（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）江海通航船直接计算研究.pdf

：穿 牵 l l 、 i l l l l llllllll li ll ll l l li i l l l l l l l lqlll y 1817 2 8 9 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 j _ 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： 生j 0 强日期：丝! ! 毫! ! 理鲨里 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：学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段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关机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服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：却。帐 导i j 币( 签名) ：孝芗举日期2 州。争，瑚踢留 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 江海通航船运输货物一步到位，避免了货物中转过程中的损失，缩短了货 物的运输周期，是进行江、海之间联合运输时一种较为理想的水上运输工具。 目前还没有适合航行在我国内河、沿海水域特定航线的江海通航船建造规 范。中国船级社之前各规范对海船进入江河、湖泊的情况也少有涉及。之前江 海通航船的结构设计，多根据规范中限定航区折减的相关规定，根据不同的情 况，对结构尺寸作“打折”处理，甚至有直接采用海船规范的，这种处理方法显得 略为粗糙。再加上为了装卸货物的方便和航道的限制，江海通航船的船体结构 通常具有大跨度、长通舱、大开口等特点，江海通航船舶的主尺度、结构形式 不满足上述规范的情况时有发生，更使得常规的，基于船体梁理论和经验公式 的计算方法无法应用。将有限元直接计算的方法引入江海通航船舶的结构强度 校核中就显得很有必要。 中国船级社正在制定的新规范江海通航船舶建造规范对江海通航船的 结构尺寸、结构形式、设计载荷等关乎船舶安全性的方面都做了规定，而且规 定了需要进行直接计算的情况。对江海通航船的直接计算方法进行研究，不但 能够对新规范的规定作验证，还有助于用户对规范的理解，提高用户应用规范 的能力。 江海通航船由于主尺度等原因限制，直接计算时不便选用舱段模型。在整 船有限元建模时，艏艉段线型复杂，外板具有双向曲度，建模比平行中体部分 困难，它是整船有限元分析建模的关键部位。因此，采用合理的方法完成艏艉 段的建模就显得尤为重要。课题采用a u t o c a d 的二次开发语言l i s p 和p a t r a n 的二次开发语言p c l 解决了这一问题，为p a t r a n 中创建船体复杂曲面提供了一 种解决方案。 本课题按照江海通航船舶建造规范相关要求，取极限尺寸设计了三条“概 念”江海通航船作为研究对象，建立了三条船的全船有限元模型，进行结构强度 的直接计算分析。对有限元建模、边界条件的处理、设计载荷的计算等问题进 行探讨。验证了规范的可行性。 关键词：江海通航大开口直接计算全船有限元规范 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r i v e r - s e a - t h r o u g hs h i p st oa v o i dt h el o s so fg o o d sd u r i n gt r a n s i t ，r e d u c i n gt h e g o o d st r a n s p o r tc y c l ei sa ni d e a lm e a n so ft r a n s p o r td u r i n gt h ec o m b i n e dt r a n s p o r t b e t w e e nt h ef i v e ra n ds e a t h e r ei sn os p e c i f i c a t i o ns u i t a b l ef o rc o n s t r u c t i o no fr i v e r - s e a - t h r o u g hs h i p s n a v i g a t i n gap a r t i c u l a rr o u t eb e t w e e nt h ef i v e ra n ds e a s p e c i f i c a t i o n sp r o m u l g a t e db y c h i n ac l a s s i f i c a t i o n s o c i e t y b e f o r e + a l s oh a d v e r y f e w p r o v i s i o n s o n r i v e r - s e a - t h r o u g hs h i p s t h es t r u c t u r a ld e s i g no fr i v e r - s e a - t h r o u g hs h i p sm o s t l y m a d eu s eo fs p e c i f i c a t i o na b o u tt h er e d u c t i o ni nl i m i tn a v i g a t i n ga r e ad e a l i n gw i t h s t r u c t u r ed i m e n s i o nb yad i s c o u n t ，o re v e nd i r e c t l yo b e y e ds p e c i f i c a t i o n so fs e as h i p s t h i sm e t h o ds e e m sal i t t l er o u g h i na d d i t i o nt ot h ec o n v e n i e n c eo fl o a d i n ga n d u n l o a d i n go fg o o d sa n dr e s t r i c t i o n s o fw a t e r w a y , r i v e r - s e a - t h r o u g hs h i p su s u a l l y h a v eal a r g es p a n ，l o n gc o m p a r t m e n t s ，l a r g eo p e n i n g sa n do t h e rf e a t u r e sa n dt h e i r m a i nd i m e n s i o n sa n ds t r u c t u r e so f t e nd on o tm e e tt h es p e c i f i c a t i o n s w h e nt h i s s i t u a t i o no c c u r r e d ，t h em e t h o db a s e do i lt h es h i pg i r d e rt h e o r ya n de m p i r i c a lf o r m u l a s w o n tb e a rf r u i t t h ei n t r o d u c t i o no fd i r e c tc a l c u l a t i o no ft h ef i l l i t ee l e m e n tm e t h o dt o t h es t r e n g t hc h e c k i n go fr i v e r - s e a - t h r o u g hs h i ps t r u c t u r e sb e c o m e sn e c e s s a r y c h i n ac l a s s i f i c a t i o ns o d e t yi sd e v e l o p i n gn e wr u l e s ，r u l e sf o rt h ec o n s t r u c t i o n o f r i v e r - s e a t h r o u g hs h i p s ，w h i c hn o to n l yp r o v i d e st h es t r u c t u r ed i m e n s i o n ，m o d u s ， d e s i g nl o a da n do t h e rr e l a t e da s p e c t so ns h i ps a f e t yb u ta l s op r o v i d e sc o n d i t i o n sw h e n d i r e c tc o m p u t a t i o ni sn e e d e d t h es t u d y o nd i r e c tc a l c u l a t i o nm e t h o do f r i v e r - s e a - t h r o u g hs h i p sn o to n l yv a r i e s t h en e wr u l e ，b u ta l s oh e l p su s e r st o u n d e r s t a n dt h en e wr u l ea n di m p r o v et h ea b i l i t yo ft h eu s i n gs p e c i f i c a t i o n b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fm a i nd i m e n s i o n s ，d i r e c t c a l c u l a t i o no f r i v e r - s e a - t h r o u g hs h i p sc a n n o tc h o o s eac o m p a r t m e n tm o d e l w h e nm a k i n gf i n i t e e l e m e n tm o d e lo faw h o l es h i p ，t h eo u t e rp l a t eo fb o wa n ds t e mw h i c hh a v ea c o m p l e xl i n e sa n dc u r v a t u r ea tt w o - w a y , a r ed i f f i c u l t i e sc o m p a r e dw i t ht h em o d e l i n g o fm i d d l ep a r a l l e lb o d y i ti st h ek e yp o s i t i o nw h e nm o d e l i n gaw h o l es h i p t h e r e f o r e ， ar e a s o n a b l em e t h o dt oc o m p l e t et h em o d e l i n go fb o wa n ds t e mi sp a r t i c u l a r l y u 武汉理工大学硕十学位论文 i m p o r t a n t t h es e c o n dd e v e l o p m e n tu s i n ga u t o c a d l i s pa n dp a t r a np c lh e l p st o s o l v et h i sp r o b l e ma n dp r o v i d e sas o l u t i o nt oc r e a t i n gt h eh u l lc o m p l e xs u r f a c e si n p a t r a n t h ep r o j e c ti na c c o r d a n c ew i t ht h er e l e v a n tr e q u i r e m e n t so fr u l e sf o rt h e c o n s t r u c t i o no fr i v e r - s e a t h r o u g h 舶枷，t a k et h el i m i td i m e n s i o n st od e s i g nt h r e e ”c o n c e p t ”r i v e r - s e a - t h r o u g hs h i p s a st h es t u d y0 b j e c _ t sa n dm a k et h ew h o l es h i p f i n i t ed e m e n tm o d e lb e f o r ed o i n gt h ed i r e c tc a l c u l a t i o n t h ef i n i t ed e m e n tm o d e l i n g , b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h ec a l c u l a t i o no fd e s i g nl o a d sa n do t h e ri s s u e sw e r ed i s c u s s e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h er u l ei sv e r i f i e d k e yw o r d s ：j i a n g h a id i r e c tc a r g os h i p l 晒0 l eh u l lf i n i t ee l e m e n t i i i l a r g eo p e n i n g s d i r e c tc a l c u l a t i o n s p e c i f i c a t i o n 武汉理工人学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 提出问题的背景及解决问题的意义2 1 3 国内外研究状况分析3 1 4 本文的主要研究内容。9 第2 章有限元模型的建立lo 2 1 引言1 0 2 1 1 有限元分析的一般过程1o 2 1 2 船舶结构的有限元模型化1 l 2 2 江海通航船舶的有限元模型的选取1 1 2 2 1 船舶直接计算有限元模型的类型1 1 2 2 2 江海通航有限元模型的选取及特点。l5 2 2 3 计算船的主尺度16 2 2 4 计算船的中横剖面设计1 6 2 2 5 计算船的结构形式及总布置设计1 7 2 3 有限元模型的建立2 0 2 3 1 计算软件的选取2 0 2 3 2 艏艉部分船体外板的建模2 1 2 3 - 3 有限元网格的划分2 4 2 4 模型相关特征2 5 2 4 1 坐标系2 5 2 4 2 模型规模2 5 2 4 3 材料参数2 5 2 4 4 分组的模型2 5 2 4 5 单元属性2 6 2 5 有限元模型3 3 第3 章边界条件、计算工况及载荷4 0 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3o l 整船结构有限元计算边界条件的选取4 0 3 2 设计载荷4 0 3 2 1 空船重量4 l 3 2 2 货物压力4 3 3 2 3 舷外水压力4 4 3 3 计算工况的选取4 8 3 3 1 装载工况的选取4 8 3 3 2 波浪载荷工况的选取4 8 3 3 3 计算工况的选取原则及计算工况4 8 第4 章许用应力及计算结果5 0 4 1 计算结果应力的选取5 0 4 2 许用应力5 0 4 3 计算结果一5 1 4 3 1 货舱区域各个分组板单元中心点中面应力5 l 4 3 2 货舱区域各个分组梁单元轴向应力6 8 4 4 计算结果分析：o o oooooo oooooo oo0 7 6 第5 章结论及展望7 8 5 1 课题结论7 8 5 2 展望7 9 致 射8 0 参考文献8l 攻读硕士学位期间发表的论文8 4 v 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 我国水系发达，水路运输具有众多优势，其强大的运输能力和通过能力， 对货物，尤其是大件货物，的良好适应性，历来备受亲睐。再加上水运建设投 资省，运输成本低，劳动生产率高，平均运距长，更使得水上运输发展迅速。 在我国，主要的水上运输网有两个，一是由北至南，从大连港到海南岛的 沿海运输网；另一是由西至东，以长江为主的，从重庆至上海的内江运输网。 随着我国国民经济的不断壮大发展，更加直接有效的运输方式成为人们日益关 注的课题。但是长期以来，由于两网气象水文条件对船舶航行性能、结构安全 性的不同要求，使得江船与海船各自为政，尤其是江船不能直接出海航行，需 要由海船中转外运，这显然不能适应经济发展对水上运输的需求【乃j 。 就水上运输而言，直接联系沿海运输网与内河运输网，由此带来的经济效 益，相关利益方在其面前都是缺乏抵抗力的。在此背景下，江海通航船( 俗称 江海直达船) 应运而生。海船能进江或江船能出海，从而摆脱航区的限制，实 现“江海通航”、“江海直达”，提高营运效率。 江海通航船舶运输货物具有与生俱来的优势：货物运输一步到位。由于减 少了货物运送中途先前不得已而为之的中转环节，避免了了货物中转过程中的 损失，缩短了货物的运输周期，对一些对质保有较高要求的货物而言，更能保 质保鲜。由此看来，江海通航船舶是进行江、海之间联合运输时一种较为理想 的水上运输工具。 然而，由于江、海两个不同航区在气象、水文和地理环境等条件上存在着 较大的差别，对在各自航区运营船舶的各种性能要求也有相应的差别，故而给 江海通航船舶的设计带来了一定的难度【1 2 1 。作为一种合理的江海通航船舶设计 方案，设计对象必须既能经受江、海两级航区不同的气象、水文和地理环境等 条件对船舶结构安全性的考验，又能同时满足江、海两级航区对船舶航行性能 上的不同要求，并能最大限度地提高船舶在建造和运营过程中的经济效益【3 0 1 。 一个优秀的江海通航船舶设计方案应是上述问题的最优解，而首当其冲必 须解决的是结构安全性问题。 武汉理t 大学硕十学位论文 1 2 提出问题的背景及解决问题的意义 运输市场对江海通航船舶的迫切需求也形成了江海通航船舶对相应建造规 范的迫切需求。尽管江海通航船舶的数量近年来大幅增加，但终究只是在市场 激素作用下催生的早熟产物，其技术条件尚待完善，船舶的结构安全性尚需进 一步验证，船舶建造的经济性还有优化空间。 在使用环境上，由于江船和海船有很大不同，在制定规范时，各国均将海 船和江船分成两个不同的系统【1 4 】。早期的江海通航船在设计、建造时，基本上 是依据当时的海船规范，特别是稳性、主要结构布置形式等，都以海船建造规 范作为标准，相关部门在检验及签发证书时，也将江海通航船舶作为海船对待。 尽管这样对待基本能够保证江海通航船舶的安全性和适用性，但还是一种粗略 的处理方式。 江海通航船与江船或海船不同，因为其航行过程中要跨越江、海两个不同 气象水文条件的航区，这就需要兼顾两者，使设计船能满足海船规范和内河船 规范的要求【6 1 。江海通航船虽然在内河、沿海都能航行，但在我国，实际使用中 主要是江船出海，海船进江的情况则较少。江海通航船在内河和沿海航行时， 遭受的波浪载荷是不同的，周期会明显改变，并具有问歇性【1 4 1 。从江海通航船 舶的整个生命周期看来，其遭受波浪载荷的超越概率水平也与海船或内河船不 同。在进行结构设计，计算设计载荷时，采用内河船规范或现有的海船规范显 然是不合适宜的。 目前还没有适合航行我国内河、沿海水域特定航线的江海通航船建造规范。 中国船级社之前各规范对海船进入江河、湖泊的情况也少有涉及。之前江海通 航船的结构设计，多根据规范中限定航区折减的相关规定，根据不同的情况， 对结构尺寸作“打折”处理，甚至有直接采用海船规范的，这种处理方法显得略为 粗糙1 6 j 。再加上为了装卸货物的方便和航道的限制，江海通航船的船体结构通常 具有大跨度、长通舱、大开口等特点，江海通航船舶的主尺度、结构形式不满 足上述规范的情况时有发生，更使得常规的，基于船体梁理论和经验公式的计 算方法无法应用【4 1 。将有限元直接计算的方法引入江海通航船舶的结构强度校核 中就显得很有必要。 中国船级社正在制定的新规范江海通航船舶建造规范对江海通航船的 结构尺寸、结构形式、设计载倚等关乎船舶安全性的方面都做了规定，而且规 定了需要进行直接计算的情况。对江海通航船的直接计算方法进行研究，不但 2 武汉理工大学硕士学位论文 能够对新规范的规定作验证，还有助于用户对规范的理解，提高用户应用规范 的能力。 1 3 国内外研究状况分析 在船舶结构强度分析历史上，t i m o s h c n k o 和g o o d i c r 提出的梁理论一直主宰 着船体总强度分析。该理论把整艘船简化为一根梁，将其静置在波浪上进行分 析 4 1 。为得到强力构件( 如底部纵桁) 的内力，需要采用应力合成的方法，即将 构件的应力分为总纵弯曲应力和板架弯曲应力，分别计算后再进行合成。然而， 船舶的实际结构形式( 存在甲板大开口、各种间断构件、不同的构件连接方式 等) 、承载模式( 载荷传递路线) 以及变形情况( 必须保证相连构件问的有效连 接和变形协调) 是相当复杂的，船体梁理论难以精确地模拟船体梁的构造细节， 而是人为地将构件的应力分开计算会带来较大的误差【3 5 1 。同时，经典梁理论考 虑不到船体梁的扭转变形、翘曲位移以及弯扭耦合等问题，而对于某些船型( 如 集装箱船、大开口散货船等) 来说，这些问题是必须加以考虑的。所以经典的 船体梁理论是比较粗糙和不完善的【8 1 。 考虑到船体为变截面薄壁空间结构，一些研究者采用有限梁方法，把船体 离散为阶梯形薄壁梁段，应用迁移矩阵法或一维有限元法进行计算【2 5 1 。川井忠 彦( k a w a i ) 、哈斯勒姆( h a s l u m ) 、彼德森( p c d c r s c n ) 和杨永谦等在船体结构 薄壁梁理论研究和应用方面都作出了巨大贡献。 下图是采用薄壁梁理论程序和规范要求，对某1 4 0 m 江海直达船弯扭组合强 度进行计算校核的例子。 l i lt王iii量量垃u监垃l il 量墟l 工皿l 皇丑 图1 11 4 0 m 江海直达船弯扭组合强度的薄壁梁理论计算校核 li 图1 21 4 0 m 江海直达船弯扭组合强度的薄壁梁理论计算校核 武汉理工大学硕士学位论文 图1 3 14 0 m 江海直达船弯扭组合强度的薄壁梁理论计算校核 图1 41 4 0 m 江海直达船弯扭组合强度的薄壁梁理论计算校核 4 武汉理t 大学硕士学位论文 图1 5 4 0 m 江海直达船弯扭组合强度的薄壁梁理论计算校核 m a i nr e s u l t s ： a r e a =1 6 7 2 8 3 3m 2 f v = t 7 19 1 3 6 5 5 m 4 s e c t i o n4 图1 6 4 0 m 江海直达船弯扭组合强度的薄壁梁理论计算校核 5 - 9 1 2 6 4 9 武汉理工大学硕士学位论文 图1 71 4 0 m 江海直达船弯扭组合强度的薄壁梁理论计算校核 由于采用薄壁梁理论能够获得工程上适用的精度，并且数据准备量和计算 时间都较常规有限元少，所以在初步设计阶段采用薄壁梁理论是合适的，且研 究表明误差使得设计偏于安全【l5 1 。 但是薄壁梁理论本身也存在着不足：其中经典薄壁梁理论对船体开口部分 较为准确，而对闭口部分误差较大；各种修正理论可以得到较好的结果，但关 键在于处理好梁段间的连续、协调条件，还有待于进一步研究【3 2 】【3 3 1 。另外，运 用薄壁梁理论进行船体弯扭分析时，仍有不少简化假定，所以有一定的局限性。 g l 发现这种方法在若干情况下，不能正确地估计船体的变形，特别是船的艏艉 部分【3 4 】。 有限元的基本原理是将原本连续的求解域人为的离散为有限个单元的组合 体，将求解域上待求解的未知场函数，用在每个单元内假设的近似函数来分片 的表示，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来 表达【2 j 。从而使一个连续的、无限自由度的问题变成离散的、有限自由度的问题。 有限元法的发明可上溯n - 十世纪四十代。c o u r a n t 在求解s t v e n a n t 扭转问题时， 第一次应用定义在三角区域上的最小位能原理和分片连续函数。1 9 5 6 年，现代 有限元法有了第一个成功的尝试：t u r n e r 、c l o u g h 等人在进行飞机的结构分析时， 在弹性力学平面问题中推广应用了钢架位移法，用三角形单元求解平面应力问 题并得到了正确答案。1 9 6 0 年，c l o u g h 进一步研究了平面弹性问题，并第一次 命名、提出了”有限单元法”，使人们得以正式认识这一方法及它的功效。首次将 有限元法引入我国的是河海大学教授，著名的力学家，教育家徐芝纶院士。徐 6 武汉理工大学硕十学位论文 院士对有限元法在我国的应用、推广起了很大的推动作用。 6 0 年代末7 0 年代初出现的通用大型有限元程序，功能强大，使用方便，计 算结果可靠，工作效率高，成为工程应用中结构分析强有力的工具【2 】。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【3 1 1 。 正是由于有限元直接计算对结构力学分析的巨大推动作用，各国船级社或海 事主管部门在船舶结构强度有限元直接计算的研究上都不遗余力嗍。有限元直 接计算在船舶结构强度分析中的应用得到了长足的发展。 无论是建立船体结构三维有限元模型，还是对计算结果进行整理和分析， 船体结构强度直接计算都是一项工作量巨大，技术要求很高的工作。为了适应 结构强度直接计算的要求，尽量对算法进行规范化，并结合规范进行各种强度 的评估，各船级社都纷纷推出了自己的直接计算软件。表1 简要介绍了几个主 要船级社强度直接计算软件功能简介。 7 武汉理工大学硕士学位论文 表1几个主要船级社强度直接计算软件功能简介( 截止到2 0 0 2 年) 船级社程序系统程序系统的主要特征 s a f e h u l l 基于d l a ( d y n a r n i cl o a d i n ga p p r o a c h ) 方法。该方法的主要特征是 确定作用于船体结构上的真实动态载荷以及载荷合成效应。s a f e h u l l 包括p h a s e a 和p h a s eb 两部分。p h a s e a 全部采用简化的工程方法，包括临界载荷的确定、 响应的计算以及强度标准，来确定构件的尺寸。具有不同端部连接方式的纵向 a b ss a f e l u n 构件的疲劳强度校核也在p h a s ea 中进行。在p h a s e b 中，对p h a s ea 中所确定 的初步设计方案进行细化分析，包括几个三舱段有限元分析以及随后的二维精 细分析。接着对每个构件作详细的强度校核包括屈服、屈曲以及极限强度。但 p h a s eb 中的疲劳强度评估还没有做到，即谱疲劳分析的功能还没有。 s h 删r i g h t 包括s d a 和f d a 两个模块。 s d a ( s t r u c t u r a ld e s i g na s s e s s m e n 0 是一个有限元分析模块，包括建模方法、 各种构件的典型装载工况以及相应的强度标准。模型包括两个半舱和一个整 s h i p r i g h t舱。单元大小根据板格加强筋的布置。强度校核包括屈服和屈曲两种。在校 l r ( s d a & 核中考虑了局部应力和总应力的合成效应； f d a ) f d a ( f a t i g u ed e s i g na s s e s s m e n t ) 包括三个层次的校核。在很多场合，加强 筋连接处的疲劳强度均用第二层次的方法进行校核。该方法基于“第一原 理”( f i r s tp r i n c i p l e s ) 方法。热点应力集中系数要么用简化的有限元梁模型计算， 要么取自于事先作好的内部数据库。第二层次的方法已编入p c 程序。 n k p r i m e s h i p 该系统包括从波浪载荷计算到三维整船有限元分析以及局部强度校核。高 效的建模工具以及界面程序也开发出来。强度校核包括屈服和屈曲。疲劳强度 a s s a s 校核在后处理程序中进行。 c s a 1 ( c o m p u t a t i o n a ls h i pa n a l y s i s ) 是精细的规范校核步骤。用一个二舱段 模型，根据规范所定义的载荷和强度标准进行校核。c s a 2 是一个更复杂的步 d n v c s 一-icsa 2 骤。采用整船模型，外载荷用程序计算，采用更加详细的屈曲和疲劳强度校核 标准。总强度校核基于极限破坏强度( u l t i m a t ec o l l a p s es t r e n g t h ) 的概念。对完 整和破损两种状态均进行校核。c s a 1 和c s a - 2 的功能均已包括在最近推出的 n a u t i c u sh u l l 系统中。 它是一个p c 软件，帮助设计人员进行规范强度校核。它也包括了三舱段 的三维有限元分析模块。纵向构件可以直接从规范校核的输入数据中取出。横 向构件和舱壁结构可以通过交互式或手工输入方式建立。单元人小基本上根据 b vv e r i s t a r 主要支撑构件的布置。各种装载状态下的所有的节点力和边界力是自动加上去 的。软件中包含了内部校核的程序，尺寸不够的地方含有特殊显示标准，使得 设计人员很方便地进行设计、修改。 g l 的直接计算法是一个有限元的方法。包括整船有限元分析或局部有限 p o s e i d o元分析，特别是针对大开口船，在它们的直接设计法中采用了先进的设计波浪 g l 法( a d v a n c e dd e s i g nw a v ea p p r o a c h ) 来模拟船舶在最不利上况下航行。对有限元 n 分析的结果进行变形、许用应力、屈曲强度和结构节点的疲劳强度校核。p c 版本的p o s e i d o n 软件从9 6 年底起开始开发，目前仍在发展之中。 包括人型散货船、油船、集装箱船船体结构规范设计与校核、载荷计算、 海虹之彩 结构强度直接分析与评估( 参数化建模、自动加载和强度标准) 、疲劳评估和 c c s 船舶数据库的开发及其计算机系统。 ( c c s s ) 海虹之彩的疲劳模块基丁s n 曲线的损伤累积计算方法，可以对散货船、 油船、集装箱船的结构肖点进行疲劳评估。它通过数据库与规范模块等集成。 8 武汉理工大学硕+ 学位论文 但是，船舶结构毕竟不像一般的工程结构，每条船都有自己独特的个性，再 加上新船型、新结构形式的不时出现，对每条船我们很难仅仅靠输入几个参数， 然后自动生成我们所需的有限元计算模型并进行有限元分析。尤其是整船结构 的有限元分析，从前处理的角度上看，建立有限元模型就是一个难点。特别艏 艉船体外壳曲度变化较大的位置，其建模难度要大于“中规中矩”船中舱段。再加 上整船有限元分析在目前的研究水平下，特别是在外力计算方面，可能还存在 这样或那样的问题，目前各主要船级社在制订的船舶结构强度直接计算指南中， 绝大多数情况都采用舱段的模型。这样可以使工作得到很大的简化。 但是，在进行江海通航船结构强度的直接计算分析时，舱段模型的应用遇到 了很大的障碍。江海通航船( 计算船长通常在1 4 0 m 以下) 一般不会布置两个以 上的货舱，若采用舱段有限元模型，则需要在货舱范围的有限元模型的基础上 向前后延伸1 个型深的范围。就此论，舱段模型是无法应用的，整船的有限元 分析就显得很有必要。而载荷计算技术的日趋成熟，计算机软件和硬件的飞速 发展，也使得整船结构的有限元直接计算成为可能。 迄今为止，已有多位学者做过这方面的研究【2 5 】【2 6 】【2 7 】【2 8 】，整船结构的有限元 直接计算也为越来越多的船舶结构强度计算分析工作者所认可。 1 4 本文的主要研究内容 “，； 本文根据l o o m 、1 2 0 m 、1 4 0 m 江海直达船的概念设计图，依照江海通航 船舶建造规范建立了三条船全长，全宽( 型宽) ，全高( 型深) 结构的三维有 限元模型；对复杂曲面的几何建模，网格划分方法、原则进行研究；对整船结 构有限元分析时边界条件、载荷的处理方法做了一些探讨；根据计算结果对规 范中直接计算相关条款规定的合理性进行验证；为规范研究者提供一些参考。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 1引言 第2 章有限元模型的建立 2 1 1 有限元分析的一般过程 船舶结构强度有限元直接计算是“艺术与技术的完美结合”。 船体结构有限元直接计算的一般过程如下图所示： 图2 1 有限元分析的一般过程 前处理是这一过程“最具艺术性”的工作。一个优秀的计算模型，应该能够模 拟结构中的各种构造细节，并迎合求解的需要。一个优秀的计算模型，不但能 够为最后得到可靠的计算结果提供有力的保证，而且模型中包含的建模者的“匠 心”能给人带来极大的美的感受。求解过程是最为简单的一个环节，只需设置好 分析参数，提交计算即可，计算过程由求解器完成。后处理则是“最有技术含量” 的工作，这一过程要求计算者具有扎实的力学功底，丰富的工程经验和软件使 用经验，如此，才能正确的分析计算结果，得出符合实际的结论，提出有效的 工程方案。当计算模型比较“漂亮”时，计算结果往往也更接近工程实际，感 性与理性，在此达到了完美的统一。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 船舶结构的有限元模型化 据统计，有限元前处理要占用c a e 分析过程6 0 - 8 0 左右的时间( 当然， 这仅针对一些“难度”不是很大的计算而言) 。船舶是一个复杂的水上建筑物，其 结构的复杂性是不言而喻的，再加上船舶种类众多，结构形式多样，以及时有 出现的新船型，使得建模的工作量巨大。 实际操作时，一方面，船舶结构的模型化应该能够模拟结构中的各种构造 细节。另一方面，又不可避免要进行一些近似和简化( 如板缝、开孔或肘板的 圆弧等) ，尤其是在采用基于纵骨间距肋距的常规网格模型中【5 】。如何选取，就 需要经验。实际建模时，人们总是以预期精度的计算结果为目标，选择合理的 模型精确度和简化方式。 此外，根据不同的计算目的选取合理的模型范围能大幅提高工作效率和结 果的可靠性。 2 2 江海通航船舶的有限元模型的选取 2 2 1 船舶直接计算有限元模型的类型 各个船级社或海事主管部门在制定各自的规范、指南时，关于有限元直接 计算的内容不尽相同，这与各国实际的气象水文、地理环境情况以及规范体系、 研究水平有关。其中模型范围的选取各家就有不同的选择。 2 2 1 1 日本海事协会( n k ) 的直接计算模型 在n k 的规范g u i d e l i n ef o rd i r e c ts t r e n g t ha n a l y s i s ( 2 0 0 2 ) 中规定了一个 1 2 + 1 2 的舱段模型，将其运用于散货船或油船的直接计算【4 5 | 。该模型应至少取 包括横舱壁在内的前后两个全深全宽的1 2 货舱( 如图2 1 2 4 ) ，以使油舱和 压载舱的布置、装载方式和舱壁附近构件的布置再现船舶的实际应力状态。 武汉理= 人学硕士学位论文 图2 1n k 散货船直接计算模型( 1 ) 图2 2n k 散货船直接计算模型( 2 ) 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 图2 4 n k 油船直接计算模型( 1 ) 荨张，跬嘲再i 的l , f 蠹醚嚣囊! 凝 槲懈堂一-k 曼1 矽严 k - - 矿 1jp”1忑x丐守 飞0e _ - -， _ _ 一掳 魄_ 剃酬 _ i 蓁 i 蛐 一 - 1 乙 皿瞄 甲酗 -_ _ 瞄i _ - 出 ii 獬；j 签f 薄i f iil i 一翟瞩 _ 酾 云 k 蛰i 魄 鲨 融 赫 静 _ 出 伊 幽 k 伊 _ 呐 一 一 黼瓿 。f n l l 幽l ! 奶：挂 uij|ilil1 jr 1 ”r f r 【：io -iti 磷稍叫+ 洚脞 圣升畿l ! 一 图2 4n k 油船直接计算模型( 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 上述模型是一个局部载荷的舱段计算模型，施加的载荷仅为货物压力和舷 外水压力( 不施加端面弯矩、端面剪力等总纵弯曲载荷) 。在中国船级社钢质 海船入级与建造规范第中规定，对舱长超过3 0 m 的船舶，应保证货舱区域船 体结构的横向强度。采用直接计算的方式校核横向强度时，采用的模型和载荷 与此类似。 模型中应考虑的构件由分析范围内的待评估构件和主要构件组成。纵通扶 强材和水密舱壁扶强材，作为传递载荷的构件也应包括在该模型内。根据模型 中的应力状态，适当选择网格尺寸并对各单元合理地进行网格化，同时注意避 免有大边长比的网格。被评估单元的标准尺寸应根据单元的一边长近似等于附 近扶强材间距来确定。 2 2 1 2 英国劳氏船级社( l r ) 的直接计算模型 l r 的计算模型除了应用通用有限元软件外，还有其专用程序s h i p r i g h t 。在 a n a l y s i so fp r i m a r y s t r u c t u r eo fm e m b r a n et a n kl n gs h i p s ( j u l y2 0 0 2 ) 中，对于 薄膜型l n g 船l r 采用了一个由船中到首、船中到的尾“半船”模型。该模型使 用中具有一定的局限性，特别是当货舱具有大开口时，刚周边假定限制了船舶 结构的横向变形【4 6 1 。所以通用性较差。再加上载荷计算的工作量和难度较大， 又降低了可操作性。 2 2 1 3 法国船级社( b v ) 的直接计算模型 b v 的钢制海船规范中有关于整船结构有限元分析的规定。需要应用整船结 构模型分析的船舶通常具有下列一个或一个以上特征船舶的主要支撑构件：有 甲板大开口的船，有大舱室布置的船，在舷侧和纵舱壁上有一系列开口的多层 甲板船，应考虑由于每层甲板参与总纵强度的不同产生的应力。 模型的建立要求节点和单元数目应使模型的刚度和惯量正确代表实际船体 梁结构，及正确考虑不同承载构件间载荷的分布，结构模型建立应基于下列准 则： 令在模型中不是单独表示的参与船体梁总纵强度普通骨材，用有规则合并成组 的杆单元模拟 主要支撑构件的腹板在高度方向仅用一个单元模拟 夺面板模拟为具有相同截面的梁 两个主要支撑构件问的板可用一个条形单元模拟 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 夺普通骨材或小管子通过口可以忽略 令主要支撑构件腹板的人孔( 及类似的不连续) 可以忽略，但单元厚度应按孔高 度与腹板高度比相应减小 2 2 2 江海通航有限元模型的选取及特点 目前各主要船级社在制订的船舶结构强度直接计算指南中，绝大多数情况 都采用舱段的模型( 其主要目的和初衷是减少建模和计算的工作量，并与计算 机条件相适应) ，但对于模型范围的规定莫衷一是，如a b s 、j b p 、j 四的三舱 段模型【4 7 1 ，l r 、d n v 、c c s 、k r 等的两舱段模型，n k 、b v 的一舱段模型等 等，各家船级社各持己见、始终无法统一的客观事实反映出的问题是：各种舱 段模型虽然都有一定的合理之