（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）大型甲板货船参数化设计与结构屈服屈曲强度直接计算研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 与传统的货物运输不同，用于重大件运输的甲板货船是一种不同于一般货 物运输的特殊船舶。该类货船具有很大的承载甲板，适宜于装载重大件货物， 即一些特殊的超长、超宽、超重的货物( 如海洋平台模块、大型设备、集装箱 岸桥吊等) 。这类船舶有些带自航能力，有些不能自航，但他们的共同特点是方 形系数比较大，长宽比较小，对航速要求比较小，但对载货要求比较高。该类 型船舶多为肥大型，通常型线比较简单，结构形式相对固定，所以将参数化设 计技术引入该种船舶的设计当中是可行的。 在船舶设计中，a u t o c a d 软件是一个具有强大图形绘制功能的软件。然而， 由于不是专门为船舶与海洋工程专业而设计的，因此把它直接应用到船体结构 设计中还是有很大的不便，剖面尺寸的微小改变都会引起相应结构的变化，修 改繁琐且耗时。因此，为了更好的利用它进行船体结构设计，必须在此基础上 进行二次开发，来完成船体结构图的参数化设计。 船舶结构的规范设计基本上以船体梁理论以及大量经验公式为基础，存在 一定的弊端和局限性。由于装载货物的需要，船舶尺度的不断增大、尺度比超 出了规范规定的范围、特殊复杂的结构形式以及新船型的丌发，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。这种 方法是目前船体强度分析最能精确预报结构对载荷响应的结构分析方法。 本文首先是在a u t o c a d 软件的平台上进行二次开发来实现船舶结构的参 数化设计。作者详细研究了a u t o c a da c t i v e x 技术和a u t o c a d 对象模型以及 用v b a 开发应用程序的常用步骤，并在a u t o c a d 2 0 0 4 平台上通过编写大量程 序实现了对一艘1 2 5 m 大型甲板货船的结构参数化设计，实现对结构的尺寸控 制，完成图纸的自动绘制和输出。然后将程序自动生成的结构图导入有限元分 析软件m s c p a t r a n n a s t r a n ，对该船进行全船结构强度有限元准静态分析计算。 完成了对结构设计是否合理，结构屈服与屈曲强度是否满足规范要求的评估和 研究。 关键词：甲板货船；参数化设计；v b a ；有限元方法：结构分析；屈服强 度；屈曲强度。 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e c ks h i pf o rh e a v yc a r g oi sas p e c i a lv e s s e lc o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a lc a r g o t r a n s p o r t a t i o nw h i c hh a sal a r g el o a d i n gd e c kf o rs o m es p e c i a lo v e r s i z e da n dh e a v y c a r g o ( s u c ha sp l a t f o r mm o d u l e 、l a r g ee q u i p m e n t 、q u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e ) s o m e o ft h e mc a nb ed r i v e nb yt h e m s e l v e so rn o t t h ec o m m o nt r a i to ft h ed e c ks h i pi st h e l a r g eb l o c kc o e f f i c i e n t ，t h es m a l lr a t i oo fla n db ，t h el o w e rr e q u i r e m e n tf o rs p e e d a n dt h eh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rl o a dc a p a b i l i t y d e c ks h i ph a sa r e l a t i v e l yf i x e d s t m c t u r e w h i c hg e n e r a l l yn o tm o r ec o m p l e xl i n e a r , s oi ti sf e a s i b l et oa p p l y p a r a m e t r i cd e s i g nt e c h n o l o g yt ot h ed e s i g no ft h i ss h i p 。 d u r i n gt h ed e s i g no fd e c ks h i p ，a u t o c a di ss e t , w a r ew i t hp o w e r f u lg r a p h i c s r e n d e r i n gf u n c t i o n s h o w e v e r , i ti sn o ts p e c i a l l yd e s i g n e df o rt h es t r u c t u r a ld e s i g no f t h es h i p ，s ot h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m sw h e nd i r e c t l ya p p l y i n gi tt oe n g i n e e r i n g d e s i g no ft h es h i ps t r u c t u r e s m a l lc h a n g eo ft h ep r o f i l ew i l ll e a dt oac o r r e s p o n d i n g c h a n g e i nt h e s t r u c t u r e ；t h e s ec h a n g e sr e q u i r e dm o d i f y i n gb i tb yb i t a n d t i m e - c o n s u m i n g i no r d e rt om a k eb e t t e ru s eo fi tt ot h es t r u c t u r a ld e s i g no fs h i p ， r e d e v e l o p m e n tb a s e d o i lt h es o f t w a r em u s tb ec a r r i e do u tt oc o m p l e t et h ep a r a m e t r i c d e s i g no fs h i ps t r u c t u r a lp l a n a tp r e s e n t ，s h i ps t r u c t u r ed e s i g ni sb a s e do nt h eb e a mt h e o r ya n dl a r g ea m o u n t s o fe m p i r i c a lf o r m u l a s s ot h el i m i t a t i o n sa n dd i s a d v a n t a g e sa l s oe x i s t w i t ht h e l o a d i n gr e q u i r e m e n to fh e a v yc a r g o ，t h eh u l ld i m e n s i o na d d e di n c r e a s i n g l y , t h er a t i o o ft h em a i nd i m e n s i o na r ee x c e e dt h er u l e sr e q u i r e m e n t ，t h ee m e r g e n c eo fs p e c i a l s t r u c t u r es t y l e , t h ee x p l o r a t i o no ft h en e ws h i p s ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h e l a r g ev e s s e la n dn e ws h i pi sv e r yn e c e s s a r y t h er e - d e v e l o p m e n to nt h ea u t o c a d sp l a t f o r mr e a l i z e st h es h i ps t r u c t u r e s p a r a m e t r i cd e s i g n a n dt h e a u t h o rh a v eu n d e r s t o o dt h ea u t o c a da c t i v e x t e c h n o l o g ya n dt h ea u t o c a do b j e c tm o d e la sw e l la st h ec o m m o n l yu s e ds t e po f d e v e l o p i n ga p p l i c a t i o np r o c e d u r ew i t hv b a ，a n dr e a l i z e dt h es t r u c t u r ep a r a m e t r i c d e s i g no fd e c ks h i pi nt h ea u t o c a d 2 0 0 4p l a t f o r mt h r o u g ht h ec o m p i l a t i o no f l i 武汉理工大学硕士学位论文 m a s s i v ep r o c e d u r e s ，r e a l i z e dt h es h i ps t n l c n 脱sd i m e n s i o nc o n t r o l ，c o m p l e t e dt h e a u t o m a t i cp l a na n do u t p u to fd r a w i n g s t h e nt h es t r u c t u r ed r a w i n gc r e a t e db yt h e p r o g r a mw a si n d u c tt h em s c p a t r a n n a s t r a ns o f t w a r et oc a r r yo nt h ef i n i t ed e m e n t a n a l y s i s ，c o m p l e t e dt h ea p p r a i s a la n dt h ee x a m i n a t i o nt oj u d g et h es t r u c t u r a ld e s i g n t ob ew h e t h e rr e a s o n a b l e , w h e t h e rt h e y i e l d i n ga n db u c k l i n gs t r e n g t hs a t i s f yt h ec o d e r e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：d e c ks h i p ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；s 锄c t u r e a n a l y s i s ；y i e l d i n gs t r e n g t h ；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以外，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他教 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的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 胁单锄 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、缩印和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) 研究等( 签名) ：孥逢年导师( 签名) ： ：掣i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第1 章引言 随着人类对海洋资源重要性的认识，对海洋资源的探索、开发、利用越来 越频繁。近年来，海洋工程这一名词在船舶与海洋工程领域的地位越来越高， 引起了界内人士的高度重视，大型海洋钻井、采油平台成为热门话题，为配合 海洋工程的发展，一批配套船舶相继问世，如海洋供应船、铺管船、f p s o 、f s o 、 v l c c 、u l c c 及本文研究的大型甲板货船等。这些船舶有些带自航能力，有些 不能自航，但他们的共同特点是方形系数比较大，长宽比较小，对航速要求比 较小，但对载货要求比较高，该类型船舶多为肥大型，通常型线比较简单。 限于目前的船海工程技术水平，多数大型海洋钻井、采油平台一般都在陆 地上的港口或码头施工建造。对于自己没有漂浮能力的结构物只能靠驳船来运 输，将其运输或拖带至工作地点。因此重大件运输专用船舶作为一种新型的船 舶应运而生了。现在许多船公司均大力发展重大件运输专用船队，并纷纷定造 新的重大件运输船舶。目前重大件运输专用船舶主要集中在德国及北欧国家船 队中，我国的广州远洋公司已拥有一支仞具规模的重大件运输专用船队。 自航或非自航甲板货船，由于装载重、大件货物，这些货物一般非常规， 如沉箱、起重机、吊车等超长、超宽、超重的货物，由此对运输驳船的结构强 度有特殊要求。目前国内在这一领域，至今没有非常合适的法律法规对该型船 舶作全面地指导，使得普遍采用的现有规范设计法无法完全满足该船型的设计 需要。因此，利用直接计算方法，借助于有限元软件对该船型已建船舶的结构 强度计算分析就显得十分重要及必要。通过直接计算，能够从结果中反映船体 结构在重载作用下主船体各区域的应力分布和结构变形等基本情况，准确地发 现应力集中部位，甚至可以发现一些超出许用应力值的结构部位。这将作为第 一手资料给将来同类型船的设计建造提出指导性的意见，同时也可以完善现有 的法律法规，对该类型船舶作定性的约束。 由于船舶结构、外部载荷的复杂性，长久以来准确地计算结构内力一直是 一项困难的任务。在手工计算年代，许多学者潜心研究，根据经典的固体力学 武汉理工大学硕士学位论文 理论，结合船体结构多为板架、梁系和加强筋的特点，发展出适合船舶计算的 船舶结构力学，建立了一系列专用的计算方法以及经验公式。然而由于受到计 算手段的限制，研究和设计者往往只能从整体中取出结构某一部分，并按照理 论假设作适当的简化，完成结构强度计算。由此产生经典计算方法的计算结果 带有明显局限性和不确定性，并逐渐被直接计算方法取代。尽管如此，由于有 实践经验的总结和方法理论研究，这些传统的计算方法仍然解决了大量的实际 问题，其中有相当一部分至今仍指导着工程实践，并推动着计算方法的不断推 陈出新，为随后诞生的直接计算方法奠定了坚实的理论基础。 一般经典计算方法都是基于一定的理论假设上的，如船体等值梁理论、船 体结构的受力和传力理论、船体构件的分离和简化方法都带有明显的局限性。 其中船体等值梁理论对细长型船舶结构如军舰较为实用，对甲板货船这种肥大、 扁平型船舶则不适合，并且不能考虑到横向强度以及局部强度。船体结构受力 和传力仅用应力合成的方法，按照弯曲应力的代数和来校核船体强度。这很明 显只是一种假设，不能确切地反映出船体构件的真实受力情况。船体构件的简 化与分离方法将构件之间的内在联系进行简化，简化的方式一般通过边界固定 情况来表达。而如何确定边界条件取决于相连结构各部分的相对刚度，这其中 就需要计算者有一定的经验判断，产生不同程度的近似性，给计算结果带来误 兰【1 1 z l o 因此，本文将使用有限元计算软件，利用直接计算的方法，建立甲板货船 的整体全船模型，比较精确地分析船体结构在重货载荷以及波浪载荷作用下的 应力分布状况和大小，了解此类船型在实际承载情况下对船体结构形式的不同 要求。 所谓直接计算法，就是在给定的设计载荷、许用应力和现有船舶结构设计 的基础上决定船舶结构的主要结构尺寸。通过这种方法，可以把船舶结构计算 的研究成果，直接转化到船舶设计和强度校核中，以得到更加精确的结果，对 结构的强度水平，作出符合实际的判断。对于直接计算方法，中国船级社最早 颁布了船体结构强度直接计算指南( 2 0 0 1 ) ，适用于现有规范规定的船体结 构强度的直接计算和规范以外的非常规、特殊的船体结构的主要构件强度的直 接计算，其目的是对在规定载荷作用下船体结构的主要构件进行强度评估。本 文即在直接计算方法的基础上对甲板货船的几个特殊问题进行分析和研究。 随着海洋经济不断发展，海洋勘探开发不断向深水进军，海洋结构物的需 2 武汉理工大学硕士学位论文 求将不断增加，而为这些海洋结构提供服务的海洋特种船舶的需求量也将猛增。 同时随着各种尖端技术的不断出现，未来海洋工程船舶的性能将更加优良、功 能更加健全。顺应时代发展的潮流，如何设计出国家建设迫切需要的适用性好 的技术含量高的海洋工程船舶成为我国船舶行业工作者当前的重要课题。甲板 货船将成为本文主要研究对象。 1 2 问题的来源 目前船级社甲板货船的设计要求与常规船一致。但大型甲板货船通常是超 尺度的，对于超尺度的船舶结构，一般船级社都要求进行有限元直接计算以确 保结构安全。而如何进行直接计算，规范中并没有针对甲板货船编写特别的一 章指南。由于甲板货船超规范尺度比，应力分布超常规，因而不能采用梁理论 进行计算，因此波浪载荷的计算不能采用规范公式，需要进行直接计算分析。 在学术界，对国内外对驳船货运特别是重大件运输方面，在强度问题上的研究 和论述文献并不是很多，一般对于油船、散货船和集装箱船比较多，虽然这些 文献对重大件运输驳船的结构分析有指导性意义，但由于尺度比相差较大，结 构形式也完全不同，故必须注重该船型自身的特点，区分甲板货船与油船、散 货船和集装箱船的异性和共性。从服务的角度来看，有必要对这个问题进行适 当的处理。由于这一系列的特殊性，采取规范的基于梁理论的总强度经验计算 方法不足以反映本船的总强度。所以有必要对船体结构进行全船的三维有限元 计算分析。通过对本船的强度进行计算分析研究，确定船体结构的高应力区域， 从而确保船体结构的整体、局部安全性和稳定性。 此外，船体结构设计从方案构思、图纸表达、性能分析到最终的方案确定 是一个比较复杂的过程，传统的设计方法缺乏创新性、灵活性且效率低，己经 影响到船舶设计的进度，成为船舶设计的瓶颈。而甲板货船通常型线比较简单， 结构形式相对固定，所以将参数化设计技术引入该种船舶的设计当中是可行的。 且参数化c a d 是当今设计领域研究的热点，是解决上面问题的出路之一，故有 很好的工程现实意义和应用前景，为同类型船舶的船体结构参数化设计提供了 参考和依据。文中将结合a u t o c a d 的二次丌发技术和p a t r a n n a s t r a n 有限元分析 软件对该船型的结构设计的参数化及其船体结构的有限元计算分析做比较深入 的探讨和研究。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外研究状况分析 1 3 1 参数化设计的国内外研究现状 参数化方法的本质即是基于约束的产品描述方法。这是由于产品的整个设 计过程就是约束规定、约束变换求解以及约束评估的约束求解过程。参数化研 究工作最早可追溯到6 0 年代早期，s u t h e r l a n d 在他开发的s k e t c h p a d 系统中，首次 将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后来l i g h t 、 g o s s a r d 【2 】【3 】，进一步发展了这一思想，并使其实用化。在应用此方法( 数值迭代 法) 的过程中，人们也发现了该方法的诸多弊端如迭代收敛性问题等等。由此 人们又提出了符号法用以克服这些问题，但符号法的计算量很大，在实用中受 到了很大的限制。另外，人们也提出了一种应用人工智能思想的方法几何 推理法【4 】( 或称规则法) 。这种方法把约束集及所约束的几何元素用图论的方法 表示出来，然后对约束图进行几何推理以确定各几何元素的参数值。这种方法 由于简洁、计算量小，因而在实际应用系统中得到了广泛的应用。 参数化设计的方法主要有： 1 ) 代数法 代数法包括数值迭代法、符号法、概率约束法与基于遗传和退火算法的参 数化设计方法。 数值迭代技术是最早用于求解约束集的方法。在这种方法中，约束集用一 组非线性方程组来表示，然后用n e w t o n 迭代方法整体求解以确定所有的参数值。 但用这种方法求解约束方程组有一种广为人知的缺陷，即方程组迭代的收敛性 问题，这将依赖于迭代初始值的选取。 符号法利用了方程的符号计算技术。它的主要思想是把原约束方程组转化 为等价的另一组被称为是g r o b n e r 基的方程组，这罩所有的g r o b n e r 基所形成的方 程组的根都将是原约束方程组的解。 符号法虽然有其局限性，如总体上来说计算量较大，难以把变动限制在局 部范围内等等，但也具有许多其它方法所不具有的优点： ( 1 ) 它并不要求方程组的方程数和变量数相等，即它能包容过约束与欠约 束问题。并且从得到的g r o b n e r 基能方便地知道该约束方程组是否存在矛盾约束。 ( 2 ) 避免了数值迭代法求解时方程组迭代不收敛以致于找不到根，及迭代 4 武汉理工大学硕士学位论文 虽然收敛了但找到的这个根并不是符合要求的根的情况，它往往能把符合人们 要求的那些根全找出来。 代数法的第三种方法是退火算法和遗传算法。这种方法试图求解由等式及 不等式组成的高次非线性高度交叉方程组( 或不等式组) 所对应的约束满足问 题，即该约束方程组有下述特性：高次性；高度交叉性，即约束方程组难以分 解，必须整体求解。由于高次非线性方程组存在多解问题，因此如何在复杂的 解空间里快速搜索合理解是较为困难的，该种方法就是对解决此问题的一个尝 试。但该方法把所考虑图形中的几何特征点坐标用二进制来表示，因此并不实 用。 概率约束方法是由y a a c o r vh e l o r 等学者提出的。该方法把约束模型表示为一 概率方程组，然后用k a l m a n 滤波器求解之，以获得确定该约束模型所有几何特 征点所必需的全部参数值。这种方法把参数化设计模型看作是一个随机过程， 一个柔性约束的“柔性度”被表示为一个具有适当分布的随机变量的协方差。柔性 约束并不要求该约束必须得到严格满足，而只需根据一定准则得到近似满足即 可。利用这种方法，对于解决约束满足中存在的过欠约束、矛盾约束问题是很 有益的，这是因为该种方法并不强调某个约束必须得到满足，而只是需近似满 足甚至不用满足都是允许的，这样就给约束求解系统带来了一种润滑剂。这种 思想在实际应用系统中是值得进一步推广的。 2 ) 基于几何推理的人工智能方法 这种方法是用基于规则的推理方法来确定用一组约束描述的几何模型。在 推理过程中，利用专家系统将几何形体的约束关系用一阶逻辑谓词描述，存入事 实库中。推理机把从规则库中提取出来的规则用于当前的事实集中，然后推理 出几何形体的细节。推理过程输出的是由一系列推理出的规则组成的一个几何 形体的构造计划。参数化的模型也因此由在构造计划中顺序算出的规则所决定。 这种方法通过逻辑谓词可以表达很复杂的约束，例如相切，这一点是其它方法 所无法比拟的。但由于在推理过程中要查询匹配的规则，就造成了用这种方法 建立的系统很庞大，而且速度较慢。 在该方法中，k r a m e r 提出了寻找约束网中刚性子结构的方法。该方法把约 束网变换成了一个层次结构形式，然后用自下而上的方法求解此约束网。o w e n 提出了和检测刚性结构类似的约束分解方法，然而他的方法是把剖分成的子结 构用刚体坐标变换的方法重新组合起来。因此和k r a m e r 的方法相比，o w e n 的方 武汉理工大学硕士学位论文 法更注重于分解方式。 w i l l i a mb o u m a 5 】等提出了一种构造c l u s t e r 子约束网的方法来进行约束分 解。该方法首先定义了c l u s t e r 的构成方法与规则，然后利用这些c l u s t e r 重构整个 约束网。利用简单的c l u s t e r 构成规则，子c l u s t e r 可复合成复杂c l u s t e r ，复杂d u s t e r 可形成更为复杂的大c l u s t e r ，如此形成一个c l u s t e r 层次结构，利用各层次c l u s t e r 间的约束关系计算其组合坐标变换，由此即可重构整个约束网。 在基于规则的方法中，张东亮、朱英杰等提出了自组织方法。这种方法的 优点是采用人工智能的方法对图形进行自动识别和理解，完成图形几何拓扑约 束关系和尺寸约束关系的自组织，从而将原始图形的约束和数据从无序状态变 成了有序状态。在约束信息自组织的基础上，应用几何推理的方法，实现了整 个几何图形的参数化。该方法和一般的几何推理方法相比增加的特色之处在于： 图形几何拓扑约束关系与图形尺寸约束关系是通过对图形原始几何位置信息及 各种不同尺寸的标注特点重新自动识别、理解和整理而自组织生成的。 3 ) 直接编程法 在非直接式参数化技术中，这是一种较为原始但最为常用的方法。它需要编 程者熟悉计算机语言及调试技能通过分析图形几何模型的特点，确定图形的主要 参数以及各个尺寸之间的数学关系，将这种关系编入程序中。使用时执行程序， 输入需要的参数，由程序通过各个尺寸之间的数学关系确定其它相关的尺寸值， 从而确定了整个图形。这种方法适用于结构较为固定、仅尺寸发生变化或只有局 部结构变化的零件的参数化，所以这种方法的局限性较大，程序编好后，只能处 理特定结构的零件图形的参数化问题。常用在通用的商品化软件上进行二次开 发，如进行标准件和常用件的建库工作等。对于这些结构形状很固定的零件来说， 使用这种方法进行参数化设计仍然是一种比较好的方法。 4 ) 基于构造过程的方法 这种方法在交互造型过程中的每一步操作，采用了一种称为“参数化履历” ( p a r a m e t r i ch i s t o r y ) 的机制，在设计过程中，系统自动记录造型操作过程的程序 化描述，将记录的定量信息作为变量化参数，当赋予参数不同的值时，更新模型 生成历程，就会得到不同大小或形状的几何模型。这种方法较适用于结构相同而 尺寸不同的零件设计，但由于需要严格遵循某种构图顺序，故柔性和灵活性较差。 5 ) 基于辅助线的方法 这种方法是让所有的几何图形的轮廓线都建立在辅助线的基础上，辅助线 6 武汉理工大学硕七学位论文 的求解条件在作图过程中已明确规定，由辅助线来管理图形的几何约束和结构 约束，由辅助线来直接定义图形的约束集，这样就省去了在图中遍历搜索和检查 求解条件是否充分的工作，使约束的表达得以简化，减小了约束方程的求解规 模。从本质上讲，这种方法属于基于几何约束的变量几何法，只是由辅助线来 表达和定义约束。当图形比较简单和有规则时，这种方法的求解速度较快，但 当图形比较复杂时，作辅助线会增加作图的操作，影响作图的速度，而且要保 证用辅助线定义图形的约束集的完整性也是比较困难的。 1 3 2 参数化中存在的问题 尽管经过参数化软件供应商与参数化研究人员多年的不懈努力，使得参数 化技术由最初的萌芽逐步发展起来，并取得了相当的成果，但是从参数化技术 的实际应用状况来看，还远未达到人们所期望的那样行之有效。这主要是由于 参数化技术中还存在以下几个问题【6 】： ( 1 ) 参数化能处理的图形比较简单，难以处理如剖面线、粗糙度等等复杂 的工艺标注与约束。对三视图联动缺乏有效的处理方法。多解问题与拓扑变异 没有很好地解决。 ( 2 ) 对带有循环约束的约束图有向化与求解还缺乏有效的解决办法。 ( 3 ) 对二维图形的参数化研究仍停留在低层次简单线素如点、线、圆、圆 弧上，因此，参数化技术面向高层次图素如由子图形集构成的关联图形发展是 一个必然的趋势。 ( 4 ) 把传统针对点、线、圆、圆弧的二维图形参数化技术推广到由曲线、 曲面构成的二维或三维几何图形上去，这既是参数化发展的一个必然结果，也 是一个令人感兴趣的崭新课题。 由于甲板运输船舶结构相对简单、仅尺寸发生变化或只有局部结构变化， 本文拟采用直接编程法在a u t o c a d 的v b ai d e 环境下进行参数化设计的相关 研究。 1 3 3 有限元分析的国内外研究现状 5 0 年代中期至6 0 年代术，有限元法出现并迅猛发展，由于当时理论尚处于 初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法 7 武汉理t 大学硕士学位论文 在工程上普及。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 p a t r a n n 嬲t r a i l 、a n s y s 、a b a u q s 、m a r e 、 a d i n a 和a l g o f 等。 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。 c h e n 7 】等于二十世纪8 0 年代中期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。 何福志【8 】【9 】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，梁一柱理论、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，丌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。 徐向东【i o 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。 刘俊【i i 】等运用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。 武汉理工大学硕士学位论文 朱胜昌【1 2 】【1 3 】等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。 陈庆裂1 4 】【1 5 】【1 6 】【1 7 1 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，总结研究和发展了二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。 有限元分析软件与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要 表现在以下几个方面： ( 1 ) 增加设计功能，减少设计成本； ( 2 ) 缩短设计和分析的循环周期； ( 3 ) 增加产品和工程的可靠性； ( 4 ) 采用优化设计，降低材料的消耗或成本； ( 5 ) 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； ( 6 ) 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； ( 7 ) 进行机械事故分析，查找事故原因。 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，因而丌发成本高。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。 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 限元结构分析程序，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 9 武汉理工大学硕士学位论文 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。 本文采用的有限元计算软件是m s c p a t r a n n a s t r a n 。 1 3 4 有限元分析中存在的问题 在最近的十年中，船体结构计算技术有了更新的发展。由于计算机硬件的 处理能力大幅度的提高，以一批高性能软件系统的开发成功为标志，船舶结构 计算的规模已经扩大到船体中部数个货舱段的立体结构计算和整艘船舶全部结 构整体的详细计算，此时船体结构的各个细部可以真实地反映在计算中。应用 有限元方法对船体结构进行结构强度直接计算已经成为现实，并且具有很高的 计算精度。现如今，随着世界经济的发展，远洋运输的同益繁荣，出现了大型、 超大型船舶以及结构新型的船舶。世界各主要船级社对这些大型、超大型、结 构新型的船舶设计提出新的要求，要应用有限元对船体结构进行结构强度直接 计算。经过长期的科学研究，各国的船级社都形成了各具特点的船体结构强度 直接计算方法。 在船体结构强度直接计算法中，多采用舱段有限元分析方法。在各种舱段 有限元船体结构强度直接计算方法中，进行船体结构有限元分析建模，a b s 、 b v 、c c s 、d n v 、l r 、g l 都是采用的三维有限元模型。为了减少边界条件的 影响，c c s 、d n v 、l r 、g l 计算方法中选取的模型范围是船中货舱区1 2 个货舱 + 1 个货舱+ 1 2 个货舱的两舱段长。a b s 、b v 模型范围选取的则是船中货舱区1 个 货舱+ 1 个货舱+ 1 个货舱三舱段长。c c s 、d n v 、l r 、g l 和b v 有限元模型单元 的划分主要依据纵骨或加强筋的布置，即所谓的细网格模型，结构单元以板壳 单元和梁单元居多。a b s 主要根据肋板和纵桁等主要承载构件来布置单元格子 线，即所谓的粗网格模型，与此相应的船体结构构件多以膜单元和杆单元来模 拟。 目前，对船舶结构强度进行直接计算方面的研究，基本上都还限于舱段的 模型，事实上，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大多 也都采用舱段的计算模型。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( 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 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 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。 舱段模型的缺点是明显的，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 局部应力结果失真：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。 当前各国船级社仅针对油船、散货船、集装箱船等主流船型制定了比较完 善的规范，并且根据文献检索的情况来看，国内外对于大型甲板货船在重大件 运输方面的结构强度问题上的研究和论述文献很少，而学术界及工程界对于这 种超规范尺度比的大型甲板货船的论述更是凤毛麟角，且中国船级社的船体 结构强度直接计算指南也没有专门针对此类船型的相关规定。尽管对于主流 船型的结构分析对大型甲板货船的结构分析具有一定的指导意义，但是由于船 体结构形式和装载方式的不同，使得大型甲板货船在结构分析方面和其他主流 船型存在很大的区别，既有共性也有特性。 1 4 本文的研究的主要内容 ( 1 ) 论述了参数化设计及其实现的途径。参数化设计是指通过改动图形某 部分或某几部分的尺寸自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现尺寸对 图形的驱动，其中进行驱动所需的几何信息和拓扑信息由计算机自动提取。本文 的参数化设计是在a u t o c a d 软件的平台上进行二次开发来实现，文中介绍了三 种二次开发工具并且比较了他们各自的优缺点，确定采用v b a i 具来完成论文 的研究。介绍了a u t o c a da c t i v e x 技术和a u t o c a d 对象模型以及用v b a 丌发应用 程序的常用步骤。 ( 2 ) 在a u t o c a d 2 0 0 4 平台上来实现大型甲板货船结构参数化设计。介绍了 程序开发的流程，而后分析该船强框架剖面结构的几何关系，创建窗体，而后 进入代码编写步骤，文中对代码的编写以及功能的实现有比较详细的介绍。然 后调试和运行程序。接着创建窗体和编写代码来实现船体强肋骨框架横剖面、 普通肋骨框架横剖面、船体横舱壁剖面、甲板结构图、船底结构图的自动绘制。 ( 3 ) 针对c c s 散货船结构强度直接计算分析指南( 2 0 0 3 ) 的屈服与屈曲 强度标准，论述了直接计算的主要内容和基本过程，包括全船结构三维有限元 武汉理工大学硕士学位论文 模型的和建立；根据载况和波浪条件确定各种计算工况；各种工况载荷的计算 与施加；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。 ( 4 ) 深入研究了直接计算分析指南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。 ( 5 ) 选取一条1 2 5 m 大型甲板货船作为算例，依据直接计算分析指南的要求 和强度标准，对其进行了屈服与屈曲强度的分析研究。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章参数化设计与a u t o c a d 二次开发 2 1 参数化设计的概述 2 1 1 参数化设计 参数化( p a r a m e t r i c ) 设计也叫尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) 是c a d 技术在 实际应用中提出的课题，它不仅可使c a d 系统具有交互式绘图功能，还具有自 动绘图的功能。目前它是c a d 技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究 的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量 繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存 储量。 参数化设计有一种驱动机制叫参数驱动机制，它是基于对图形数据的操作。 通过参数驱动机制，可以对图形的几何数据进行参数化修改，但是，在修改的 同时，还要满足图形的约束条件，需要用约束问关联性的驱动手段来约束联动， 约束联动是通过约束间的关系实现的驱动方法。对一个图形，可能的约束十分 复杂，而且数量很大。而实际由用户控制的，即能够独立变化的参数一般只有 几个，称之为主参数或主约束；其他约束可由图形结构特征确定或与主约束有 确定关系，称它们为次约束。对主约束是不能简化的，对次约束的简化有图形 特征联动和相关参数联动两种方式。 所谓图形特征联动就是保证在图形拓扑关系不变的情况下，对次约束的驱 动，亦即保证连续、相切、垂直、平行等关系不变。反映到参数驱动过程就是 要根据各种几何相关性准则去判别与被动点有上述拓扑关系的实体及其几何数 据，在保证原关系不变的前提下，求出新的几何数据，称这些几何数据为从动 点。这样，从动点的约束就与驱动参数有了联系。依靠这一联系，从动点得到 了驱动点的驱动，驱动机制则扩大了其作用范围。 所谓相关参数联动就是建立次约束与主约束在数值上和逻辑上的关系。在 参数驱动过程中，始终要保持这种关系不变。相关参数的联动方法使某些不能 用拓扑关系判断的从动点与驱动点建立了联系。使用这种方式时，常引入驱动 武汉理工大学硕士学位论文 树，以建立主动点、从动点等之间的约束关系的树形表示，便于直观地判断图 形的驱动与约束情况。 参数驱动是基于对图形数据的操作，因此绘制一张图的过程，就是在建立 一个参数模型。绘图系统将图形映射到图形数据库中，设置出图形实体的数据 结构，参数驱动时将这些结构中填写出不同内容，以生成所需要的图形。 参数驱动可以被看作是沿驱动树操作数据库内