庆强、朱胜昌【3 2 】的船体结构强度直接计算中的外载荷节点化方法，通过 坐标转换和线性分布载荷积分的方法，将船体外表面所受的荷载转化为等效节 点力，进行船体结构强度直接计算。 张少雄、杨永谦【3 3 】的船体结构强度直接计算中惯性释放的应用，主要介绍 了惯性释放的功能和原理，并通过实船计算论证了在船舶结构强度直接计算分 析时，应用惯性释放功能是可行的。利用惯性释放功能，消除了约束点的反力 对变形和应力状态的影响，有利于得到更为合理的、符合实际的应力状态，使 计算结构更为真实可靠。 张少雄、陈南华、张伟【3 4 】的80 0 0 t 级江海直达驳船的全船结构强度直接计 算，对80 0 0 t 级江海直达驳船建立全船结构有限元模型，考虑满载和压载两种 载况，并对模型施加荷载，采用惯性释放功能，全船结构强度直接计算中调整 外力平衡的问题可得到合理地解决，船舶强度分析计算的结果也更加合理。 张少雄、李雪良、陈有刊”】的船舶结构强度直接计算中板单元应力的取法， 陈有芳，徐立【3 6 】的船舶结构强度直接计算分析中应力的选取，介绍了在船舶结 构强度直接计算中节点和板单元中面应力和表面应力的差别，中面应力对于模 型粗细网格所得的结果相差不大，而表面应力则较为敏感。因此，采用形心处 的中面应力作为工作应力是比较合理的。 王绍鸿、宋竞正【3 7 】的大型油船结构的直接计算法的研究，介绍了“大型油 船结构尺寸直接计算法”，该法能通过过恰当的数学方法对船舶结构进行优化计 算，具有较强的适用性，可适用于船体各种结构型式。通过对国外己设计出的