（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于散货船结构共同规范的屈服与屈曲强度直接计算研究.pdf

哈尔滨丁程大学硕士学位论文 摘要 目前，对大型船舶以及新型船舶进行船体结构有限元分析，是船舶结构 设计必不可少的手段。但是，世界上各主要船级社都有着各自的直接计算方 法及强度标准，为此，国际船级社协会( i a c s ) 先期开发了散货船和双壳油船 的结构共同规范，并于2 0 0 6 年4 月1 日正式实施，统一了i a c s 内部的散货 船和油船建造标准。本文主要是对散货船结构共同规范有关强度直接计 算的屈服与屈曲强度校核做了研究，其主要内容如下： 1 ) 针对共同规范的屈服与屈曲强度直接计算，论述了直接计算的主要内 容和基本过程，包括船体结构有限元模型的选取和建立、边界条件的施加、 计算工况的确定、载荷的计算与施加、计算求解、结果分析。 2 ) 结合板的稳定性理论，深入研究了共同规范有关屈曲强度校核的规 定，阐明了基本板格屈曲校核标准的理论依据。 3 ) 基于共同规范的规定，应用m s c p a t r a n 的命令语言( p c l ) ，编制了船 体侧向载荷的施加程序，实现了载荷的自动施加；编制程序实现中部舱段弯 矩和剪力的调整及对计算结果的应力处理。 4 ) 选取一条2 l 万吨单壳散货船作为算例，依据共同规范的直接计算法， 对其进行了屈服与屈曲强度计算分析。 5 ) 通过对实船计算结果的比较，分析了共同规范的计算工况以及各工况 下船体构件的不同承载能力，并指出了共同规范中可能存在的问题。 6 ) 同时，与依据中国船级社散货船结构强度直接计算分析指南对同 一条散货船的直接计算结果进行比较分析，说明i a g s 推出的共同规范是更安 全可靠的。 关键词：船体结构；散货船；共同规范；直接计算；有限元；屈服强度；屈 曲；自动加载 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e e e 甜y ，f i m t ee l e m e n t ( f e ) 删y s i so fs h i ps t r u c t u r e si nn l ed e s i g l lo fs h i p s l x u e t u r e si sn e c e s s a r yf o rt l l el a r g es c a l e 锄dn e wt y p es h i p b m ，协em a i ns h i p e l a s s i f i c a t i o ns o e i e t i e si nt l l ew o r l d h a v et h e i ro w l ld i f e e tc a i 叫a t i o nm e t l l o d sa n d s t r e n g t hc r i t e r i a s ot l l ei n t e r n a t i o n a la s s o d a t i o no fc l 嬲s i f i e a ：c i o ns o e i e t y ( i a c s ) p 啊d e sc o n l m o ns t r u e t t t r a lv a l e sf o rb u l kc a r r i e s 缸d o y l eo i lt a n k sf i r s t ，a n d m a k e sm eb u i l d i n gc r i t e f i ao fs h i pl 】n i f o 彻t kr u l e sh a v et a k e ne f f e c to na p r i l 1 “2 0 0 6 1 km 司o rp u r p o s eo ft h i sp 印e ri st 0r c s e a r e ho nt h ey i e l d i n gs t r e n g t h a n db i l c k l i n ga s s e s s n l a na c e o r d m gt ot h e 缸e c ta n a l y s i so fc o m m o ns t r u c t u r a l r u l 船f o rb u l kc a r r i e r s ( c s r l n em a i nc o n t e n t sa r c 豁f o l l o w s ： 1 ) d i s c u s st h eb 嬲i cp r o c e s so fc s rd i r e c tc a l c u l a t i o n m c l u d m gf e m o d e l i n go fs l l i ps t r u c t u r e s ，d e a l m gw i t i lt l i e c t a r yc o n d i t i o l l s ，c h o o s i n gt i l e l o m i n gc o n 眈i o n ，c a l c u l a t i n gt h el o a d ，s o l v i n g ，a n a l y 西n g 血er e s e t s 2 ) r e s e a r e ho nt h es t a b i l i t ym e o f yo ft h eb u c k i n gc r i t e r i ao fe l e m e n t a r y p l a t ep a n e l s 3 ) b a s e do nt h cr u l e so fc s m a k em ep r o 掣a mt 0i o a dt 1 1 el a t e r a li o a d s l l s i n gp a t r a nc o m m a n dl a n g u a g e ( p c l ) ；m a k cm ep r o g r a mt 0a d j l i s tt h eb e n d i n g m o m e n ta n ds i e a rf o r c eo f t h et o o & la n dt 0d e a lw i t l lt l l ee x 订a c t e ds 缸e s s e s 4 ) 1 ky i e l d i n gs t r e n g t ha n db i l c h i n g , a s s e s s m e n to f 2 1 0 0 0 0 ts i i l 掣es i d es k i n b u 墩c a r r i e ri st ob ed o n ea c c o r d i n gt oc s rd i f e c tc a l c i i l a t i o n 5 ) t h r o u 曲t 1 屺a n a l y s i so ft h er c s i i l 招o ft h ec a s e 阳s e a r c ho nt h el o a d i n g c o n d i 如船o fc s r 锄dt h ea b i i 毋o fs h i pm e m b e r sa f f o r d i n gl h el o m s ，a n dt h e n f m dt h ep o s s i n ep r o b l e m so f c s r 6 ) m e 引w l l i l e c o m p 黜dw i 也t h ec a l 嘲a t i 姐始s u l t so f 也e , $ a l t l eb u l l 【e a r r i e r ha c c o r d 谢m c c s m l c s k e yw o r d s ：s n ps t r u c t u r e s ；b u l kc a r r i e ；c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e s ；d i r e c t c a l 叫a t i 叫f e ；y i e l d i n gs t r e n g t h ；b u c k l i n g ；a u t o m a d el o a d i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：星墨 日期：唧年弓月名日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 长期以来，民船的结构设计主要以各船级社颁布的有关规范为依据。现 有的规范仍以船舶建造经验为基础，是基于许用应力的传统设计方法。这种 方法简单、迅捷、实用，特别适用于常规船舶，因此至今尚具有很大的意义。 然而，按现行规范的传统设计方法存在着明显的缺陷。例如，设计是否合理， 设计者胸中无数；结构强度的保证受到规范使用范围的限制；设计没有明确 的目标，增加了盲目性等。 随着船舶工业的发展，造船业中发生了深刻的变化，比如，油船和散货 船的尺度越来越大；新的运输方式、新的运输货物所要求的新船型层出不穷； 新材料和新的建造方法，要求船舶更加安全可靠，同时又要有更高的效率和 经济性。因此，老的规范设计方法已不能适应新的情况，迫切要求建立一个 更加科学，通用的结构设计方法。另外，由于高速电子计算机的出现，结构 分析的有限元方法和数学规划的优化技术飞速发展，使得结构设计工作者不 仅有了一个强有力的快速计算分析工具，而且有了一套系统的方法来改进设 计和优化设计。所以，近年来各国船级社都对大型船舶以及结构新型船舶提 出了进行船体结构有限元直接计算的要求，发展了自己的结构设计方法和程 序系统。目前，对大型船舶以及结构新型船舶进行船舶结构有限元分析，已 成为船舶结构设计必不可少的手段。但是，世界上各主要船级社都有着自己 独特的直接计算方法及强度标准，为此国际船级社协会( i a c s ) ，结合各船级 社的资源和经验，在三大主流船型中，先期开发了散货船和油船的结构共同 规范，统一了i a c s 内部的散货船和油船建造标准，并于2 0 0 6 年4 月1 日正 式实施。其中，散货船结构共同规范( c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e sf o rb u l k c a r r i e r s ，以下简称“c s r ”) i l 删就是本论文研究的重点。 散货船作为三大主流船舶之一，是一种常见的货运船舶，它主要用于运 输干散货。运输的货物一般是均质的，可以直接装载在货舱内而不需要任何 中间形式的包装。散货船的货物范围很广，世界贸易中主要的干散货包括铁 哈尔滨工程大学硕士学位论文 矿石、煤、谷物、矾土，另外还有质量比较集中的货物，如简装石油、焦炭、 钢材、矿石、水泥，糖、盐、化肥、硫磺以及各种林业产品等都通过散货船 进行运输。然而，在过去的十几年中，散货船的损失一直相当严重。英国劳 氏船级社( l r ) 对在1 9 8 0 - 1 9 9 6 年期间的散货船事故进行了统计：其中丢失5 5 条，发生严重事故6 1 条，船员死亡人数达到5 7 7 人。随后，劳氏船级社又发 表了从1 9 9 7 年1 月至1 9 9 8 年4 月发生的各类船舶事故统计资料，其中散货 船又丢失了1 0 条。 为满足航运业对船舶更高质量的要求，在国际航运界创造一个公平市场 而产生的，旨在建造更安全、更可靠的新船，国际船级社协会推出了散货 船结构共同规范。这既符合了海事工业界期望建造更加坚固和满足使用要 求船舶的愿望，也有利于消除i a c s 成员中在船舶结构最小尺寸上的竞争，同 时又将使各船级社的经验共享。随着c s r 的实施，一方面统一各船级社的要 求和对散货船的安全做出一致的保证，另一方面对散货船的强度也提出了更 高的要求。例如，c s r 对结构的稳定性计算方法做了改进，增加了对船体极 限强度的计算、对船体构件疲劳强度的计算、对船体结构的腐蚀余量改为腐 蚀增加量的概念，使结构的尺寸有了一定的增加。c s r 相对于各船级社原有 的散货船规范有了很大的变化，在其实行后将使船体的结构尺寸和船体钢结 构重量有相当程度的增加。据初步估算，对散货船而言，与已符合i a c su r $ 2 5 的单壳或双壳散货船比较约增加2 的钢料；与尚未符合i a c su r $ 2 5 的单壳 散货船比较约增加5 的钢料。重量的增加主要在双层底、甲板构件和双壳散 货船的内壳等部位，规范计算结果和直接计算结果对板厚增加的贡献率比较 接近。 特别是，c s r 对1 5 0 米以上的大型散货船明确提出了，要采用三维舱段 有限元模型来进行直接强度分析。并且，按照c s r 进行舱段有限元分析时， 其模型的建立、边界条件的处理、载荷的计算、计算工况的选择及许用应力 的值都较以往规范有所不同。 规范的要求是船舶设计与建造的基础，不了解规范就无法设计和建造出 优秀的船舶，尤其是对于新船型的开发，不深入地了解新规范的实质就无法 准确地把握新船型的主要尺度。所以对船舶设计者来说，对c s r 的学习与研 究已经迫在眉睫。过去几年中，我国已经建造了相当数量的性能优良的散货 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 船。由国内自主开发设计建造的灵便型、巴拿马型、好望角型散货船在设计 水平上已与国际接轨，具有国际先进水平，在散货船船型的研究开发上具有 坚实的基础。散货船是三大主流船型之一，c s r 的推行既是挑战也是机遇， 如果我们走在别人前面，提前研究开发，抓住机遇，及时推出具有市场影响 力的新型散货船，对保持和扩大我国在散货船上的设计、建造优势，对实现 第一造船大国的目标有十分重要的意义。 对于i a c s 正在开展的“基于目标的新船结构标准”的研究，我国造船工 业界也是积极支持的。中国船级社( c c s ) 作为“散货船结构共同规范”的发起 人之一，积极参加规范的起草、编制工作，积极参与共同规范在全球的宣讲 活动，并多次组织研讨会，引导中国造船界对共同规范技术进行评估，实质 性地推进了共同规范的制定与实施。我们也参与完成了一些项目如“符合共 同规范的2 1 万吨单壳散货船有限元直接分析”【5 j 等，在完成该项目的过程中 对共同规范有了一定的认识，在此基础上本论文将做进一步的研究。 本文的目的，主要是全面理解和掌握c s r 的编写理念和要求，在此基础 上，以一条2 l 万吨单壳散货船为背景，按照c s r 的要求进行船体结构强度直 接计算，通过对该实船三舱段有限元模型的屈服与屈曲强度分析，对其所涉 及的原理进行深入的研究，并分析c s r 的计算工况以及各工况下船体构件的 不同承载能力。继而，为以后按该共同规范进行强度直接计算分析提供一些 参考。 1 2 课题研究的现状 1 2 1o s r 概述【3 川 为了满足海事、造船业、航运界的要求，保证海上安全，防止污染，保 护海洋环境，2 0 0 3 年国际船级社协会( i a c s ) 成立了专案组，结合各船级社的 资源和经验，先期开发了散货船结构共同规范，并与2 0 0 6 年4 月1 日正式生 效实施。 c s r 是由b v 、c c s 、g l 、k r 、n l 【、r i n a 、r s 等七家船级社联合研发的， 它综合了船级社和工业界的成熟经验，在设计概念、理念上与原有的船级社 规范有较大的不同，更能反映当前船舶技术发展的趋势并推动其发展。其关 哈尔滨工程大学硕士学位论文 键技术要点，主要包括净尺度概念、设计载荷、船体梁极限强度、直接计算 分析、疲劳、屈曲。这其中有许多亮点，包括采用了新的腐蚀模型；采用了 先进的波浪载荷模型，使外载荷的计算更为合理；采用了极限强度概念，增 加了船舶强度透明度；采用了直接计算技术，更适应于大型船舶的设计；吸 取了疲劳评估技术，以保证2 5 年的船舶使用寿命。 c s r 变化最大的是在船体结构方面。下面就船体结构的几个关键问题作 一简要探讨【6 】： 1 结构设计原则 c s r 中结构设计原则部分，对腐蚀余量的取法以及最后结构尺寸的确定 方法有了较大的改变。结构尺寸的确定方法是经过两次圆整，获得结果。规 范要求的最后结构尺寸如下式所示： t $ t r e q r e d2 t 一, w t i r e d 七t c 式中：k 一。为规范要求的净尺寸；t 为规范要求的腐蚀余量。 腐蚀余量是只往上圆整，净尺寸是往最接近的尺寸圆整( 可往上、可往 下) ，采取这种折中的办法，改变了以往只能往上圆整的做法。c s r 对腐蚀余 量t 作了比较详细、严格的规定，这在一定程度上影响了最后构件设计尺寸， 要比以前大一些。 我们注意到进行总体强度、局部强度、直接计算、疲劳计算时所选取的 结构净厚度是要根据不同的规定来进行的，而不是一样的。 2 设计载荷 c s r 详细规定了船舶运动及设计载荷的要求。设计载荷包括静水和波浪 中的船体梁载荷和垂直于板格的侧向压力两部分，主要采用等效设计波法确 定，即依据某个主要载荷参数达到设计值( 如波浪弯矩、运动加速度等) ，确 定相应的等效规则波的波长、波高与计算瞬时，而后在此规则波下求解船体 各个剖面的载荷分量和波动压力。确定了四种浪向( h 、f 、r 、p ) 分工况，并 分别对应不同的船舶运动状态及设计载荷。 疲劳载荷和常规设计载荷的区分主要是概率系数的选取，疲劳载荷的超 越概率水平为1 0 - 4 ，其他载荷的取1 0 - 3 。 3 强度校核 总纵强度校核是船体梁弯曲强度、剪切强度和稳定性的校核，这些规范 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 基本上都是沿袭i a c s 里u r s 基本要求，但规定的更明确、更严格。如在船中 0 4 l 范围内构成船体梁剖面模数的纵向构件的尺寸要求保持不变，并对 b c - a 、b c - b 船在破舱时的总纵强度要同时满足要求。引入船体梁极限强度校 核准则，虽然散货船甲板本身很强( 模数需要) ，但有可能会引起甲板及纵骨 尺寸轻微变化。 局部强度校核，对骨材引入了骨材腹板厚度与带板厚度匹配的准则，骨 材腹板最小厚度取其带板的4 0 ，这也是由于散货船本身一些特性所决定的。 稳定性校核采用了有无泊松效应这一概念，如有的话( 比如说三维有限元 结果) ，在进行屈曲强度校核时，就要先对结果数据进行处理，然后得到校核 结果。 4 直接计算 直接计算的模型范围确定为三个整舱模型，而仅对中间货舱进行分析处 理。载荷工况确定为目标弯矩工况( 与相应的局部分工况相结合) 和目标剪切 力校核工况，并分别规定了要施加的总纵载荷和局部舱段载荷。c s r 与i a c su r s 2 5 u i 结合后，直接计算工况变得异常复杂，这从它的工况表中可以明显地看 出来。 屈服强度校核标准作了适当的放宽，只对等效应力作了规定，但是我们 注意到它的屈曲强度标准，其实对每一项分应力( 两个方向正应力及剪应力) 都有要求。可以看出，如果只是在拉伸状态，剪应力的要求也还是隐含在屈 曲强度标准里的。 c s r 在有限元结果衡准中引入了大板架的刚性条件。而且在一些关键在 位置，明确了一旦应力结果超出某个确定值，就需要再做细网格计算处理。 这些规定都比以前的规范明确和详细。 5 疲劳分析 c s r 疲劳分析基本上也是传承以前各船级社的相关规定，主要分为规范 经验计算纵骨疲劳和直接计算关键点的热点应力疲劳两类。方法是累计损伤 法，在整个船舶运行生命中，把均质装载、隔舱装载，轻压载、重压在这四 种载荷工况按一定系数分配，整个设计寿命为2 5 年，并对应北大西洋海况。 求解方法无论是规范经验计算还是直接计算都是按照先求热点应力范围，经 过平均幅值修正、厚度修正、材料修正、还有保护层的修正等得到槽口应力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 范围，对应分配系数和长期概率分布函数得到相应的循环次数再和设计寿命 的循环次数相比( 根据s n 曲线，求得疲劳寿命) ，得到最后累计的失效概率。 需要注意的是在进行疲劳分析时，所用的板的净厚度、纵骨的净剖面模数( 包 括纵骨带板) 的取法都和以前有所不同；而且在进行规范经验计算时，还要考 虑纵骨边界变化所带来的附加载荷等等。 1 2 2 强度直接计算 船体强度【8 】是研究船体结构安全性的科学。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。 在一般情况下，船体强度计算应包括下述内容： 1 ) 确定作用在船体或各个结构上的载荷的大小及性质，所谓外力问题。 2 ) 确定结构剖面中的应力与变形，即结构的响应分析( 亦称载荷响应分 析) ；或者求使结构失去它应起的各种作用中的任何一种作用时的载荷，即结 构的极限状态分析( 亦称求载荷效应的极限值) ，即所谓内力问题。 3 ) 确定合适的强度标准，并检验强度条件。 长期以来，结构的安全性衡准都普遍采用确定性的许用应力法。该法以 预先规定某一计算载荷为基础，利用结构剖面中的计算应力盯与许用应力 盯】相比较，即利用条件 盯 川 来检验结构强度是否足够。因此，该法的特点是将计算中的有关参数都取为 单一的确定值。 但是，实际上船体强度计算中必须考虑许多不确定因素。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，船 体结构材料的性能，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、近似所造成的误差等。 由此可见，结构安全性是属于概率性的，因此，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 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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和相互作用的复杂性，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力的确定方法。 近年来，由于新型船的建造和船舶的大型化及海洋平台开发的兴起，新 结构、新材料不断出现，船舶结构的屈曲、弹塑性破坏、疲劳和断裂等课题 提出，迫使我们寻找新的有效的船体结构分析方法；并且，随着计算机软硬 件技术的发展，将船体的局部结构甚至是整艘船划分为有限单元来进行分析 成为可能，船体结构强度分析从此有了革命性的突破。有限元分析方法，将 整个船体结构离散为能精确模拟其承载模式和变形情况的有限单元。对于各 主要结构构件，按其受力状况分别以膜、杆、板、壳和梁等单元来表达。这 样可详尽地表述船体结构的微观细节，真实地表达出各个构件间的协调关系 与变化。通过大规模有限元软件分析求解，可以求出各个关心构件或区域的 实际变形与应力。这种方法是目前船体强度分析最准确、最完善的方法，也 是在理性结构设计中，最能精确预报结构对载荷响应的结构分析方法。 目前，对大型船舶以及结构新型船舶进行船舶结构有限元分析，已是进 行船舶结构设计必不可少的手段。国内各科研机构中的科研人员对各种类型 的船舶进行船舶结构有限元分析，做了大量的研究工作。主要有以下：顾晔昕、 傅雅萍、万沪广、赵耕贤的1 5 万吨双壳油船强度分析 9 1 ；马广宗、郑莎莎的 3 5 0 0 0 d w t 散货船整船结构有限元分析计算模型浅析口0 1 ；陈灏、罗展贤的 2 1 0 0 0 2 2 6 0 0 d w t 多用途集装箱船结构设计和直接强度计算】；陈灏的4 4 0 0 0 吨散货船结构扭转计算【1 2 1 ；朱胜昌、陈庆强、郭列、江南的船舶强度直接计 算中的有限元分析模块和在整船分析中的应用【1 3 】；陈庆强、朱胜昌的船体结 构强度直接计算中的外载荷节点化方法【l 卅；赵耕贤、杨志勇的1 5 万吨油船 有限元强度分析及方法研究【l 列；马建、马广宗的七万吨自卸散货船货舱段结 构有限元强度分析【l q ；陈庆强、江南、朱胜昌、胡劲涛、吴斌的3 0 0 0 0 吨多 用途船船体舱段强度的有限元计算分析【1 7 1 ；张少雄、杨永谦的关于油船结构 哈尔滨工程大学硕士学位论文 强度计算的几种方法【1 8 】；陈有芳、徐立的船舶结构强度直接计算分析中应力 的选取i l 川等。 在船体结构强度直接计算中，多采用舱段有限元分析方法。目前，各船 级社有各自独特的计算方法和强度标准。i a c s 刚刚推出的c s r 对船体结构强 度直接计算做了明确而详细的规定。在直接计算中，不同的有限元模型范围、 不同的载荷计算原理、不同的边界条件处理方法，对计算得到的结果都有很 大的影响，而且所需要校核的应力成分及强度标准都不相同。例如，c s r 在 校核船体各个构件的屈服强度时，统一采用了2 3 5 k ( k 为材料系数) 这个值， 而( c c s 散货船结构强度直接计算分析指南的强度标准，对船体各构件来 说，则不尽相同洲。 大量的科研人员在运用有限元法对船体结构进行强度分析中，做了许多 有意义的工作。世界上各国船级社在船舶结构强度直接计算中，各自形成了 独特的计算方法，并且在实际工程中得到广泛应用，适用性得到实际的检验， 为在这个领域进行进一步研究奠定了夯实的基础。i a c s 于2 0 0 6 年推出的c s r ， 其有效性和可靠性还需要广大的科研人员进行大量的实船计算、分析，并与 己经成熟的计算方法相比较，以进一步完善该规范。 1 3 本文完成的主要内容 。 1 ) 针对共同规范的屈服与屈曲强度直接计算，论述了直接计算的主要内 容和基本过程，包括船体结构有限元模型的选取和建立、边界条件的施加、 计算工况的确定、载荷的计算与施加、计算求解、结果分析。 2 ) 结合板的稳定性理论，深入研究了共同规范有关屈曲强度校核的规 定，阐明了基本板格屈曲校核标准的理论依据。 3 ) 选取一条2 1 万吨单壳散货船作为算例，依据共同规范的直接计算法， 对其进行了屈服与屈曲强度计算分析。 4 ) 基于共同规范的规定，应用m s c p a t r a n 的命令语言( p c l ) ，编制了船 体侧向载荷的施加程序，实现了载荷的自动施加；编制程序实现中部舱段弯 矩和剪力的调整及对计算结果的应力处理。 5 ) 通过对实船计算结果的比较，分析了共同规范的计算工况以及各工况 下船体构件的不同承载能力，并指出了共同规范中可能存在的问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 ) 同时，与依据c c s 散货船结构强度直接计算分析指南对同一条散 货船的直接计算结果进行比较分析，说明i a c s 推出的共同规范是更安全可 靠的。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章船体结构强度直接计算 2 1 概述 目前，对于船体结构强度直接计算，世界各主要船级社都建立了各自的 计算方法和强度标准。就其具体规定而言，各船级社的强度直接计算之间存 在着较大的差别；但是，总的来说，其主要内容和计算过程是基本相同的， 主要包括选取和建立有限元模型、施加边界条件、确定计算工况、计算和施 加载荷、计算求解、结果分析2 1 2 2 】。 由于本文主要是对c s r 的屈服与屈曲强度校核进行了研究，所以，本章 将从上述几个方面对c s r 的屈服与屈曲强度直接计算进行论述。 2 2 有限元模型 在船体结构强度直接计算中，多采用舱段有限元分析方法，建立船体舱 段有限元模型是第一步。通过对船舶整体结构受力分析的研究，船舯货舱区 承受着最大的载荷，是整船结构中最危险的区域。如果船舯结构能够满足强 度的要求，就可以认为其余区域的结构也满足强度的要求。所以，c s r 选取 了中间货舱作为研究对象，建立中间舱段的有限元模型。 2 2 1 模型范围 采用有三个横舱壁的三个货舱长度( 1 + 1 + 1 ) 有限元模型。 为考虑横向的波浪引发不对称载荷，有限元模型应通过作出左、右两舷 模型来实现。 所有主要纵向和横向结构单元均应在有限元模型中表示出来，其中包括 内壳和外壳、双层底肋板和桁材系统、横向和纵向强肋骨、纵桁以及横舱壁 和纵舱壁。这些结构单元上的所有板材和扶强材，包括梁腹加强板，均应表 达在模型中。 2 2 2 单元和网格 选择单元时，应注意要模型化的构件的刚度。考虑不同类型的单元进行 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如下结构模型化： 1 ) 加强筋模型化时，应使用下列单元类型： 杆元：只有轴向刚度和沿长度方向的等截面的构件 梁元：有轴向、扭转、双向剪切和弯曲刚度的构件 2 ) 板模型化时，应使用下列构件类型： 膜元：具有双轴平面i 为f j t j 度的构件 壳元：除了双轴平面内刚度，还具有平面外弯曲刚度的构件 对于膜元和壳元，应采用线性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经受重大应力梯度的区 域，例如邻近开孔、肘板、靠近凳连接等的区域。 3 ) 加筋板模型化时，也可使用二维正交各向异性单元。 当模型仅通过使用膜和或壳元来实现，网格尺寸应如下： 1 ) 在一个次肋骨间距内，即两个连续扶强材之间用个膜壳元； 2 ) 扶强材应通过使用杆和或梁元模型化； 3 ) 如设有双层壳体，主要支撑件的腹板应有至少3 个高度方向的单元； 4 ) 如没有双层壳体结构，边肋骨和端肘板应通过使用壳和或梁元模型 化，边肋骨的腹板高度上用一个单元； 5 ) 单元的长宽比不超过1 ：4 。 2 2 3 净尺度 基于c s r 的直接计算，有限元分析基于净尺度法，模型中构件厚度r 。为 t m = t 一t 椭蛐一o 5 t c 1 2 - 1 1 式中： 。，：建造厚度，为新建造阶段中所提供的实际厚度 r 。一删：随意裕量厚度，除腐蚀裕量乇外船东要求的附加厚度 t c ：腐蚀余量厚度，t c = t c i + t c 2 + f 。 f 。和t 。，：构件两侧的每一侧的腐蚀余量，见表2 1 f 。：储备厚度，取为0 5 m m 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 结构构件单面的腐蚀余量表 腐蚀余量，t c l 或t c 2 ( m ) 结构部位构件 b c - c 或1 5 0 m 以 b c a 或b c - b 下的散货船 主要构件的 舱顶以下3 范围 2 0 面板 其他1 5 压载舱 舱顶以下3 m 范围1 7 其他构件 其他 1 2 顶部 2 4l ，0 横舱壁底凳斜板和顶板 5 22 6 其他部分 3 01 5 项部“1 以及单壳散货船 边肋骨顶端肘板的腹 1 8 1 0 干散货舱板和面板 其他构件 单壳散货船边肋骨底 2 21 2 端肘板的腹板和面板 其他部分 2 01 2 底边舱斜 有连续的木质衬垫 2 o1 2 板、内底板 无连续的木质衬垫 3 72 4 与空气接 水平构件和露天甲板1 7 触的构件 非水平构件 1 0 与海水接触的构件1 0 燃油舱、滑油舱、淡水舱和空舱” o 7 甲板室内部、机械处所、储藏室泵房、 干燥处所 0 5 舵舱等 上述未计及的舱室o 5 注： i ) 干散货舱包括那些设计为装干散货的，但可能要压载水的舱。 2 ) 位于压载水和需加热燃油舱之间的板材的腐蚀余量增加0 7 咖。 3 ) 不适用于内底和内底以下的构件。 4 ) 货舱的项部，对于有顶边舱的船系指顶边舱斜板与内壳板交点以上的范围。 对于没有顶边舱的船，系指舱顶向下1 3 货舱高度的范围。 5 ) 水平构件指与水平面夹角不超过2 0 。的构件。 6 ) 管隧处外板的腐蚀余量按压载舱考虑。 7 ) 位于正常压载吃水和结构吃水之间的外板腐蚀余量增加0 5 岫。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 边界条件 模型的两个端面均为简单支撑，如表2 2 和表2 3 所示。为保证变形后两 个断面仍为平断面，可通过使用多点约束来实现，其独立点为端面与其中和 轴的交点。两端面的所有与支持船体梁纵向强度的构件相关的节点均须与单 个独立节点刚性连接，如表2 2 所示。两端面独立点的支撑情况见表2 3 。 表2 2 端面的刚性连接 位移转动 模型两端纵向构件节点 d x d y i ) zr x r y r z 所有纵向构件 r lr l r l r l 表示构件节点刚性连接到独立点 表2 3 独立点的支撑情况 位移转动 独立点位置 d x d y o z r x r y r z 模型前端面独立点 f i xf i x 模型后端面独立点f i x f i x f i x f i x 2 4 计算工况 根据隔舱装载状态和附加营运标志的不同，c s r 将散货船的计算工况分 为三大类，即适用于b c a 类船舶中间货舱为空舱两边装货的隔舱装载状态的 弯矩分析和剪力分析、适用于b c a 类船舶中间货舱装货两边为空舱的隔舱装 载状态的弯矩分析和剪力分析、适用于b c - b 和b c - c 类船舶的弯矩分析和剪 力分析。对于每一类计算工况，c s r 均作了详细的规定，在此不再作讲述， 具体可参见文献 1 第4 章附录2 。 根据具体的计算工况，可以确定其对应的装载状态和载荷实例，从而确 定相应的局部载荷和静水垂向弯矩、静水剪力，最终确定直接计算所需要的 载荷。 2 5 设计载荷 c s r 的设计载荷是用等效设计波法来计算的，包括在静水和波浪中的侧 哈尔滨工程大学硕士学位论文 向载荷及船体梁载荷。而波浪侧向载荷和船体梁波浪载荷造成的应力就是通 过使用为每一等效设计波确定的载荷组合因数组合起来确定的。 外部水静压力及货物和压载造成的内部静压力计为静水侧向载荷；外部 水动压力及货物和压载造成的内部惯性压力计为波浪侧向载荷。 静水垂向剪力和弯矩、波浪引起的垂向剪力和弯矩以及波浪引起的水平 弯矩视为船体梁载荷。 2 5 1 载荷实例 所产生响应值与计为构件主要载荷分量长期响应值相等的规则波，设定 为等效设计波( e d w s ) ，其组成部分为： 当垂向波浪弯矩在迎浪中达到最大时的规则波( e d w “h ”) 当垂向波浪弯矩在顺浪中达到最大时的规则波( e d w “f ”) 当横摇运动达到最大时的规则波( e d w “r ”) 当水线处水动压力达到最大时的规则波( e d w “p ”) e d w “h ”和e d w “f ”的波峰和波谷定义见图2 1 ；e d w “r ”和e d w “p ” 的上风舷向下和上风舷向上定义图2 2 。 ( a ) 对e d w i - i a对e i y 咿 f 。 图2 1e d w “h ”和f波峰和波谷定义 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t 畸舷向下上风舷向上 ) 表2 4 载荷实例的定义 载荷实例 h 1h 2f 1f 2r 1 r 2 p 1p 2 e d w“h ”“f ”“r ”“p ” 浪向 迎浪随浪舷向浪 舷向浪 最大弯矩最大弯矩最大横摇最大外部压力 影响 中垂中拱中垂中拱 ( + )( 一)( + )( 一) 2 5 2 船体梁载荷 本节符号定义： 三：规范船长，埘 曰：型宽，埘 c 。：方形系数 c ：波浪系数，取为： 对9 0 _ l _ 3 0 0 的船舶，c = l 。7 5 3 0 0 - l ” 对3 0 0 l 3 5 0 的船舶，c = 1 0 7 5 无：概率水平系数，取为： 正= 1 0 ，用于l o 8 概率度的相应强度计算 无= o 5 ，用于l 矿概率度的相应强度计算 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 2 1 静水弯矩 对装载手册中定义的装载工况，船体任一横剖面的设计静水弯矩m 。， 和肘，。分别为该船体横剖面中拱和中垂工况下的最大计算静水弯矩。 2 5 2 2 静水剪力 船体任一横剖面的设计静水剪力q 0 为该船体横剖面在装载手册中定义 的装载工况下的最大计算正或负剪力。 2 5 2 3 垂向波浪弯矩 船体任一横剖面完整工况下的垂向波浪弯矩m ，单位k n 聊，按以下 公式得出： 1 ) 中拱状态： m = l g o f f p c l 2 b c b i o 。 ( 2 2 ) 2 ) 中垂状态： 肘w j = 1 1 0 f u f p c l 2 b ( g + o 7 ) 1 0 弓 ( 2 3 ) 式中为表2 5 所定义的分布因数，参见图2 3 。 船体粱剖面位置 分布因数目 o x 0 4 三 2 5 x z 0 4 三x 0 6 5 l1 0 o 6 5 三 x 上 2 8 6 ( 1 一x l 1 1 o 0 o0 4o 6 5 a e 1 o f e x l 图2 3 分布因数昂 2 5 2 4 垂向波浪剪力 船体任一横剖面完整工况下的垂向波浪剪力q b ，单位七 r ，由以下公式 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 得出： q 钆= 3 0 f q f p c l b ( c b + 0 7 ) 1 0 一2 ( 2 4 ) 式中尼为表2 6 所定义的正负剪力分布因数，参见图2 4 船体梁剖面位置 分布因数尼 正波浪剪力负波浪剪力 o x 0 2 三 4 6 a x l 4 6 x | l n ， r n 气厂 o 9 2 爿o 9 2 o 3 上 x 0 4 工 ( 0 9 2 a 一7 ) ( o 4 一x l ) + o 72 2 ( 0 4 - x | u 七q 7 o 4 三茎x 0 6 上 o 70 7 0 6 上 工 0 7 l3 ( l o 6 ) + o 7 ( 1 0 a 一7 ) ( x l 一0 6 ) + 0 7 o 7 三工0 8 5 l1彳 0 8 5 三 k ) 0 图2 5 静水压力p s 2 ) 载荷实例h 1 、h 2 、f 1 和f 2 的水动压力 对载荷实例h 1 、h 2 、f 1 和f 2 ，船体水线以下任何一点的水动压力p n 和 p v ，k n m 2 ，由表2 8 得出。压力办2 分布简图见图2 6 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 8 载荷实例h 1 、h 2 、f 1 和f 2 的水动压力 载荷实例水动压力 h 1 p m = 一k l k 。p h f 1 - 1 2 p h 2 = k 毒。p h f f 1 p n = 一p l i f f 2 p f 22 p r o = 当掣 1 o ，z 时， b ， “ p h = 3 f p l , c ( 考+ 罾+ - 协， 式中：厶：计及非线性影响的系数，取为 厶= 0 9 ，对应于概率水平为1 0 。 厶= 1 0 ，对应于概率水平为1 0 。 k l ：船舶纵向幅度系数，取为 纠+ 野辟一o s 闰眺棚s 纠+ 舌( s 一跳一o s 降艇枇加 t 。：船舶纵向相位系数 铲( 地s 一等) c o s 掣垮+ o z s 洲徽状态 下的局部强度分析，对直接强度分析和对疲劳强度评估 k 。= 一1 0 ，对满载状态下的局部强度分析 五：波长，单位聊 a = 。6 ( 1 + ! 争弘，对载荷实例h l 和h 2 刎小詈等卜对载荷姗，御 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 6 船中水动压力p p ：分布 3 ) 载荷实例r l 和r 2 的水动压力 对载荷实例r 1 和r 2 ，船体水线以下任何一点的水动压力p 。，k n m 2 ， 由下式得出。压力环，分布简图见图2 7 。 舻厶l o y s i n o + 0 8 8 c 互孚( 剐 s ， p r 2 。p r l 式中：厶：同上 a ：一g 砰 砟：横摇周期，s y ：载荷点的y 方向坐标，m ，左舷为正 上忍舷( 左舷) l 下风舷( 右舷】 图2 7 船中水动压力p r 分布 4 ) 载荷实例p l 和p 2 的水动压力 对载荷实例p 1 和p 2 ，船体水线以下任何一点的水动压力p p ，k n m 2 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由表2 9 得出。压力p e 分布简图见图2 8 。 表2 9 载荷实例p 1 和p 2 的水动压力 水动压力 载荷实例 上风舷( 左舷)下风舷( 右舷) p 1p m 2 p pp e fp p 3 p 2 p p 2 ：一p pp h = 一p e 3 式中： 矿4 坼厶c 平 z 芒+ s 唧。， 厶：同上 a = 眈+ o 4 孚卜 y ：载荷点的y 方向坐标，m ，左舷为正 、 一| 一| l 一、j ， 图2 8 船中水动压力诈分布 5 ) 对水动压力的修正 对于水线处的正向水动压力( 载荷实例h 1 、h 2 、f 2 、r 1 、r 2 和p 1 ) ，水线 以上的水动压力p c ，k n m 2 ，由下式得出( 参见图2 9 ) ： p w c = 所耽+ 偌( 一力，当z + p w c = 0，当z 2 + 式中：p ，。为所计及载荷实例水线处的正水动压力 ：盟 偌 对于水线处的负向水动压力( 载荷实例h l 、h 2 、f l 、r l 、r 2 和p 2 ) ，水线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以下舷侧的水动压力p ，。，k n m 2 ，由下式得出( 参见图2 9 ) ： p w = ，且小于p g ( z z 如) 式中p ，c 为所计及载荷实例水线以下的负水动压力。 h e rs i d e c 捌i i - 2 t ( 饱) i 卜 当水动压力为正时当水动压力为正时 图2 9 水动压力的修正 2 5 ，3 ，2 露天甲板的外部压力 1 ) 载荷实例h 1 、h 2 、f 1 和f 2 对载荷状态h 1 、h 2 、f 1 和f 2 ，露天甲板任何一点的外部压力p o ，k n m 2 ， 由下式得出： p