（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）散货船在ccs与csr规范下强度分析比较.pdf

b u l kc a r r i e r sw i t hc s ra n dc c sn o r m ss t r e n g t ha n a l y s i s c o m p a r i s o n at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w a n g d a h u i ( n a v a la r c h i t e c t u r ea n do c e a ne n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u lp r o f e s s o rl izhibinllesls s u d e r v l s o r ： r o t e s s o r1 1 i b m m a y 2 0 11 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 鳗量过篡堂直皇g 苎b 基回塑菹工墼货盟强廑坌逝出筮：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：，j 萍 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：j 天彭多导师签名：论文作者签名：如天乡移 导师签名： 日期：洲f 年月2 善 中文摘要 摘要 随着科学技术的发展，计算机的应用已经普及到社会发展的各个方面。在船 舶结构设计和强度评估中船体结构的有限元分析已成为必要的手段。本文主要针 对中国船级社( c c s ) 散货船结构强度直接计算分析指南中关于强度校核方法 进行了研究，并对一条实船进行了计算分析，主要内容如下： ( 1 ) 熟练掌握应用m s cp a t r a n 建立船体结构有限元模型的方法，选取一条 7 2 0 0 0 吨单壳散货船作为算例，建立了结构强度评估的有限元模型； ( 2 ) 讨论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、载荷的计算与施加等； ( 3 ) 确定有限元模型的计算工况、边界条件及设计载荷，依据c c s 的直接 计算法，对其进行了强度计算分析； ( 4 ) 通过对实船计算结果的分析，指出了结构中可能存在的问题，并根据 实船计算结果进行了修正和加强； ( 5 ) 按国际船级社协会( i a c s ) 2 0 0 6 年颁发的国际散货船结构共同规范 就某一特定工况进行了计算，结果与按上述散货船结构强度直接计算分析指南 得到的结果进行了比较。 关键词：散货船；直接计算；有限元；结构强度 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , c o m p u t e rh a sa p p l i e di na l lf i e l do fo u r s o c i e t yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) o fs h i ps t r u c t u r e si sn e c e s s a r yi nt h ed e s i g na n d s t r e n g t he v a l u a t i o no fs h i ps t r u c t u r e s t h es t u d yo ft h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ey i e l d i n g s t r e n g t hi nt h eg u i d et od i r e c tc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fb u l kc a r r i e r si sc a r d e do u ti n t h i sp a p e r , m e a n w h i l e ，t h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fas h i pi sf i n i s h e d t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ， ( 1 ) t h em e t h o do fb u i l d i n gf em o d e l i n gi nm s c p a t r a ni se x p l a i n e da n da7 2 0 0 0 t s i n g l es i d es k i nb u l kc a r d e ri sc h o s e na se x a m p l et ob u i l df em o d e l i n g ( 2 ) t h eb a s i cp r o c e s so fd i r e c tc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fb u l kc a r d e r si sd i s c u s s e d ， w h i mi n c l u d e sf em o d e l i n go fs h i ps t r u c t u r e s ，t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa p p l i c a t i o n ，t h e l o a d i n gc o n d i t i o nd e t e r m i n a t i o n ，t h el o a dc a l c u l a t i o na n d e t c 。 ( 3 ) t h el o a d i n gc o n d i t i o n sa n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ec o n f i r m e d ，t h ed e s i g n l o a di sc a l c u l a t e d ，t h e nt h ey i e l d i n gs t r e n g t ha s s e s s m e n ti sd o n ea c c o r d i n gt ot h eg u i d et o d i r e c tc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i so fb u l kc a r d e r s ( 4 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h es h i p ，t h ep o s s i b l ep r o b l e m so fs h i p u l e s 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 本课题研究的背景和意义1 1 2 课题研究的现状2 1 3 本文完成的主要内容4 第2 章有限元方法的原理及模型的建立6 2 1 有限元方法简介6 2 1 1 有限元的概述6 2 2p a t r a n 软件的介绍9 2 3 船舶结构有限元分析流程1 l 2 4 1 模型坐标系1 3 2 4 2 模型范围13 2 4 3 单元类型13 第3 章载荷情况的计算1 5 3 1 概j 签p 1 5 3 2 货物装载的压力1 5 3 3 舷外水压力18 3 4 端面弯矩2 2 3 5 载荷的施加2 6 3 5 1 位移约束( d i s p l a c e m e n t ) 2 6 3 5 2 力( f o r c e ) 2 6 3 5 3 压力( p r e s s u r e ) 2 7 3 5 4c i dd i s t r i b u t e dl o a d 2 8 3 6 边界条件2 9 3 7 计算工况3 0 3 8 强度标准3 2 第4 章散货船强度直接计算。3 4 4 1 概述一3 4 4 2 定义3 4 4 2 1 单位制定义3 4 4 2 2 符号规定3 4 目录 4 3 实船资料3 5 4 3 1 主尺度3 5 4 3 2 结构形式3 6 4 3 3 实船三舱段模型范围3 6 4 4 强度计算结果分析比较3 6 4 4 1 各工况的应力云图3 6 4 4 2 强度结果比较分析4 0 4 4 3 压载水压力的影响5 0 第5 章c c s 与c s r 共同规范的比较5 l 5 1 概述5 1 5 2 模型范围比较5 l 5 3 净尺度5 l 5 4 建模要求比较5 2 5 5 边界条件比较5 3 5 6 比较的计算工况5 4 5 7 设计载荷比较5 4 第6 章结论与展望5 6 参考文献5 8 致谢6 1 散货船在c c s 与c s r 规范下强度分析比较 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 随着世界经济的快速发展，世界各个国家之家的资源和贸易往来更加的繁忙。 从而给散货船的发展带来了直接的动力。散货船作为货物的运输载体具有装载量 大、运输成本低、易于装卸等优点。散货船运输市场经过长时间的发展、演变和 自我完善，迎来了新一轮的繁荣期。进入2 l 世纪以来，除了金融危机给运输市场 造成的不景气不尽如人意外，市场总体发展态势良好。市场在大部分的时间里对 散货船的需求不断上升，而供求关系基本保持了同向发展。航运市场目前的繁荣 是有目共睹的，散货船的需求量也与同俱增。但是散货船强度始终是我们关注的 重点。本文就是带着这些问题，从散货船强度出发，探讨船体舱段的计算和校核。 散货船作为主流船舶之一，主要用来运输干散货物。它可以运输那些不需要 添加包装的散货，使运输能力更好的提高，更加便捷的运输。散货船可以运载包 括煤、粮食、矿石等质量密度集中的散货，还可以运输水泥、钢材等建筑材料： 糖、盐等生活物资；化肥等农业物资。散货为世界资源的合理分配起到了积极的 作用。然而我们在看到散货船给我们的生活带来便利的同时，也应该注意到在以 往的海损事件中，以散货船发生事故的比率一直都很高。一直以来，船舶建造的 依据为各个船级社按照经验建立起来的规范，是以许用应力为基础的。这种方法 的优点是简单实用，尤其适用于常规船舶。然而，这种方法也存在着明显的缺陷。 本文的目的主要是全面理解和掌握c c s 散货船结构强度直接计算分析指南 v 1 的编写理念和规范要求，以一条7 2 0 0 0 吨单壳散货船为例，按照c c s 直接计算分 析指南的要求建立三舱段有限元模型，在模型的基础上进行结构强度计算，加之 进行实船三舱段有限元模型的强度分析，分析计算不同工况以及各工况下船体构 件的不同承载能力和变形特点。同时，与依据国际船级社协会( i a c s ) 开发的散 货船结构共同规范卜1 对同一条散货船的直接计算结果进行比较分析。 随着航运事业的蓬勃发展，船队的规模逐渐扩大，对全船队的高效率系统管 理已日益突出，通过对每艘船舶系统地建立信息数据库可以让公司领导层对船队 绪论 的整体船况有较为清晰的了解，从而更高效地管理船队；可以更有针对性的进行 船舶的修理与改造，从而提高效率，节约成本；在面对突发事件时，可以迅速地 做出必要的挽救措施，避免人员生命财产的损失；为船舶买卖提供必要信息，从 而合理判定船舶的使用价值和维修价值、制订船只的买卖策略。因此可以总结进 行全船有限元分析的必要性如下： ( 1 ) 让公司领导层对船队的整体船况有较为清晰的了解； 随着各公司的规模逐渐扩大，船的数目也日益庞大，为了使公司领导层对船 队进行高效的管理，使机务领导对所管辖船舶的结构状况有直观的了解，同时也 让船长对本船的具体结构性能有全面了解，进而系统地管理船队，对船队的整体 状况建立必要的信息数据库就显得尤为重要。 ( 2 ) 让船体结构的检测和修理更具有目的性； 船舶经过多年的运营，大多数部位由于海水及其他液体的腐蚀，板厚变薄， 结构变弱，需要定期的检测和维修，所以十分有必要建立全船信息数据库，让测 厚更具有针对性，从而便于监控重点部位的测厚，同时根据测厚及模型中应力计 算的结果可知具体的危险位置和必须马上修理的部位，合理定出修理部位的大小 和面积，避免不必要的修理扩大化。 ( 3 ) 从容应对突发事件； 船舶在航行中难免发生结构性损坏如：碰撞，搁浅，结构断裂等，为了能够 迅速在计算机中模拟并计算船舶的破损情况，为公司抢险维修决策提供科学依据， 同时给出最佳解决方案报船级社批准，所以建立全船信息数据库也是十分必要的。 ( 4 ) 提高修理效率和节约修理成本，提供船舶交易必要信息。 建立了全船的信息数据库，可以更有针对性的指出船舶需要维修的部位，从 而缩短进厂检查和修理勘验的时间。在进厂前能较为准确的提供修理厂所须的材 料备料清单，避免材料订购而影响修理时间。科学地为船舶交易提供依据，帮助 船东对交易做出正确的判断。 1 2 课题研究的现状 全球资源的整合利用，给世界航运业的蓬勃发展奠定了坚实的基础。从而给 - 2 敖货船在c c s 与c s r 规范下强度分析比较 船舶业发展带来新的飞跃机会。我们在看到船舶业发展的同时，也要注意到在航 运界的今天，海损、泄露、沉船等事件层出不穷。其中有很多海损事件是由于船 体在强度方面没有达到要求，最终导致事故的发生。在考虑船体强度时，通常需 要考虑三个方面的强度：船体的纵向强度( l o n g i t u d i n a ls t r e n g t h ) 、横向强度 ( t r a n s v e r s es t r e n g t h ) 和局部强度( l o c a ls t r e n g t h ) 。在2 0 世纪初就己形成 了船体强度理论，并在此后的几十年间获得很大进展。中外许多专家在船体强度 方面的研究已经做出了突破性的进展。 船体强度r 1 是研究船体结构安全性的科学。结构的安全性简单来讲就是说结构 本身在正常施工及合理使用时能够承受得起的各种载荷。即使在突发事件时依然 可以做到保持整体的稳定。 实际中，船体结构强度计算需要考虑的因素非常多，第一，我们要考虑的是 作用在船体上载荷的随机性和不均匀性，尤其是在波浪的冲击下，波浪产生的随 机性更大。第二，各种船舶建造使用的材料也不尽相同，各个材料的参数也不统 一，在强度等指标要求上也不相同。第三，在建造的前期，分析计算中简化的方 式、边界的施加等不一样，同样会给结果带来了很大的误差。以此看来，我们只 能用概率的方法处理船体结构强度方面的研究。 船舶在航行的过程中，受到风、海浪等自然因素的影响，还有本身结构的相 互作用，用概率的方法处理船舶工程中的问题还属于尝试阶段。在现在的船舶建 造规范中，针对于普通的的船舶，波浪的载荷依然采用的是传统的方式。而对于 一些超过规范规定的船舶，我们主要采取“直接计算法作为补充，运用概率法 对于波浪载荷进行长期预报，但是在结构的承受能力方面依然继续沿用许用应力 的确定方法。 由于科技的发展，材料性能的提高，相继出现了一些新的船型，制造出一些 更合理的船舶。海上平台等新设备的建造及使用，让我们再一次把目光聚焦到船 体结构强度方面的问题。计算机硬件及软件的飞速发展，让有限元分析在船体强 度方面得到突破性的进展。有限元按照各个构件在受力方面的不同将其表达为杆、 板、壳及梁等单元。使整体离散成各个精确的离散单元，通过有限元软件的分析 求解，可以计算出我们关心的重要构件的参数情况。有限元是目前船体强度领域 绪论 内最完善、最精确的方法。 到现在为止，有限元理论应用分析在船舶结构、新型船舶、海工平台和海上 钻井设备中得到广泛的应用，国内外许多科研人员做出了突出的贡献，提出了很 多新的研究思路和科研方法。主要的科研成果有：陈铁云、陈伯真编写的船舶 结构力学【l 】、孙丽萍教授的教材船舶结构有限元分析【3 1 、王杰德，杨永谦船 体强度与结构设计【4 】、r o r e n 的论文有限元法对船舶结构设计的影响【6 1 针对 有限元在船舶结构设计方面的影响做了全面的论述、马建等研究人员通过大型有 限元软件实现过3 5 0 0 0 d w t 散货船全船的结构有限元计算分析1 8 】。郑云龙讨论了船舶 结构有限元模型化问题，提出了几个船舶结构分析专用单元【1 0 】。管义锋针对船舶 大开1 ：3 结构的有限元分析，编制了专用前后处理软件【l l 】等【1 2 彤】。 科研工作者已经在船舶结构强度分析中把有限元的方法运用的恰到好处，做 出了许多有意义的探索。各船级社都有自己独特的计算方法，并在实际工程中得 到广泛的应用，实践中检验了研究的成果为进一步的研究奠定了坚实的基础。多 舱段的有限元思想在船体强度计算中得到广泛的认同，不同的加载情况，不同的 边界条件定义，不同的模型范围，对最终的计算结果都有很大的影响，而所要检 测的目的也不相同。 本文主要是依据c c s 散货船结构强度直接计算分析指南针对散货船中间三 舱段模型的强度进行直接计算分析，其结构有限元分析流程具体如下：根据图纸 提供的信息，用m s c p a t r a n 软件建立中间三舱段有限元模型，首先按照原始厚度 给单元赋属性，确定边界条件，确定模型的载荷，根据不同的工况，对模型进行 加载，用m s c n a s t r a n 软件计算，在所得的结果中，选择必要部位和危险部位进 行强度校核。 1 3 本文完成的主要内容 本篇论文的研究对象为实际运营的7 2 0 0 0 吨散货船，主要研究内容分为以下 几个方面： 1 按照c c s ( ( 散货船结构强度直接计算分析指南中关于强度直接计算的方法， 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、 边界条件确定、计算工况的选择及载荷的计算等等。 散货船在c c s 与c s r 规范下强度分析比较 2 熟练掌握在m s c p a t r a n 中建立有限元模型的方法，对实际运营的7 2 0 0 0 吨散货船作为算例建立结构强度评估的有限元模型。 3 建立三舱段有限元模型，确定载荷及边界条件，参照c c s 的直接计算法， 进行了强度计算分析。 4 通过对实船计算结果分析了不同工况下船体构件的不同承载能力。同时与 依据国际船级社协会( i a c s ) 开发的国际散货船结构共同规范就某一特定工况 进行了计算和结果比较分析，体会c c s 指南和c s r 共同规范中关于船舶强 度的的各自侧重点及考虑安全因素方面的余量的不同之处。 5 最后根据整篇论文在写作过程中，在选题初期遇到的困惑，在建模过程中 遇到的不解，在加载情况施加中遇到的问题。最后在老师的指导下，都得到很好 的解决，提一点自己的心得体会。 有限元方法的原理及模型的建立 第2 章有限元方法的原理及模型的建立 2 1 有限元方法简介 2 1 1 有限元的概述 计算机作为二十世纪人类最伟大的发明之一，在人类社会的进步方面的贡献。 是不可泯灭的。1 9 6 4 年第一台计算机的诞生，至今已过去半个世纪的时间，从计 算机的最初只用于科学计算，到现在计算机已经渗透到社会生活的各个领域中， 成为人类工作和生活不可或缺的助手和工具。计算机的飞速发展，推动着整个社 会的进步。当代，计算机已经被广泛的应用于新产品的开发、设计、分析与制造 的各个程序中，发挥着至关重要的作用，已经在无形中成为提高近代工业核心竞 争力的有力方法。计算机被应用于工程实际中的模拟和仿真，用于图形的设计和 受力方面的分析等，被人们概括为计算机辅助设计。 计算机在工程设计中的充分应用，致使有限元这种科学的方法得以长足的发 展与深入研究。将我们要解决的问题的求解区域离散成为有限个、并且按照一定 的方式互相连接在一起的一组单元组合体。在单元的内部，可以运用插值通过单 元节点值求得待求值。由于单元本身形状简单，易于根据平衡关系或者能量关系 建立节点方程，再将各个单元的这些节点方程组合成方程组，添加边界条件即可 求解方程组得到所求结果。 不同的领域的科研工作者从不同的角度研究有限元方法，数学家c o u r a n t 于 1 9 4 3 年讨论了分片连续和最小势能的相关问题，我国的科学家胡海昌于1 9 5 4 年对 固体力学做了深入的研究，对有限元理论的发展起到了重要的作用。1 9 6 4 年 b e s s e li n g 、m e l o s h 、j o n e s 研究f e m 与r i t z 法的关系及变分原理，工程师t u r n e r 、 c l o u g h 在1 9 5 6 年分析飞机结构时采用了自然离散法。1 9 6 0 年，美国的c l o u g h 在 一篇题为“平面应力分析的有限单元法 论文中第一次提出“有限单元法这一 说法，从此有限单元法这种定义被人们广泛应用。随着计算机在工程中的广泛应 用，有限单元法才在工程中的应用得以实现。接近半个世纪的发展，有限单元法 这一方法已经由最初的弹性力学平面问题发展为解决空间及板壳问题了，已经从 静态问题领域涉入到稳定性问题的研究领域，从固体力学的研究深入到流体力学、 散货船在c c s 与c s r 规范下强度分析比较 传热学和电磁学等方面。现在的有限元软件都有功能强大的前处理能力及后处理 程序，其中比较被大家熟悉的有a n g y s 、a b a o u s 、n a s t r a n 、a s k a 和a d i n a 等。 有限元法在今天之所以能有如此广泛的用途，是因为它有以下特点： ( 1 ) 能够胜任于解决复杂几何构件的计算。单元的存在形式可以是一维的、 也可以是二维或者三维的。并且他们可以以不同的形状存在，各种单元也可以采 用不同的连接方式，在工程中遇到的复杂结构都能通过离散为由单元构成的有限 元模型来解决。 ( 2 ) 可以解决各种物理方面的问题。求解域内的未知场函数可以通过单元内 近似函数分片来表示，同时没有被限制的场函数还能够满足方程式。这样就可以 使用有限元法解决各种物理问题。 ( 3 ) 以严格的理论为基础，在数学上，已经将有限元方程的变分原理和加权 余量法等效为微分方程，还有边界条件的等效积分形式。只要数学建模是正确的， 用来解方程的数值算法是可靠的，最终都会得到原数学模型的精确解。 ( 4 ) 适应于计算机的程序性。有限元求解的方程都是标准的矩阵代数问题， 及其适应于计算机程序的编写与执行操作，计算机硬件的提高，以及新算法的发 限元法解 方程近似 解方程， 概念，求 程和边界 有限元方法的原理及模型的建立 彳( u ) = 彳l ( ，) 彳2 ( c ，) a 3 ( v ) 彳n ( c ，) = 0( 在q 内) ( 2 1 ) 其中域q 可以是面积域，也可以是体积域。同时未知函数u 还应满足边界条件 b ( “) = b l ( ，) b 2 ( c ，) b j ，) b n ，) 其中r 是q 的边界。 = 0( 在i 上)( 2 2 ) 他 图2 1 域【2 和边界i f i 9 2 1qd o m a i na n dfb o u n d a r y 要求解的未知函数u 可以是标量场，也可以是几个变量组成的向量场( 例如位 移、应变、应力) a 、b 是表示对于独立变量( 例如时间坐标、空间坐标) 的微分 算子。微分方程数应和未知场函数的数目相对应。因此，上述微分方程可以是单 个的方程，也可以是一组方程。 2 1 3 有限元的发展历史 有限元思想，最早起源于我国古代的数学家刘徽，用正多边形无限去内接圆 散货船在c c s 与c s r 规范下强度分析比较 周，当正多边形的边数越多的时候，求得的正多边形的周长就几乎接近于圆周的 周长。这是有限元思想的萌芽阶段。随着时代的进步，科技的发展，现代有限元 方法已经被应用于社会生活中的各个工程实践中，让我们能得以解决以前无法想 象的问题，现在都可以用有限元来模拟与计算。 表2 1 有限元的发展历史 t a b 。2 ，1f i n i t ee l e m e n td e v e l o p m e n th i s t o r y 现代科研工作者 有限元理论的全面应用 2 2p a t r a n 软件的介绍 2 。2 1m s cp a t r a n 概述 m s cp a t r a n 是一种综合的并行框架式的前后处理分析有限元仿真系统。随着 市场竞争的越发激烈，各个制造企业都清楚的认识到c a e 在其产品的设计制造中 所起到的重要作用，基于各种不同品种的c a d 系统间的差别及所涉及到的学科之 丰富，急需要一个厂商能将这么多的仿真系统集成到一个平台上，让应用者容易 有限元方法的原理及模型的建立 学习和使用。m s cp a t r a n 就是基于此目的的情况下，开发的有限元框架式平台， 其软件内部的仿真可以根据用户自身的需要进行实际工程的模拟和数据的分析。 由于m s cp a t r a n 软件的诸多优点，被业界广泛的应用。 2 2 2m s cp a t r a n 特点 m s cp a t r a n 系统具有人性化的用户界面窗口，让用户可以在操作界面上轻松 的选择所需要执行的操作，符合c a e 的操作程序，通过嵌套式的最多三级子菜单， 就可以执行到全部的工具任务。平台的设计基于让不同用户可以方便的处理自己 领域内的数据，整个系统易学易用。m s cp a t r a n 可以进行网格的划分、图形的光 顺、数据库的优化等操作，系统响应非常快。可以快速的给出我们所要的结果。 这样就可以节省时间、减少资源的浪费。同时m s cp a t r a n 系统提供了在线的支持 帮助，方便用户遇到问题及时查阅帮助，并解决问题。 m s cp a t r a n 是业界所公认的有限元分析软件中非常实用的一种，其前后处理 系统的强大被人们所认同。它集成了几何造型整合、有限元模型建立、还被用来 评估结果和模拟分析结果，检测产品的性能指标。设备制造商都会在实体模型建 造之前，用m s cp a t r a n 建立仿真模型，找出可能存在的问题，并解决可能出现问 题的地方，提高产品在实际应用中的性能。m s cp a t r a n 可以帮助设备制造商从设 计到产品成型全套的仿真，m s cp a t r a n 用户界面的简介和易于记忆，让许多新学 者可以很快学会该软件，不会让他们在想利用软件之前就觉得这是一个无法解决 的决定性困难。可以由c a d 系统的模型直接导入m s cp a t r a n 系统，减少了重复 建模带来的困扰，即节省了时间又减少了再次建模过程中将产生的错误。在用户 想要独立建模和编辑模型时，m s cp a t r a n 也提供了完善的系统工具，让使用者得 心应手。 2 2 3m s op a t r a n 的优势 m s cp a t r a n 有以下几点优势： ( 1 ) m s cp a t r a n 在智能化模型处理方面的优势，允许使用者在建立的几何模 型上设定所需要添加的载荷、设计相应的边界条件、定义材料和单元的属性，并 将这些信息在有限元中体现，以此来减少模型在设计过程中所浪费的时间。可视 化的操作让人一目了然。在新产品的推出中，m s cp a t r a n 又添加了许多更加灵活 散货船在c c s 与c s r 规范下强度分析比较 和智能的工具，增加了新的网格划分技术，能让用户在最短的时间内完成工作。 ( 2 ) m s cp a t r a n 提供了一个综合的应用平台，整合了在业界广泛应用的分析 软件和技术。统一的在系统中实现。可以让用户在短时间内判断出产品的性能和 技术指标，同时提供相应的参考意见。在线帮助系统让用户在遇到问题时可以方 便的进行查阅。 ( 3 ) m s cp a t r a n 的数据库兼容技术，可以让用户在不同的工作平台间进行数 据的传递和资源的共享，同时m s cp a t r a n 还提供了p c l 语言和编辑函数，方便用 户自己编写数据进行二次开发，提高工作效率。 ( 4 ) 可视化的操作系统，让使用者可以更加直观的看到产品在分析过程中的 各种性能参数，方便定位产品存在问题的地方。可以让产品在建造之前就已经完 成产品性能各个方面的所存在的缺陷，节省了时间和资源。 图2 2m s cp a t r a n 分析流程图 f i g 2 2m s cp a t r a na n a l y s i sc h a r t 2 3 船舶结构有限元分析流程 根据中国船级社散货船结构强度直接计算分析指南中的要求，参照以往 许多科学工作者在此领域的研究，许多成功的方案表明，将采用l 2 + 1 + l 2 舱段三 维模型的形式对目标船的船体结构进行有限元计算是可行和有据可循的，在建立 模型之后，我们要对船体结构进行强度的评估。 在进行船体有限元分析中，应该按照一贯的方法和流程进行，这样即节省了 时间也避免走很多弯路，致使不能达到我们所期望的目标。具体的操作过程为按 有限元方法的原理及模型的建立 照设计图纸所提供的信息，用m s cp a t r a n 软件建立有限元模型，第一步参照原始 厚度给单元赋属性，确定边界条件，用三维波浪载荷计算方法，确定船体表面的 波浪压力，根据不同的工况，对模型进行加载，用m s cn a s t r a n 软件计算，在所 得的结果中，选择必要部位和危险部位进行强度校合。在全船模型中，选取中间 三舱( 1 2 + 1 + 1 2 ) 模型，用c c s 直接计算法进行有限元法直接计算。 图2 3 船体有限兀直接计算的流程图 f i g 2 3h u l lf i n i t ed e m e n td i r e c t l yc a l c u l a t i o n 2 4 三舱段模型的建立【3 9 删 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，船舯货舱区域承受着 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 c s 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。 散货船在c c s 与c s r 规范下强度分析比较 2 4 1 模型坐标系 船舶的几何尺寸、运动、加速度和载荷系根据右向坐标系统如图2 4 来定义： 原点：船舶对称纵剖面、l 尾端和基线的相交处； x 轴：纵向轴，向前为j 下； y 轴：横向轴，向左为正； z 轴：垂向轴，向上为正； 正转角以绕x 、y 和z 轴的逆时针方向来确定。 图2 4 参照坐标系统 f i g 2 4r e f e r e n c ec o o r d i n a t es y s t e m 2 4 2 模型范围 本文重点是考察船体中部货舱c h 4 主要结构的强度，按照c c s 指南规定的 “直接法”，取c h 4 舱的完整货舱和c h 5 、c h 6 两个舱的1 2 舱段的主要结构构件， 应用m s cp a t r a n 软件建立l 2 + l + l 2 的三舱段有限元模型。一般来说，强度评估 采用中间一个货舱( 含舱壁) 的结果。如图2 5 所示。 2 4 3 单元类型 计算模型中共采用三类单元：板单元( 壳单元) ，有面内刚度和面外弯曲刚度， 且厚度不变；梁单元，是线单元，具有轴向、扭转和双剪切力和弯曲刚度，沿单 元长度特性不变；杆单元，它也是线单元，仅有轴向刚度，沿单元长度横剖面积 不变。 有限元方法的原理及模型的建立 板( s h e l l ) 单元：模拟甲板、外板、外底板、双层底纵桁、内底板、底边舱斜板、 顶边舱斜板、双层底实肋板、底边舱隔板、舷侧肋板、顶边舱隔板、甲板强横梁、 横舱壁、卸货板、底凳和顶凳的斜板和垂向板以及顶板、横隔板、舱口围板及其 面板、肘板等构件中的板壳结构，以及各种构件之间的连接肘板。板厚按照c c s 的要求取构件的净厚度。板单元以四边形单元为主；在构件连接和圆弧过渡的地 方采用少量三角形单元。 梁( b e a m ) 单元：模拟各种构件上的尺寸较大且连续的纵骨、加强筋、扶强材等。 按照实际情况考虑梁的截面和偏心。 杆( r o d ) 单元：模拟诸如开孔处面板、间断且尺寸较小的加强筋等。 图2 5l 2 + l + l 2 舱段( 3 、4 、5 舱) 有限元模型 f i g 2 5l 2 + l + l 2t a n ks e c t i o n ( 3 、4 、5 ) f i n i t ee l e m e n tm o d e l 散货船在c c s 与e s r 规范下强度分析比较 第3 章载荷情况的计算 3 1 概述 本章借用大量表格和公式主要介绍设计载荷的计算和施加过程，模型建立的 边界条件以及强度分析的各种装载工况。各种装载工况下，施加的载荷包括： ( 1 ) 货物压力； ( 2 ) 舷外水压力，包括静水压力和波浪动压力； ( 3 ) 端面弯矩，包括静水弯矩、波浪弯矩和修正弯矩，以节点集中力的形式施 加到独立点上。 3 2 货物装载的压力 舱内货物的压力通过下式确定： 鼻= 1 0 p c ( 1 + 0 3 5 鲁) h d k n m 2 ( 3 1 ) 0 6 式中： 戌货物密度 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 0 0 ) ： 3 0 0 ，散 3 1 ，假 载荷情况的计算 图3 1 货物项面形状 f i g 3 1g o o d se n d f a c es h a p e 货物顶面，沿纵向均布；沿横向，为抛物线方程： z s2 h x ( 1 - 等) 式中：b = b 2 ，b 为船宽； 顶面至连线的最大距离为 h ：b t a n 6 ( 6 ：3 5 0 ) 2 抛物线部分的面积为 4 ：三6 2t a n 8 3 h d = z s + h o + h 曲一z h r 货物顶面至计算点的距离，m ； z r 货物顶面至连线的距离，m ； 1 1 d r 双层底高度，m ； z _ 计算点的垂向坐标值，从基线量起，m ： l l o ：根据货舱的载货量、货物密度以及横剖面形状计算， 点至内底板的距离，m 。 下表是六种工况下货物压力的场函数表达式： ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 不小于底边舱斜板顶 散货船在c c s 与c s r 规范下强度分析比较 表3 1 货物压力p i ( n m 2 ) t a b 3 1g o o d sp r e s s u r ep i ( n m 2 ) 薷 1 1 7 1 6 ( 1 9 1 - z ) o m a x ( 3 7 9 1 6 6 0 8 3 1 - 0 0 1 8 y y - z ) ，0 ) 工况4工况5工况6 载荷情况的计算 塞1 1 3 7 4 9 8 木( 1 8 了。1 8 幸、r 幸、，- z3 4 2 4 9 拳( 1 2 4 7 1 2 8 - ，y 拳y 奉。2 l 3 4 2 4 9 * ( 1 2 4 1 8 - y * y * 0 0 2 1 7 - z ) 囊3 7 9 1 6 6 * ( 1 8 2 6 - 0 0 1 8 * y y - z ) m a x ( 。，9 2 。8 。1 2 。( 7 1 2 z 4 ，1 8 y 幸y 宰m a x ( 。，9 2 8 1 毒。( 7 1 2 z 4 ，1 8 j r 宰y 幸。2 3 3f l 玄夕l 水压力 对于舷外水压力，要求进行直接计算或可采用下述方法： ( 1 ) 静水压力 在基线处：p b = 1 0 d a k n m 2 在水线处：p w = 0 0 k n m 2 ( 2 ) 波浪压力 水线处的水动力压力( k n m 2 ) = m a x ( p 。， 纠l + 1 3 5 黑“2 ( z - 引 e l = 3 k , c + k 水线处 纠3 呻焘+ q 警( o 7 + 2 钏 l y - = b r 2 ； z w = t l 。 舭部的水动力压力( k n m 2 ) ： p b s f 4 m a x ( p l ，p ” p i 与p 2 水线处的计算公式一样，但l _ l - - b 2 ； z w = o 0 底部的水动力压力( k n m 2 ) ； 1 8 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 散货船在c c s 与c s r 规范下强度分析比较 晶= l if m a x ( p l ，p 2 ) ( 3 1 6 ) p ，与p 2 水线处的计算公式一样， e i y = b 4 ； z w = o 0 舷侧水线以上的动压力 p d k - s i d e = 一* h 为从静止水线到载荷点的高度，m 。 甲板( 舱口盖) 上的动压力 瓦= 1 9 6 4 - f f 其中：h = o 1 4 a f 一d f a i 与舱口盖中点的纵向位置有关的系数，按表3 2 选取 表3 2 与舱口盖中点的纵向位置有关的系数 t a b 3 2t h eh a t c hc o v e rm i d p o i n tl o n g i t u d i n a lr e