（工程力学专业论文）船体结构强度直接计算方法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 船体结构有限元计算方法分为两种，舱段模型有限元分析方法和全船模型 有限元分析方法。 舱段模型有限元分析方法和全船模型有限元分析方法在评估船体结构强度 方面，针对不同的问题各有其优点及不足之处。全船有限元分析法建模工作量 大，但是各种载况和波浪条件下的载荷以及边界条件模拟的更加真实，所以结 果较为真实，舱段有限元法建模工作量小很多，但是边界条件很难做到很好的 模拟，因此结果相对来说不够精确，如何选择模型要根据实际情况，以便达到 安全可靠并且高效的目的。 本文以一艘9 8 0m ( 8 0 0 0t 级) 江海直达驳船为例来研究全船模型和舱段 模型在评估局部结构强度的异同，并找到一个较为合理评估局部强度的舱段范 围，以此作为评估局部强度的直接计算方法。本文采用的软件为大型有限元计 算软件m s c p a r r a n 、m s c n a s t r a n ( 版本2 0 0 1 r 3 ) 。 本文大致分两个部分，第一部分是用全船有限元分析法计算例船结构强度， 包括全船模型的建立、边界条件的施加、载荷的计算以及工况的选择，并对全 船的主要计算结果进行分析。 第二部分是用四种不同的舱段模型来对例船的尾部结构进行计算。并把四 种计算的结果与全船的结果进行分析比较，最终找出一个合适的能合理评估例 船尾部结构强度的舱段模型。 计算表明，尾部+ 1 2 个货舱的舱段模型相对比较合理。 关键词：有限元分析，全船，舱段，强度 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r et w om e t h o d so f t h ef e ao f s h i ps t r u c t u r e t h ep a r t - c a b i nf e aa n dt h e w h o l es h i ps t r u c t u r ef e a a c c o r d i n gt od i f f e r e n ti s s u e s e a c ho ft h et w o m e t h o d sh a si t so w na d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fe v a l u a t i n gt h es h i ps 仇l c t u r es t r e n g t h t h ew h o l es h i ps 蜘l c t l l r c f e am e t h o di n v o l v e sm a n yf a c t o r sa n dal a r g ea m o u n to fw o r ko fm a l d n gm o d e l ， b u tt h el o a dc a s e s ，t h ew a v el o a d sa n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ee a s yt os i m u l a t e ， a n dt h e ya r et r u e r s o t h er e s u l t so ft h i sm e t h o da r cm o r ea c c u r a t e 1 1 1 ep m - c a b i n f e am e t h o di se a s yt oi i l f l k em o d e l b u ti t sd i f f i c u l tt os i m u l a t et h e1 0 a dc a s e s ，t h e w a v el o a d sa n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h u s ，t h er e s u l t so ft h i sm e t h o da r e i m p r e c i s e w ec a nc h o o s et h em e t h o da c c o r d i n gt ot h ea e r i a ls i t u a t i o n , a n da c h i e v e t h es a f e r e l i a b l ea n de f f i c i e n tp u r p o s e 皿1 i st h e s i st a k e sa9 8 m ( 8 0 ( ) o t ) r i v e r - t o s e ab a r g ea sa l le x a m p l et oh a v ea r e s e a r c ho nt h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so fe v a l u a t i n gt h es h i ps t n l c t u r el o c a l s t r e n g t hb y t h et w om e t h o d s ，a n df i n dap a r t - c a b i nw h i c hg a l lr e a s o n a b l ee v a l u a t et h e s h i ps t r u c t u r el o c a ls t r e n g t h t h e n , m a k et h i sm e t h o da saw a y t oe v a l t ct h es h i p s m l c t u r cl o c a ls t r e n g t h t b ec a l c u l a t i s o f t w a r em s c p a t r a n & m s c n a s t r a n ( t h e e d i t i o n2 0 0 1r 3 ) a r cu s e df o rt h i st h e s i s t h e r ea r et w op a r t so ft h i st h e s i s mf i r s tp a r t 璐et h ew h o l es h i ps t r u c t u r e f e am e t h o dt oc a l c u l a t et h es h i ps 乇m c t u r es t r e n g t h ，1 1 1 i sp a r ti n v o l v e sw h o l es h i p s m l c t l l r em o d e lb u i l d i n g b o u n d a r yc o n d i t i o n si m p o s i n g , l o a d sc a l c u l a t i n g ，l o a d c a s e sc h o o s i n g ，a n dt h er e s u l t sa r l a l y z i n g t h es e c o n dp a r tu s ef o u rd i f f e r e n tp a r t - c a b i nf i n i t ee l e m e n tm o d e l st oc a l c u l a t e t h es t e r ns t r e n g t ho ft h es h i p t h e n , c o m p a r et h er e s u l t so ft h ew h o l es h i ps t r u c t u r e f i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t ht h er e s u l t so ft h ef o u rd i f f e r e n tp a r t - c a b i nf i n i t ee l e m e n t m o d e l s ，a n df i n a l l yf i n dap a r t - c a b i nw h i c hc a ne v a l u a t et h es h i ps t r u c t u r el o c a l s t r e n g t hf e a s i b l ea n dr e l i a b l e f r o mt h i st h e s i s ，w cc a ns a yt h a tt h ep a r t - c a b i nw h i c hi n v o l v e st h es t e a na n d1 2 武汉理r 大学硕士学位论文 h o l dl e n g t ha f tt a n k si sf e a s i b l ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：f e a w h o l es h i p p a r t c a b i ns t r e n g t h i i i 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取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工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明并表示了谢意。 签名：触日期： 关于论文使用授权的说明 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，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：纽导师签名：麟日期：立牲 武汉理j ：大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 对船舶结构强度进行直接计算方面的研究，大致分两种，即舱段模型有限 元分析方法和全船模型有限元结构分析方法。 舱段计算模型【1 5 1 i 2 3 1 4 2 在各国船级社所制定的各种船体结构强度直接计算 的指南中占大多数。其基本出发点是：1 ) 单船船体航行中，船中区域的构件受 到的载荷较大，应力水平较高，因而强度问题比较突出：2 ) 采用舱段的模型r 规 模较小) ，可以尽量降低直接计算对计算机硬件、软件方面的要求。3 ) 在船中 范围内，比较容易得到波浪载荷的统计特征，由于不必考虑如砰击等水动力学 效应，因而比较容易采用一些简单的公式对水动力载荷进行描述。舱段的计算 模型的优点就是上述三点，但是它的缺点也是显而易见的，如：船中处载荷较 大，但设计时船中区域的构件一般也比较强，并不是所有的船舶都是由于总纵 强度不够而破坏的；采用舱段模型，难以合理地描述首尾结构的影响；由于边 界条件的存在，使得模型中相当大的部分应力结果严重失真；而且，采用近似 公式定义的波浪载荷很可能会低估( 或者高估) 船中部位构件的强度。 相对来说全船结构强度有限元直接计算方法是精度更高的一种方法 【8 】【”1 1 1 2 】，对全船结构的主要构件建立全船的三维有限元模型，有助于更为合理 地定义和描述船舶航行中所受到的各种载荷，尽可能详细地描述船体结构的各 个构造细节以及各种构件之间的相互作用，有利于得到船体结构中各种构件在 各种载况和波浪统计下的应力水平，从而对船体结构强度进行更为合理的评估。 这种方法把船舶结构力学、有限元方法和计算机技术有机地结合起来，己成为 现代船舶结构设计及计算技术中的有力手段。目前国外著名船级社对大型船船， 如大型集装箱船( 具有舱口大开口) 等船舶就采用全船有限元模型直接设计计 算方法来进行强度设计和检验。但是，全船有限元结构分析方法也有其明显的 缺点，即建模工作量很大、涉及许多因素，并且对计算机软硬件有较高的要求， 所以它的应用尚不广泛。 但是，上述的两种方法并不是对所有的船舶都适用，对于一些特殊的船舶， 武汉理工大学硕士学位论文 比如项推船，推船与驳船之间由联结装置连在一起的，在波浪上的运动特点和 受力情况与普通运输船有所区别，因此在顶推船队的设计计算中，联结结构处 的结构强度计算是重中之重。在运用有限元方法计算船体的局部强度时，用全 船有限元结构分析方法可以得到一个较为合理的结果，但是也存在一些问题， 比如。全船有限元模型计算，建模的工作量巨大，一般人难以接受；驳船的总 纵强度可由规范控制，人们更关心的是联结处的局部强度问题，所以全船有限 元模型计算显得不是很必要，因此笔者认为有必要在这方面进行研究和探讨。 1 2 课题研究的目的、意义 顶推船的发展至今己经有了相当长的历史【3 9 1 。实践证明它是一种先进的运 输方式之一。近几年来，国外在近海或远洋运输上用顶推运输方式运输已经成 为正常的运输方式，并且在不断地发展和完善。 美国是采用顶推运输技术最早的国家，自1 8 4 0 年开始采用驳船顶推运输以 来己经有了1 0 0 多年的历史。上世纪初，美国处于顶推的早期阶段；3 0 年代， 由于推船的推进和操纵性能的提高，船队载重量达到了1 3 万载重吨：到4 0 年代 中期。由于世界大战的爆发和结束，刺激了美国水运的发展，从而促进了顶推 运输的发展，船队载重量达到了2 2 万吨。到了6 0 年代，项推方式运输渐成规 模。目前，美国密西西比河水系己经占据绝对优势，在其干流上，船队载重量 一般为3 _ 4 万吨。最高达到了& 2 万吨：主要支流上，载重量一般为2 万吨， 最小的船队载重量也有5 0 0 0 t - 6 0 0 0 t 。 日本在六十年代初引进了美国的海上顶推运输技术，到了七十年代，日本 的海上项推运输船队己从近海发展到了远洋航运。 目前，我国内河航运方式，在主要航线上，如长江、黑龙江、汉水、以及 湘江等基本上己为顶推运输方式所替代，货运主要为矿、煤等大宗散贷。随着 我国改革开放的深入与发展，沿江、沿海流域有了更大的发展，各地相继建立 了钢铁、石化、电力、矿建等工业基地，对长江航运和沿海航运的要求愈来愈 切。顶推运输作为全国综合运输网中的一个重要组成部分，必将起到举足轻重 的作用。 江海直达顶推船组是一种实现江海直达的较佳运输方式。这种运输方式除 了满足货主降低成本的需求外，由于江海直达货驳的空船重量较轻，在相同吃 2 武汉理t 大学硕十学位论文 水下的载货量比江海直达货船有所增加，并可在江段扩大编组成大型船队，可 有效降低其江段的运输成本，综合提高水运和生产企业的经济效益。 因此，对于顶推船驳船的研究具有重要的意义。但是因为顶推船驳船的结 构特别是尾部结构与其他类型的船有很大不同，而且尾部的受力情况也与其他 船型显著不同，所以针对顼推船驳船的结构强度直接计算特别是尾部结构的计 算方面还有值得讨论之处。本论文利用m s c p a t r a n 、m s c n a s t l ia n 软件 对全船有限元分析方法、步骤和舱段有限元分析方法、步骤进行了详细地介绍 和比较，目的是找出一个比较合理的舱段模型，能用来对顶推船驳船的尾部结 构强度进行合理的评估，所以本论文对于顶推船驳船的船体结构强度的计算有 一定的指导意义。另外，对于顶推船队的设计与开发研究也有一定的借鉴和参 考价值。同时，对缩短船的设计与丌发周期，提高经济效益和社会效益，完善 船的结构技术性能也有着重要的意义。 1 3 国内外研究的现状 船体强度是研究船体结构安全性的科学【1 】i 羽。所谓结构的安全是指结构能 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，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。此外，结构在正常使用 时，还必须适合营运的要求，并在正常的维护保养条件下，具有足够的耐久性。 对船体总强度的研究已有很长的历史，总强度判别的传统方法是把船体看 作一根船体梁，计算出船体梁横剖面的惯性矩和剖面模数等参数，然后和作用 的设计弯矩相比求出总纵弯曲应力，再进行总强度的判别。然而船舶的实际结 构及其受力是相当复杂的，如存在着各种间断构件、不同的连接方式、货舱大 开口、复杂的波浪载荷等：并且，实际构件的受力是多种因素共同作用的结果。 所以，这种把船体横剖面看作一空间梁的方法有较大的近似性：首先这种假定 认为横剖面上处于同一高度位置，距中和轴的距离相等的构件应力是一样的， 从而忽略了应力沿船体宽度方向的变化；其次它不能准确地考虑不连续纵向构 件的影响，例如上层建筑的影响。所以它对于结构规则的细长形船舶的精度好 一些，但对于结构较特殊的船舶，如有甲板大开口，特殊上层建筑等的船舶就 不太准确。设计建造单位为了保证安全，不得不规定较大的安全系数，从而导 致材料的浪费和建造与营运费用的增加。 3 武汉理工大学硕士学位论文 随着科学技术和航海事业的发展，人们开始寻求更好的船体强度研究的方 法。w i l d e 最早应用经典薄壁梁理论来计算集装箱船扭转强度，他把船体货舱 部分视为两端有翘曲约束的等断面开口薄壁梁，将首尾影响作为边界条件来考 虑，但由于未考虑船体非棱柱的特点，以及用开口薄壁梁理论计算具有闭口剖 面的船体强度，因此也有较大的误差。考虑到船体的非棱柱性，大多数研究者 开始采用有限梁方法，把船体离散为阶梯形薄壁粱段【2 】【3 1 ，应用迁移矩阵法或一 维有限元法进行计算。 目前，在前期设计阶段，薄壁梁理论仍起到一定的作用，但是对于波浪载 荷，薄壁梁理论采用确定性的方法，而波浪载荷是随机性的，因此这些由薄壁 梁理论所得到的结果有很大的局限性，不能对船体的各个部分给出较详细和准 确的应力分布。 5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展。有限元法是建立在 固体流动变分原理基础之上的，用有限元进行分析时，首先将被分析物体离散 成为许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再者求解线性或非线 性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形 技术显示计算结果。总之，目前的商用有限元程序不但分析功能几乎覆盖了所 有的工程领域，其程序使用也非常方便，只要有一定基础的工程师都可以在不 长的时间内分析实际工程项目，这就是它能被迅速推广的主要原因之一。 有限元方法的主要优点： ( i ) 物理概念清晰，容易掌握：有限元法一开始就从力学角度迸行简化， 可以通过非常直观的物理途径来学习与掌握这一方法。 ( 2 ) 方法灵活通用：它对于各种复杂的因素( 如复杂的几何形状，任意的 边界条件，不均匀的材料特性，不同类型构件的组合等等) 都能灵活地加以考 虑，而不会发生处理、求解上的困难。 ( 3 ) 应用范围广：它不仅能处理结构力学，弹性力学中的各种难题，而己 随着其理论基础与方法的逐步改进与完善，还可以成功地用来求解热传导、流 体力学及电磁场等其它领域的许多问题。实际上，在所有连续介质问题和场问 题中，几乎都有它的用武之地。 ( 4 ) 可充分利用计算机：该法采用矩阵形式作为表达工具，便于编制计算 机程序、可以充分利用电子计算机的大容量记忆与高速度运算。因而有限元法 已被公认为是机械结构的位移分析与内力分析的有效工具，并得到普遍的重视 4 武汉理1 ：大学硕十学位论文 与广泛的应用。 有限元软件是与有限元方法同时诞生的，并且随着有限元方法和计算机技 术的发展而迅速发展。有限元软件就是有限元方法的计算机程序或程序系统， 有通用和专用两种。前者通常是商业软件，优点是通用性强，格式规范，输入 方法简单。用户无需特殊记忆也不需要太多的专业知识和计算机技能，解决问 题领域宽，因而流行范围广，缺点是程序通常很大。因而开发成本高。专用程 序的优点是程序相对较短，开发价格低，版本升级相对容易，解决专门问题更 有效。 到6 0 年代末7 0 年代初出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、用户 使用方便、计算结果可靠和效率高而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。当前，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有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r e 、a d i n a 和a l g o r 等。 有限元方法是与工程应用密切结合，直接为工程设计服务的，因此各种有 艰元结构分析程序，即有限元软件使有限元方法，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。有限元软件已经成为 c a d c a m 不可分割的一部分。有限元软件的应用极大地提高了力学学科解决 自然科学和工程中的力学问题的能力，成为力学工作者通向工程实践以及邻近 科学领域的桥梁。它的一个重要特点是与工程应用直接联系，解决了许多用传 统的理论和方法无法解决的工程问题。促进了力学学科的发展以及力学为工程 服务能力的提高。 有限元方法起源子航空领域，后来才应用于船舶领域，二十世纪8 0 年代中 期c h e n ，k u t t1 4 3 】等最早开发了船体结构极限承载能力分析的有限元方法，以板、 梁单元模拟船体结构，考虑了材料和几何非线性影响，对船体结构进行弹塑性 大挠度分析计算船体结构总纵极限强度。 朱胜昌等【16 【2 2 】1 2 叼整船准静态分析的有限元模型自动加载及载荷修正技术， 开发了对有限元模型外载荷进行自动加载的方法，这种方法不需要对模型结构 进行附加的点、线、面数据定义，而只需利用有限元的原始输入数据。另外， 还讨论了进行节点集中载荷修正和惯性力平衡计算，它是保证整船有限元准静 态分析获得正确结果的关键。 5 武汉理工大学硕士学位论文 徐向东【”】等对箱型梁极限承载能力试验与理论研究，对箱型梁船体模型作 了总纵极限承载能力试验研究，应用基于塑性节点法开发的程序和通用非线性 有限元模拟方法对该模型进行了数值计算，获得了与试验较为一致的结果。在 试验与理论分析的基础上，提出了估算箱型梁船体结构极限强度的解析计算方 法，通过算例考核认为本方法可用于工程结构设计。 何福志【帅】【4 l j 等的“船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析”基于s m i t h 方法，梁- 柱理论、理想弹塑性假设、平面假设和塑性铰理论建立了拉伸和压缩 加筋板单元的标准应力应变关系曲线，开发了船体结构总纵极限强度的简化逐 步破坏分析方法。应用该简化方法编制的计算程序较为详细地分析了五条船截 面箱型梁模型的总纵极限强度，结果表明开发的简化逐步破坏方法和计算程序 是正确可靠的。还对船体结构总纵极限强度的影响因素进行了分析。 陈庆强【16 】【2 2 】【2 3 】【2 明等大型集装箱船整船有限元分析计算技术研究，在研究大 型集装箱船整船分析的基础上，总结研究和发展了两种集装箱船整船有限元分 析时调整节点力和惯性平衡的处理方法。对于正确地进行大型集装箱船整船结 构强度直接计算具有指导作用和实用价值。同时本文提出了对集装箱船整船结 构强度分析的分工况计算和应力合成技术，避免了麻烦的横截面扭转中心的计 算，该方法可应用于集装箱船的整船结构有限元计算分析。 有限元方法能真实模拟船体的空间结构和其承受的载荷分布，在船体结构 分析方面的应用已十分广泛，运用有限元法进行波浪载荷下整船分析时，可以 将动态问题视为准静态问题【l q 【2 0 1 。首先建立整船有限元模型，然后把船体设计 波浪载荷、静水载荷、重力、惯性力经过计算处理后加到整船有限元模型上， 通过有限元程序进行计算分析求得位移和应力对强度进行判断。 一般载荷( 如重力与静水载荷) 的添加并不困难，船体设计波浪载荷在已 经确定的情况下也容易施加【2 0 】。但船舶的运动及运动引起的惯性力则需要对整 船结构进行相应的计算分析后才能确定并施加求解，一般通用的有限元软件没 有这样的功能l l 。由于m s c 公司前处理软件p a t r a n 功能强大且使用方便以 及n a s t r a n 在各种工程结构的动静力分析中应用广泛【硼，其可靠性得到公 认。在p a t r a n 以及n a s t r a n 现有功能基础上，结合自编计算程序，可较轻 松实现波浪载荷作用下惯性力的计算及施加。完成整船准静态强度分析。 刘俊等【2 0 j 运用n a s t r a n 软件进行波浪载荷作用下船体强度分析，充分利 用m s c 公司的p a t r a n 和n a s t r a n 软件，结合自编程序实现波浪载荷作用 6 武汉理t 大学硕士学位论文 下的全船准静态强度分析。从而拓展了n a s t r a n 软件在船体结构准静态分析 中的应用。 有限元方法中很重要的一个环节是对总体结构进行离散，分割成很多个小 的单元，即建立有限元模型，这是相当繁琐的。对船体进行有限元分析，必须 先由技术人员根据船舶的结构型式、受力情况、精度要求和计算的最终目的， 运用结构力学和有限元知识，对实际结构进行简化，选用适当类型的单元加以 模拟而得出的模型。 船体结构是非常复杂的，这就决定了其三维有限元模型的建立是一项非常 繁重而艰巨的工作，因此充分地利用有限元软件的建模工具是十分必要的。其 中特别值得一提的是在超大型结构的建模工程中的子结构技术的运用，即将船 体划分成若干个子结构来处理，通常按照船舶结构的自然分段来划分子结构， 然后再通过平移、镜射等手段将其组装起来。这样可以将各个子结构的建模工 作交给不同的人同时处理，可以有效地、充分地利用计算机资源，从而大大地 加快工作进度。因此借助于功能强大的通用前处理软件可以大大降低工作量。 随着船舶的工业的发展以及各种新船型的不断问世，对船体结构强度分析 及校核的计算方法提出了更高的要求，近年来，由于计算机软硬件技术的飞速 发展，使得将整艘船划分为有限单元来进行分析的全船分析有限元技术成为可 能，船体总强度分析从此有了革命性的突破【6 】【7 】【9 】 1 7 2 9 1 。 在船体结构强度直接计算法中，多采用舱段模型有限元分析方法。目前各 船级社采用的都是三维舱段有限元模型。各个船级社基于各自的考虑，模型范 围并不完全相同，主要包括两种：一种是中间舱段各向前后延伸一个舱共三个 舱，即三舱段模型，a b s 和i a c s 采用的就是三舱段模型；另一种则是船中的 一个舱段各向前后延伸半个舱，即两舱段模型，d n v , l r 。g l 及c c s 采用的 是两舱段模型。无论是三舱段模型还是两舱段模型，模型的垂向范围都为船体 型深。 船体有限元模型的单元主要采用四种类型：杆单元、梁单元、膜元和板壳元。 并且通常只采用简单单元，即仅在角点处布置节点，采用高阶单元被认为是不 必要的。根据需要模型化的构件的刚度不同，可以选择不同的单元类型： ( 1 ) 模拟加强筋时，可以选用： 杆元：只有轴向刚度和沿长度方向横剖面面积恒定的构件； 梁元：具有轴向扭转、双向剪切和弯曲刚度的构件。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 在对板进行模拟时，可以选用： 膜元：具有双轴和平面内刚度的构件； 壳元：除具有双轴和平面内刚度外，还有平面外刚度的构件。 对于膜元和壳元，应该尽量采用线性的四边形或三角形单元。而且，三角 形单元的数量应尽可能减少到最低，特别是在高应力区域和应力变化梯度较大 的区域，例如孔、肘板附近区域，邻近底凳连接处的区域等。 ( 3 ) 在模拟加筋板时，也可以选用二维正交各向异性板元。 有限元法和有限元软件的发展为解决实际工程问题提供了一个准确高效的 途径。 1 4 本课题的来源、主要内容及计算方法 1 4 1 本课题的来源 本文以一艘9 8 0m ( 8 0 0 0t 级) 江海直达驳船为例来研究，该船为全焊接、 钢质单体船，尾部开槽。结构形式为全纵骨架式，货舱区从f r2 9 f r1 1 5 ，为 双底、双舷侧结构，船中处f r7 2 设平面舱壁；首尾为单底、单舷侧结构。航 区为我国近海及内河a 、b 级航区。 该船船体结构主要的特点是尾部开槽，由于这一特殊性，我们不能仅仅考 虑本船的总强度，而且需要对尾部连接部位的强度进行校核。 1 4 2 本课题的主要内容 本文根据9 8 0n l ( 8 0 0 0t 级) 海驳船体结构设计图纸建立了全船结构的三 维有限元模型：根据载况和波浪条件确定各种计算工况；计算各种工况下的各 种载荷；对外载荷进行初步的平衡调整；利用惯性释放，进行全自由结构的静 力计算分析；对主要计算结果进行分析，评估结构强度：建立舱段有限元模模 型并施加合适的边界条件，运用此模型计算出最危险的两种工况的结果，即满 载中垂，顶推力向上的工况和压载中拱，顶推力向下的工况的结果，并把舱段 模型计算结果与全船有限元模型分析结果进行比较，得到一个能够合理评估顶 推船驳船局部强度的模型范围。 8 武汉理r 大学硕十学位论文 1 4 3 本课题的计算方法 取本船全船( 全长、全宽、全高) 范围内的主要船体构件( 各构件设计尺 寸、板厚、截面、开孔等) 建立三维有限元模型。 结构计算采用大型有限元软件m s c n a s t r a n ( v e r s i o n2 0 0 1 ) ；波浪载荷( 舷 外水压力) 采用c c s 的“甲板大开口船舶弯扭组合分析程序系统( s c l o s ) ” 进行近似直接计算。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章船体结构、模型建立及边界条件 2 1 船体结构说明 2 1 1 主尺度和主要参数 表2 19 8 0 m ( 8 0 0 0 t 级) 海驳船主尺度及主要参数 总长 l “ 9 9 1 1m 水线长 l b p 9 8 0 0m 型宽 b2 0 0 0m 型深 d7 6 0m 垂线间长 k 9 8 0 0m 吃水 t5 8 0m 中剖面系数 0 9 8 1 方形系数c b 0 8 7 7 排水量 l 0 0 2 4 t 肋距 s0 7 0m 站距 4 9 0m 梁拱 n 4 0m 2 1 2 结构型式 本船为全焊接、钢质单体船，尾部开槽。结构形式为全纵骨架式，货舱区 从f r2 9 一f r1 1 5 ，为双底、双舷侧结构，船中处f f7 2 设平面舱壁；首尾为单 底、单舷侧结构。其主要横向构件的说明见表2 2 。 1 0 武汉理工夫学硕士学位论文 表2 29 8 ，0 m ( 8 0 0 0 t 级) 海驳船主要横向构件的说明 f rx构件 说明 17 0 0 尾封板 21 4 0 0框架 5 3 5 0 0框架 8 5 6 0 0横舱壁 1 17 7 0 0框架 1 4 9 8 0 0框架 f r l 3 为槽口终止处 1 71 1 9 0 0 横舱擘开始叔壳、双底结构 2 01 4 0 0 0 框架 2 31 6 1 0 0框架 2 61 8 2 0 0 框架 2 92 0 3 0 0 横舱肇厉货舱开始 3 22 2 4 0 0框架 3 5 2 4 5 0 0框架 3 82 6 6 0 0框架 4 12 8 7 0 0 框架 4 4 3 0 8 0 0框架 4 73 2 9 0 0框架 5 03 5 0 0 0 框架 5 33 7 1 0 0框架 5 6 3 9 2 0 0框架 5 94 1 3 0 0 框架 6 24 3 4 0 0框架 6 54 5 5 0 0 框架 6 84 7 6 0 0 框架 7 04 9 0 0 0框架 横甲板条开始 7 25 0 4 0 0横舱鼙后货舱结柬、前货舱开始 7 4 5 1 8 0 0框架横甲板条结束 7 75 3 9 0 0框架 8 05 6 0 0 0框架 8 35 8 1 0 0框架 8 66 0 2 0 0 框架 8 96 2 3 0 0框架 9 26 4 4 0 0 框架 9 56 6 5 0 0 框架 9 8 6 8 6 0 0 框架 1 0 17 0 7 0 0 框架 l l 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 47 2 8 0 0 框架 1 0 77 4 9 0 0框架 l l o7 7 0 0 0 框架 1 1 37 9 1 0 0 框架 1 1 58 0 5 0 0横舱壁 前货舱结束 1 1 88 2 6 0 0 框架 1 2 18 4 7 0 0框架 1 2 48 6 8 0 0 框架 1 2 78 8 9 0 0横舱壁双壳、双底结构结束 1 3 0 9 1 0 0 0 框架 1 3 39 3 1 0 0 横舱壁 1 3 69 5 2 0 0框架 1 3 99 7 3 0 0 框架 1 4 19 8 7 0 0首 2 2 有限元单元模型 2 2 1 模型范围 取全船( 全长、全宽、全高) 范围内的船体结构主要构件建立三维有限元 模型进行计算。 全都计算模型如图2 1 ，图2 2 、图2 3 和图2 4 分别给出了船中货舱区、首 部及尾部的计算模型以及各种构件板厚的细节。 1 2 武汉理1 ：大学硕士学位论文 图2 1 有限元模型 图2 2 货舱区的模型 图2 2 ( a ) 货舱区、外壳板( 板厚l o 、1 2 、1 4 ) 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 ( b ) 货舱区、内壳板( 板厚1 2 、1 4 、1 6 ) 图2 2 ( c ) 货舱区、横舱壁( 板厚8 、1 2 ) 图2 2 ( d ) 货舱区、纵桁与强框架( 板厚8 、1 0 、1 5 ) 1 4 武汉理j 二人学硕士学位论文 图2 2 ( e ) 货舱区、甲板与平台( 板厚8 、1 2 、2 0 、3 8 ) 图2 2 ( d 货舱区、小肘板( 板厚1 2 、1 6 ) 图2 2 ( g ) 货舱区、舱口围板( 板厚1 4 、1 6 、2 0 ) 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 首部的模型 图2 3 ( a )首部、外壳板( 板厚1 0 、1 2 、1 4 、1 6 ) 图2 3 ( b )首部、内壳板( 板厚1 0 、1 4 ) 1 6 武汉理工大学硕七学位论文 图2 ，3 ( c )首部、甲板和平台( 板厚8 、1 8 、3 8 ) 图2 3 ( d )首部、横舱壁( 板厚1 0 ) 图2 3 ( c )首部、纵桁与强框架( 板厚8 、1 0 ) 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 尾部的模型 图2 4 ( a )尾部、外壳板( 板厚1 0 、1 2 、1 4 ) 图2 4 ( b )尾部、内壳板( 板厚1 0 、1 4 ) 1 8 武汉理j ：人学硕士学位论文 图2 4 ( c )尾部、尾封板和连接装嚣( 板厚1 4 、1 8 ) 图2 4 ( d )尾部、甲板与平台( 板厚8 、1 8 、3 8 ) 图2 4 ( e )尾部、横舱壁( 板厚1 0 ) 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 坐标系 图2 4 ( f )尾部、纵桁与强框架( 板厚8 、1 0 、1 2 ) 采用右手坐标系，参见图2 1 。 原点0 位于f r0 船底中线处，x 轴沿船舶的纵向，向首为正；y 轴沿船舶 的横向，向左舷为正；z 轴正方向垂直向上。 2 2 3 单元 按照该船的型线，各构件设计尺寸、板厚、截面、开孔等建立三维有限元 计算模型。 模型中采用了以下几种单元： 板壳( s h e l l ) 单元：模拟船体中的内外壳板、甲板、平台、纵横舱壁、肘 板、纵桁和实肋板的腹板、舱口围板等板壳结构( 构件) ，以及腹板高度大于 4 5 0 舢的扶强材的腹板等。板壳单元大多采用四边形单元，在连接或变化较大 处采用少量三角形单元过渡。 梁( b e a m ) 单元：模拟腹板高度小于4 5 0m m 的骨材，较大扶强材的面板， 开孔边缘的面板，支柱等。梁单元考虑各构件的实际截面和偏心。 板单元大小以肋距和纵骨间距为基准，边长比控制在1 ：2 以内；板结构上 的开孔若小于单元尺寸，予以忽略，若开孔大于单元尺寸则安装其实际形状扣 除相应的单元；梁单元依板单元的边建立，其大小与板单元相适应。 武汉理工人学硕士学位论文 模型中对首尾结构进行了适当的简化，如忽略小肘板，甲板、平台和舱壁 上的开口，以及近似考虑连接装置的齿条等。 2 2 4 材料参数 钢材： 杨氏模量：e = 2 1 x 1 0 5 m p a p o i s s o n 比：v = 0 3 质量密度：p = 7 8 5 x 1 0 9 t m m 3 重力加速度：苫= 9 8 1 0 m m s 2 2 2 5 计算模型 2 2 5 1 分组 为了赋属性、施加载荷以及处理分析计算结果的方便，模型中分成了3 7 组。 见表2 t 3 。 2 2 5 2 模型规模 模型中共2 86 8 2 个节点、6 05 8 9 个单元( 其中板单元3 32 2 3 个，梁单元 2 73 6 6 个) ，计算时共1 6 78 8 9 个自由度。 表2 3 模型分组信息 n o名称 说明 n o名称说明 l b o w0 中纵剖面构件 1 9mh a t c h舱口围板 2b o w 2 - b u l k h e a d s 横舱壁 2 0 r e _ h a t c hb r a c k e t s舱口围板的肘板 3 b o w _ 2 - r i n g 强框架 2 1n li n b t m 内底板 4b o wd e c k 甲板 2 2mi n s h e l l 内壳扳 5b o wd e c k l 升高甲板 2 3mo u t b t m 外底板 6 b o w g i r d e r 底纵桁 2 4mo u t s h e l l 外壳板 7b o wi n b t m 内底板 2 5m s t r i n g e r 双壳内水平桁 8b o wi n s h e u 内壳板 2 6s t e r l l0 中纵剖面构件 9b o wo u t b t m 外底板 2 7s t e m2 - b u l k h e a d s 横舱壁 1 0b o wo u t s h e l i 外壳板 2 8s t e m2 - r i n g s 强框架 1 1b o ws t r i n g e r 平台 2 9s t e r nd e c k 甲板 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 2mo 中纵剖面构件 3 0 s t e r n _ g i r d e r 底纵桁 1 3 m 2 b h d s t i f f 横舱壁扶强材 3 1s t e mi n b m a 内底板 1 4 m 2 b u l k h e a d s 横舱壁 3 2s t e r ni n s h c l i 内壳板 1 5 m _ 2 - r i n g 强框架3 3 s t e m _ o u t b t m 外底板 1 6m2 - b r a e k e “t $ 肘板 3 4s t e r no u t s h e l l 外壳板 1 7 m _ b t m _ g i r d e r 双层底纵桁 3 5 s t e r n j f l a t e 尾封板及槽口封板 1 8md e c k 甲板 3 6s t e ms t r i n g e r 平台 3 7 s t e r _ e o n n e e t i o n 连接装置 2 2 5 3 单元属性 ( 1 ) 板单元属性 表2 4 列出了模型中所用各板单元属性及其主要参数。 表2 4 计算模型中板单元属性及主要参数 n o 名称厚度说明 l pb o w01 0 1 0 中纵剖面中纵桁及纵舱壁 2 p _ b o w _ b h d _ 1 0 1 0 f r l 2 7 f r l 3 3 横舱壁 3 p _ b o wb h d8 8 横舱壁上垂直桁 4 p _ b o w _ b t m g i r d e r1 0 1 0 旁纵桁 5 pb o wd e c k1 8 1 8 甲板 6 p _ b o w _ d e c k _ g i r d e r8 8 甲板纵桁 7 pb o wi n b t m1 4 1 4 内底板( 延伸至f r l 2 7 ) 8 p _ b o w _ i n s h e l l _ 1 0 1 0 内壳板 9 p _ b o w _ i n s h e l l l 4 1 4 内壳板的上下列板 1 0 pb o wo u t b t m _ 1 2 1 2 f r l 2 7 以后外底板 1 1 p _ b o w _ o u t b t m1 4 1 4 f r l 2 7 以后平板龙骨 1 2 p _ b o wo u t b t m1 6 1 6 f r l 2 7 以前外底板( 首柱板) 1 3 pb o wo u t s h e l l1 0 1 0f r l 2 7 以后外壳板 1 4 pb o wo u t s h e i i1 4 1 4 f r l 2 7 以后外壳舷顶列板 1 5 p _ b o w _ o u t s h e l l1 6 1 6 f r l 2 7 以前外壳板( 首柱板) 1 6 pb o wr i n g s1 0 1 0 实肋板 1 7 pb o wr i n g s 8 8 双壳范围横隔板及各层甲板强横粱 1 8 p _ b o ws t r i n g e r _ 8 8 4 8 0 0 高平台 1 9 pb o ws t r i n g e r 鐾, i r d e r8 8 平台纵桁 2 0 p _ m _ o _ 1 2 1 2 中纵桁 武汉理= 人学硕士学位论文 2 1 p _ m _ o 一1 5 1 5中纵剖面，舱譬乖直桁 2 2 p _ m _ b h d1 2 1 2 舱肇f 实肋板 2 3 p _ mb h d8 8横舱壁 2 4 p _ m _ b r a c k e t1 2 1 2 底部肘板 2 5 p _ mb r a c k e t1 6 1 6 甲板处肘板 2 6 p _ md e e k 一1 2 1 2 横向甲板条中间部分 2 7 p _ md e c k _ 2 0 2 0主甲板 2 8 pmd e c k3 8 3 8主甲板上舱口处复板 2 9 pm 埋i r d e r _ l o 1 0底纵桁 3 0 p _ m _ h a t c h 一1 4 1 4 舱口同板腹板 3 1 p _ mh a t e h2 0 2 0舱口围板面板 3 2 p _ m _ h a t c h b r a c k e t 1 6 1 6舱口同板的肘扳 3 3 p _ m _ i n b t m _ 1 4 1 4内