（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于油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1 = 程大学硕士学位论文 摘要 国际船级社协会( i a c s ) 为了满足海事界与船东的要求，避免i a c s 成 员之间在结构标准方面的不良竞争而导致建造中出现低标准船舶，i a c s 基于 目标型标准的概念，综合了其所有成员国的经验与研究成果，制定了双壳 油船结构共同规范，并已于2 0 0 6 年4 月1 日起生效。共同规范中对屈服和 屈曲强度这两个衡量船体结构强度的主要指标作了尤其详细的规定。本文主 要是对共同规范中的有限元屈服强度评估方法以及高级屈曲评估方法进行了 研究，其主要内容如下： 1 ) 论述了共同规范中的三舱段有限元分析技术，包括建模、自动加载、 载荷工况的确定以及剪力和弯矩的调整等关键技术。结合基本的力学原理和 等效设计波法对规范中有限元强度分析中相关内容的理论背景进行了研究。 2 ) 本文对共同规范中的高级屈曲评估方法进行了深入的研究，对高级届 曲方法中各种影响因素及其理论依据进行了较为详细的讨论。简要介绍了 i a c s 推荐使用的屈曲评估程序p u l s 的理论背景，设计原则和目的。 3 ) 仔细研究了p u l s 程序中采用的两种屈曲计算方法，一种是局部屈曲 产生的弹性大挠度分析；另一种是加筋板整体屈曲的半解析法研究。 4 ) 编制了与波浪载荷计算程序配套的一种基于m s c p a t r a n 的波浪外压 及货物惯性压力的自动加载程序。并且针对有限元分析中的几个问题，如中 部舱段剪力和弯矩的调整，应力的提取，屈曲评估应力的处理等问题进行了 研究，编制了剪力和弯矩调整程序以及屈曲应力处理程序。 5 ) 对两条1 l 万吨h f r a m a x 型油船( 分别为原油船和成品油船) 进行了 有限元强度评估，包括屈服强度校核、屈曲强度校核以及细网格分析。通过 对评估结果的归纳总结，得出各个有限元计算工况对船体主要构件的不同影 响，指出了按共同规范进行船舶设计过程中需要注意加强的船体构件。 关键词；共同规范；船舶结构；高级屈曲；局部屈曲；整体屈曲；有限元； 自动加载；屈服强度评估 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fm a r i t i m eo r g a n i z a t i o na n ds h i po w n e r , i a c s e s t a b l i s h e dt h ec o m m o ns t r u c t u r a lr u l e sf o ro i lt a n k e r ( c s r ) ，w h i c hh a sg o n e i n t oe 腩c ta tl “a p r i l2 0 0 6 t h ec s ri sb a s e do nt h ec o n c e p to ft a r g e ts h i p i th a s c o n t a i n e dt h ee x p e r i e n c ea n dt h en e w e s tr e s e a r c hr e s u l t so fm e m b e r so fi a c s t h ey i e l d i n ga n db u c k l i n g ，w h i c ha r eu s u a l l yd e f i n e dt w om a i nf a i l u r em o d e sf o r s h i ps 仇l c n l r s a r ee s p e c i a l l yd e f i n e di nc s l lt h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h e a s s e s s m e n to f y i e l d i n gs t r e n g t hb yf e ma n d a d v a n c e d b u c k l i n ga n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ec s i ln e m a i nc o n t e m sa t ea sf o l l o w s ： 1 ) i n t r o d u c et h et e c h n o l o g yo ff e mi nc s r , i n c l u d i n gm o d e l i n g ，l o a d i n g ， d e f i n i t i o no fl o a de a s e sa n dt h ea d j u s t m e n to fs h e a rf o r c ea n db e n d i n gm o m e n t r e s e a r c ht h et h e o r e t i c a lb a c k g r o u n do f f e ma c c o r d i n gt ot h ec s rb yu s eo f b a s i c m e c h a n i c sp r i n c i p l ea n dt h ee q u a ld e s i g nw a v ea p p r o a c h0 i d w ) 2 ) r e s e a r c ho nt h ea d v a n c e db u c k l i n ga n a l y s i si nc s 凡d i s c u s st h em a i n i m p a c t i o n s a n dt h et h e o r e t i c a l b a c k g r o u n d o ft h ea d v a n c e d b u c k l i n g a n a l y s i s g i v ea b r i e f r e v i e wo f t h et h e o r e t i c a lb a c k g r o u n d ，d e s i g np r i n c i p l e sa n d p u r p o s eo fp u l s ，w h i c hi s ap r o c e d u r er e c o m m e n d e db yi a c st oa s s e s st h e b u c k l i n gm e n 殍h 3 ) r e s e a r c ho nt h eb u c k l i n ga s s e s s m e n tm e t h o di ns o f t w a r eo fp u l s ， i n c l u d i n gas i m p l i f i e dm e t h o df o re t a s t i el u r g ed e f l e c t i o na n a l y s i so fp l a t e sa n d s t i f f e n e dp a n e l sd u et ol o c a lb u c k l i n g ，as e m i a n a l y t i c a lm o d e lf o rg l o b a lb u c k l i n g a n dp o s tb u c k l i n ga n a l y s i so f s t i f f e n e dp a n e l s ， 4 1c o m p i l eap c l b a s e da u t o m a t i cl o a d i n gp r o g r a mf o rw a v ep r e s s u r e sa n d i n e r t i a lc a r g op r e s s u r e s ，a na u t o m a t i ce x t r a c t i o no fs t r e s s e sa n dt h ea d j u s t m e n to f s h e a rf o r c ea n db e n d i n gm o m e mp r o g r a ma r ew r i t t e n 5 ) t h ey i d d i g 蛙f e 蟛b ，b u c k l i n gs t r e n g t ha s s e s s m c ta n df i n em e s h a n a l y s i so f t w o1 1 00 0 0 to i lt a n k e rw e r ed o n ea c c o r d i n gt ot h ec s r a c c o r d i n gt o t h ec o n c l u s i o no f r e s u l t s ，t h ed i f f e r e mi m p a e t i o n so f l o a dc a s e sa r es u g g e s t e d k e yw o r d s ：c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e s ( c s r ) ；s h i ps t r u c t u r e s ；a d v a n c e d ；l o c a l ； g l o b a l ；b u c k l i n g ；f e m ；a u t o m a t i cl o a d i n g ；y i e l d i n ga s s e s s m e n t 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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) ： 日 期：矽1 年多月z 钼 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的背景和意义 自九十年代以来，随着1 9 9 9 年“e r i k a ”号油污事件和2 0 0 2 年的 “p r e s t i g e ”号油船海损事件等严重海损污染事故的发生，世界航运业和国 际海事组织正承受着前所未有的压力。油船的安全问题越来越受到各国政府、 航运界、造船工业界及各业界组织的重视。 i m o 为了加速淘汰单壳油船在制定相应淞r p o l 修正案的同时，也致力于 建立基于目标的船舶建造标准的研究工作( 即“g b s ”) 。目前的研究内容集中 在船体结构建造标准的研究方面，其主要内容包括安全目标、功能要求、实 际应用验证及相关的技术流程、指南、船级社规范和工业界标准，以及船舶 建造、营运、维护、训练和控制的实用规则、安全控制和质量控制体系等五 个自上而下的层次。i m o 进行该研究工作的主要目的就是以i m o 层面制定以 船舶安全为首要目标且统一的船舶建造标准，确保船舶在设计、建造、营云 和维护过程中船体结构的安全。 在这样的背景下各船级社也考虑到在业界统一规范和统一标准的重要 性。自2 0 0 0 年以来，a s s 、l r 和d n v 船级社( 简称“l a n ”) 达成一致意见为 提高船舶安全性开始进行关于油船的共同结构规范研究，主要内容是建立一 套适用于1 5 0 米及以上双壳油船的共同规范。在2 0 0 3 年6 月，l a n 三家船级 社发起的建立油船共同结构规范的计划被i a c s 所接受，决定由i a c s 统一发 展油船共同结构规范，即j t p 项目( “j t p ”是“j o i n tt a n k e rp r o j e c t ”的 缩写，同时进行的还有涉及散货船共同结构规范的j b p 项目) 。对于各船级社 来说，采用油船共同结构规范的根本目的在于： 1 ) 为了保证船舶结构安全评估能够在真正维护船舶安全标准的前提下进 行，减小各船级社之间由于市场激烈竞争需要而引起降低油船规范标准要求 的潜在危险； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 ) 可以综合利用各船级社的经验，从而对任何一家船级社来说所用的船 舶入级规范标准是统一的，并且可以接收；同时，可以确保各船级社在同一时 间、同一条件、同一要求和同一范围内执行国际最新的规则和标准； 3 ) f l j 于目前同型的船舶可能入级不同的船级社，因此油船共同结构规范 可以减小因各船级社要求不同而重新进行船舶结构评估和处理的费用； 4 ) 便于在i m o 要求的高度，确保船东、船厂以及各国工业标准在使用上 的一致性。 经过几年的研究，l a b 三家船级社在2 0 0 4 年6 月正式公布了油船共同 结构规范第一版草稿。自第一版i a c s 双壳油船共同结构规范发布以来，船 东、船厂、设计研究所和i a c s 各成员都对此规范内容进行了理解、研究和 应用。在短短半年以内，各方就该第一版共同规范草稿在规范内容要求的 合理性、使用方法、背景材料以及对油船结构实际设计与建造的影响等方面 提出两千多条具体意见和建议。针对这些意见和建议，l a n 三家船级社在实 船计算的基础上，结合考虑应用i a c s 双壳油船共同结构规范后对主要船东 可能产生的利益影响，对第一版草稿内容进行修改。并在2 0 0 5 年4 月在第一 版的基础上，l a n 三家船级社公布了油船共同结构规范第二版草稿。油船共 同结构规范第二版的内容与第一版相比较为完整和合理，不仅在规范内容上 对原来的打印、前后不连贯等错误进行了修订，而且通过对系列实船计算结 果的分析，把要求载荷、实际计算工况、结构重量分布等调整到较为合理的 范围。这对i a c s 双壳油船共同结构规范的实际应用是有利的。 而在2 0 0 5 年6 月，各船级社在i a c s 安理会内部就共同规范的开发费用、 版权、技术维护与协调、规范执行等问题达成一致意见，并且在完成第二版 油船共同结构规范草稿的局部完善，以及玎p 和j b p 相关技术问题短期目标 的协调后，于2 0 0 5 年1 2 月由i a c s 公布油船共同规范正式版，该规范已经 于2 0 0 6 年4 月1 日起在业界生效。 板格、加筋板和板架在船舶结构中有着广泛的运用，随着船舶的高速化 和轻型化的趋势，以及高强度材料的广泛运用，使得船舶结构的屈曲问题和 2 哈尔滨工程大学硕士学何论文 极限强度问题尤为突出【”。它们对于正确把握船体结构的安全性、经济性和 保证足够的强度裕度是十分重要的。i a c s 双壳油船共同结构规范将船体板的 屈服和屈曲强度作为衡量船体结构强度的主要指标做了尤其详细的规定。 本文旨在以两条1 i 万吨a f r a m a x 型油船为背景，应用有限元软件 m s c p a t r a n n a s t r a n 进行结构分析，结合队c s 共同规范网站推荐使用的屈曲 强度评估工具p u l s 及其理论体系，深入研究i a c s 双壳油船共同结构规范 的有限元屈服强度评估方法和高级屈曲评估方法，为以后对规范做进一步研 究以及实际工程中的应用奠定良好的基础。 1 2 研究现状 1 2 1i a o s 双壳油船共同结构规范概述 各船级社的规范发展到今天，主要有两类各有技术特点的结构规范，即 一类是传统经验型规范( 如l & c c 5 规范等) ，该类型规范的体系和构成是以 多年经验为基础，表达形式主要以应用经验系数和多个针对不同结构类型的 公式为主，因此规范表达形式多样，内容相对独立，计算和分析比较依赖于 经验的输入；另一类是理论性规范( 如d n v 规范等) ，该类型规范的特点是以 力学理论为分析基础，在规范体系建立和规范表达上严格遵循船舶结构力学 的基本分析模型，所以该类规范表达形式基本一致，内容通过载荷相互关联， 计算和分析手段可以更多应用现代计算分析工具。当然所有船级社的规范都 是经过多年的发展、积累，在不断地根据实际应用情况进行合理修正，以满 足船舶实际应用的需要，所以从这一点上讲，所有的规范都包含了实践经验 的内容，这些经验是必须继承和发展的。随着现代计算机技术和设计技术手 段的发展，理论型的规范体系较经验型的规范体系更符合现代船舶技术的发 展和应用。因此，为了适应现代船舶设计、建造和检验的需要，发展基于力 学基本原理基础上的，力学分析基本受力模型清楚、易于设计应用及理解的 规范是必须的。对于各船级社的目前本身规范安全标准而言，现代船舶的安 全运行表明这些船舶还是满足安全标准的，所以新的共同结构规范也必须满 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 足目前船舶实际状况的规范。i a c s 双壳油船共同结构规范的建立将： 1 ) 为各标准的特殊要求在油船结构规范中的进一步应用和发展提供一个 共同的平台： 2 ) 保证各规范标准的一致性，并提高规范研究的方法和范围的透明度， 减少各船级社规范的“黑箱”操作； 3 ) 共同规范可以在内容的一致性和逻辑性上更加完善，有助于简化规范 的升级和维护特别是可以在规范格式和应用标准方面与目前最新的设计过程 保持一致； 4 沩各船级社间严格而紧密的技术合作打下基础； 5 ) 由于避免了规范标准方面的恶性竞争，从而保证新规范能最大限度的 应用最新技术和统一标准。 i a c s 双壳油船共同结构规范内容是由a b s ，l r 和d n v 三家船级社共同 努力合作完成的。它是能够相对独立使用的规范，内容涉及国内、国际的规 则和标准、材料和工艺、结构布置、结构计算、设备、营运等方面的内容。 纵观整个油船共同结构规范，可以发现该规范是在i a c s 共同规范基本要求 的框架内，融合了l r 船级社结构规范中对油船建造工艺和结构细节处理的 经验和要求，采纳了d n v 和a b s 船级社油船结构规范中的载荷计算和规范 计算的表达形式和要求，并纳入三家船级社中直接计算方面( 包括有限元分 析、屈曲和疲劳计算、极限强度等) 的最新研究成果编写而成。在规范体系框 架、技术要求和标准、规范执行等方面i a c s 双壳油船共同结构规范具有系 统性、先进性、完整性、理论性强、高度透明化和实用性强等特点【6 j 。 1 2 2 加筋板的屈曲研究综述 加筋板基本上可按两种不同方式屈曲。即整体屈曲和局部屈曲。在整体 屈曲中，加强筋与板一起屈曲；而在局部屈曲中，或者加强筋由于刚度或稳 定性不足而过早屈曲，或者加强筋之间的板格屈曲，于是把额外载荷转嫁到 加强筋并最终导致加强筋发生柱子类型的屈曲。 4 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 较早研究加筋板的屈曲是t i m o s k e n k 0 1 9 ( 1 9 3 6 ) f 铂b l e i c h 8 1 ( 1 9 5 3 ) 。它们分 别用能量法求解有几根加筋，且加筋位置不同的加筋板的临界应力。 t v e r g a a r d 【1 0 1 ( 1 9 7 3 ) 从理论上研究了单向加筋板局部一整体屈曲的相关作用 闷题。并指出，传统上认为加筋板局部屈曲和整体屉曲共同发生时，加筋板 达到设计最优点的观点是错误的。因为此时结构具有很大的缺陷敏感性，缺 陷的存在会大幅降低加筋板的承载能力。j o h n s t o n 1 1 1 ( 1 9 7 6 ) 则计算了整体加筋 板格屈曲强度，并提出了加筋板所需最小横向刚度。当加筋板发生局部屈曲 时，可将屈曲后的板按折减宽度计入到粱剖面中，并按交叉梁系进行整体屈 曲计算。c h a n g ( | 9 6 9 ) 埘，f a u l k n e r 好】( 1 9 7 5 ，1 9 7 3 ) ，a d a m c h a k ，1 1 4 1 ( 1 9 7 5 ) 等计算 了多种情况下交叉梁系的板整体屈曲时临界应力，其中c h a n g 等将交叉梁系 转化到支持在一系列弹簧上连续梁上，采用振动比拟的方法，通过求其自振 频率而得到临界应力的值。 加筋板结构的研究方法从数学手段上讲可分为两类：解析法和数值法。 解析法即求解控制微分方程，或者通过使用基于变分原理的能量法来求 解。解析法一般只适用于求解简单、规则的结构。解析法中，人们常采用三 种分析方法来简化计算模型，即： ( 1 ) 梁柱法 ( 2 ) 正交异性板法 ( 3 ) 离散粱法 梁柱法将板和筋视为一根受压的梁柱。方法简便，因而被广泛的应用研 究加筋板的局部屈曲与整体屈曲之间的相互影响，如k o i t e r , p i g n a t a r 。和t a l k 等。 正交异性板理论鄹将加筋板转化为一等效的各向异性平板，再用处理普 通平板的方法来分析。当筋相对较密对可采用这种方法。早期的学者经常使 用这一理论来求解加筋板的稳定性问题，如m a n s o u r ”】，t u n o s h e n k 。和g e r e 【1 8 】等。 离散梁理论将加筋板视为一简单的板、梁组合模型，板和梁在筋板相交 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 处保持变形协调，常使用这一方法的著名学者有t v e r g a r d ，u e d a l l 6 】，y a o 1 7 l 和j e u e i i r 等。 数值法也有两种：有限元法和有限差分法。 由于解析法公式推导的复杂性和数值法建模和计算的耗时性，目前不少 学者比较倾向于使用半解析半经验法。即首先对所求问题进行微分方程的求 解，得到其解析表达式。然后进行一系列的有限元分析或试验，获得大量的 数据。在此基础上，推导出一个半经验公式，用于实际结构的设计和计算。 i a c s 双壳油船共同结构规范中的结构屈曲评估方法主要有两种：一种是 基于u r s l l 规定的初级屈曲分析公式；另一种是基于非线性分析技术的高级 屈曲分析。高级屈曲分析比根据公式所做的屈曲分析更准确，更具代表性。 i a c s 网站上推荐使用由d n v 开发的非线性屈曲计算程序p u l s 软件进行结 构高级屈曲的评估。该计算程序主要是针对非加筋板和加筋板单元，是基于 m a r g u e 仃c 和v o nk a r m a n 的非线性大挠度板理论。应用r a y l e i g h r j t z ( 李兹) 法的傅立叶级数展开来求解板和筋表面的屈曲位移。应用能量法建立代数非 线性平衡方程，最后应用增量法来求解。通过选取关键位置处重新分布的膜 应力的热点应力控制法来确定板格的极限强度。该程序在一定程度上属于半 解析半数值的计算方法，因为所有的能量公式都是应用解析法推导出来的， 然后再应用数值方法对方程组进行求解。 1 3 论文主要工作 1 ) 仔细阅读并研究了i a c s 双壳油船共同结构规范中的有限元强度评估 内容，较为详细地论述了共同规范中的三舱段有限元分析技术，包括有限元 模型的建立、自动加载技术、计算工况和载荷的确定以及中部舱段的剪力和 弯矩调整技术等。 2 ) 本文对共同规范中有限元强度分析的有关内容的理论依据做了较为详 细的论述，如建立三舱段有限元模型的原因以及建模过程中相关细节规定的 理论背景、动载荷工况的选取原则及确定方法、边界条件的确定原则以及屈 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 服和屈曲强度评估标准的理论背景。 3 ) 本文对共同规范中的高级屈曲评估方法进行了深入的研究，对高级屈 曲方法中的几何非线性、材料非弹性、初始挠度、焊接残余应力、屈曲模式 的相互影响以及组合载荷的作用等所要考虑的因素进行了较为详细的讨论并 给出了相关的理论背景，从而进一步加深了对共同规范高级屈曲方法的理解。 同时简要介绍了i a c s 推荐使用的屈曲评估程序p u l s 的理论背景，设计原 则和目的。 4 ) 本文仔细研究了两种屈曲计算方法，一种是加筋板局部屈曲分析方法， 该方法为非线性程序p u l s 中计算加筋板格局部屈曲水平时的理论基础。主 要是应用大挠度理论和能量法，对任意载荷组合情况下的加筋板进行局部屈 曲的弹性大挠度分析。另一种是加筋板整体屈曲的半解析法研究，该方法为 p u l s 中计算加筋板整体屈曲水平的理论基础。主要是根据各向异性板理论 同时考虑局部屈随对整体屈曲的影响来处理加筋板整体屈曲。 5 ) 本文编制了与波浪载荷计算程序配套的一种基于m s c p a t r a n 的波浪 外压及货物惯性压力的自动加载程序。并且针对有限元分析中的几个问题， 如中部舱段剪力和弯矩的调整，应力的提取，屈曲评估应力的处理等问题进 行了研究，编制了剪力和弯矩调整程序以及屈曲应力处理程序。本文编制的 程序大大提高了工作效率，并且具有良好的通用性。 6 ) 在此基础上，本文对两条1 1 万吨a f r a m a x 型油船( 分别为原油船和 成品油船) 进行了有限元强度评估，包括屈服强度校核、屈曲强度校核以及 细网格分析三方面内容。通过对评估结果的归纳总结，得出各个有限元计算 工况对船体主要构件的不同影响，指出了船舶设计过程中需要注意加强的船 体构件，为以后做进一步的规范研究奠定了良好的基础。 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 _ _ i _ i _ ；j _ _ ；j l i ；i i _ _ _ ；i i ；i ；i ；i i _ e j 目i j ；i 鼍；i i ；i i _ _ i i | j _ j i i - _ i ；i 马- 第2 章i a c s 共同结构规范有限元强度评估方法 2 1 概述 在i a c s 双壳油船共同结构规范中，对船体结构构件主要需要做两方面 的计算验证。一方面是对结构构件有严格的尺寸要求，这需要进行规范计算； 另一方面则是在规范计算的基础上对货舱区结构进行有限元强度评估，从而 进一步确定结构构件是否满足强度要求。 在本章中，主要对共同规范中规定的货舱区有限元强度评估方法中的有 限元模型的建立、计算工况和计算载荷、载荷的施加以及评估标准等内容做 一介绍。 2 2 油船有限元模型 2 2 1 模型范围 共同规范规定中部货舱区域的有限元模型纵向范围应覆盖中部三个货舱 长度。模型应包括端部横舱壁，当横舱壁是槽形横舱壁时，模型应包括槽形 横舱壁的完整壁凳结构。有限元模型应包括船体左右舷结构，以简化非对称 性载荷工况分析。所有主要的纵向和横向构件都应建模，结构上的所有的板 材和骨材，包括腹板加强筋，都应建模。 2 2 2 坐标系 采用右手坐标系，原点0 位于尾垂线和基线的交点处，x 轴向船首为正， y 轴向左舷为正，z 轴垂直向上。 2 2 3 单元与网格 计算模型中共采用三类单元： 板( s h e l l ) 单元：模拟甲板、外壳板、外底板、双层底纵桁、舷侧水平桁、 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 内底板、底边舱斜板、项边舱斜板、双层底实肋板、底边舱隔板、舷侧肋板、 顶边舱隔板、甲板横梁、横舱壁、中纵舱壁、底凳和顶凳的壁板、面板、横 隔板、舱口围板及其面板、肘板等构件中的板壳结构，以及各种构件之问的 连接肘板。板厚按照共同规范的要求取构件的“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。 有限元模型的网格大小：纵向以肋骨间距为基准，横向以纵骨间距为基 准。四边形单元边长比不超过1 ：3 。 双层底纵桁和肋板在高度方向采用了3 个板单元；舷侧肋板及水平桁在 高度方向采用了3 个板单元。槽型舱壁的翼板和腹板采用了1 个板单元。 2 2 4 单元特性 根据共同规范规定，有限元分析采用净尺度法，分析模型中构件厚度为 t n 岫2 醯嘲- 0 5 t 。一 其中t ，一嘲为净厚度，g | s 恻为总尺度即建造厚度，t d 0 。按照共同规范第 6 3 2 1 节规定取用，参见表2 1 。 表2 1 结构构件腐蚀余量表 货油舱区域以内构件 构件腐蚀余量t c o r r ，咖 露天甲板以下1 5 m 以内甲板板和舷侧板“ 4 o 露天甲板以下1 5 m 以外舷侧板“ 2 5 内壳板和底边舱斜板。 3 0 船底板和舭板 3 o 平板龙骨 4 o 内底板 4 o 9 哈尔滨t 程大学项士学位论文 干舱( 或空舱) 或燃油舱凳侧和凳顶板 2 5 压载舱凳侧和凳顶板 3 0 千舱( 或空舱) 和任何液舱之间板材 2 5 露天甲板以下l ，5 m 以内压载水边舱内部结构和密性3 5 舱壁 露天甲板以下l - 5 m 以外双层底压载水边舱内部结构 3 o 和密性舱壁“” 露天甲板以下1 5 m 以内货油舱及污油水舱内部结构3 0 和密性舱壁“” 露天甲板以下1 5 m 以外货油舱及污油水舱内部结构 2 5 和密性舱壁“” 包括泵舱在内的干舱内部构件1 5 空舱的内部构件2 o 燃油舱内部构件2 0 甲板以上及露天区域扶强材和主要支撑构件 2 0 挂 1 露天甲板以下1 5 m 界定为舷侧型甲板高度以下1 5 m 。 2 如果压载舱自内壳和( 或) 内底向内延伸，这包括双舷侧压载舱和货油 舱的公共限界。 3 主要支撑构件面板的腐蚀余量为3 5 m m 。 2 2 5 边界条件 根据共同规范彤录b 2 6 关于有限元模型的边晃条件的要求，在模型前 后端面中和轴与中纵剖面相交处分别建立一个独立点，使模型前后端面上的 所有纵向单元节点的自由度正、b 、见与其对应端面上的独立点相关，模型 中通过多点约束( m p c ) 来实现如图2 - i 所示同时沿甲板，内底板和外底板上 的节点施加一端刚固，另一端在总体坐标系y 自由度上有刚度的弹簧单元来 哈尔滨工程大学硕士学位论文 约束这些构件的j 。；沿舷侧板，内壳纵舱壁和中纵舱壁的垂直部分节点施加 一端刚固，另一端在总体坐标系z 自由度上有刚度的弹簧单元来约束这些构 件的皖，见表2 2 。弹簧单元可以由杆单元来替代，如图2 1 所示。 弹簧的剐度公式为： c ：f 旦1 垒业：0 7 7 丛型塾堡 l 1 + v l t k nl , k n 以一。甲板、内底板、外底板、舷侧板、内壳纵舱壁或者油密纵舱壁 构件的截面积； l ， 材料泊松比； k舱段有限元模型中间舱横舱壁之间的长度； e材料杨氏模量； 行构件上施加弹簧单元的节点数目。 杆单元的相当横剖面面积： a = 化t ) e 表2 2 模型端部的边界约束 位置平移旋转 正g 皖 最b 芝 后端 后端( 所有 r l r lr l 纵向单元) 后端独立固定 m 。莉m i m d 点 甲板、内底弹簧 和外底板 舷侧、内壳弹簧 和纵舱壁 哈尔滨工稃大学硕七学位论文 纵向单元) 前端独立m 。啪d m h 一 点 甲板、内底弹簧 和外底板 舷侧、内壳弹簧 和纵舱壁 其中： 一 不施加约束( 自由) r l 刚性连接到中心线中和轴独立点的所有纵向单元的节点 图2 1 端部模拟图 图2 2 三舱段模型的边界条件 1 2 哈尔滨工程大学硕七学位论文 2 3 计算工况与载荷组合 2 3 1 计算工况 共同规范中规定了两类油船的计算工况，第一类是具有两道纵舱壁的油 船；第二类是只具有一道中纵舱壁的油船。由于算例中的两条油船均为一道 中纵舱壁的油船，故在此主要介绍第二类油船的计算工况。 考虑到两艘双壳油船n 0 3 、4 、5 舱的左右舷结构对称的特点，以及共同 规范关于有限元计算的工况的要求，主要考虑计算了如下各种装载工况，见 表2 3 。 表2 3 结构强度计算的载荷工况 静水载荷动工况 载荷工 图例 许用静许用静水强度评估 况 吃水 水弯矩剪力 中部区域 设计载荷组合s + d ( 航行工况) 1 0 0 注解1 1 ( 中垂) b l 圆圆 0 9 t s e l 0 0 9 6 ( 负 1 0 0 前舱壁)2 ，5 a ( 中拱) 注解2 1 0 0 ( 负) 2 1 0 0 注解3 b 3 圃幸 0 9 t s c ( 中拱)1 0 0 ( 负) 5 a , 6 a 注解2 1 0 0 1 0 0 f i e ) b 4 圜画 0 6 t s c i ，5 a ( 中垂)注解2 1 0 0 1 0 0 ( 正) b 6 0 6 t s c1 p ( 中垂)注解3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 0 0 ( 正) 5 b 注解2 设计载荷组合s ( 港内工况和舱室试验工况) 1 0 0 1 0 0 ( 正)不施加动 b 8 圆亘 1 3 t s c ( e p 垂)注解2 载荷 l o o 1 0 0 ( 正) 不施加动 b 9 圄酉 1 3 t s c ( 中垂)注解2 载荷 1 0 0 l o o ( 负) 不施加动 b 1 1 圃画 t s c ( 中拱)注解3载荷 注解： 1 有限元模型中应采用由于施加局部静载荷和动载荷而产生的实际剪力。 2 有限元模型中应采用由于施加局部静载荷和动载荷而产生的实际剪力。当实际剪力 超过目标许用静水剪力或目标许用静水和波浪剪力组合时，按共同规范附录 b 2 4 5 2 计算得到，剪力调整中采用的垂直载荷应作修正。括号中正代表前舱壁 处剪切力为正。 3 剪力调整中采用的垂直载荷应作修正。括号中正代表前舱壁处剪切力为正。 2 3 2 载荷及其组合 共同规范中规定船舶的计算工况分为航行动态工况( s + d ) 和在港静态工 况( s ) 两大类，其中，每类工况所对应的载荷都有所不同，具体的载荷组合 形式见表2 4 。 表2 4 设计载荷组合 、载荷组合 泳 ss + d m v |m m 一【l a | 国m ，一m + m 。 1 4 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 m h lm h q乏0 一黼q 。n t q 。 露天甲板 乞蹴一胁 乓 船体外壳 + _ 劬 压载舱( 顺流法 两式大者：。) 已据盯 压载水交换) 圪m + b ) 圪枷+ 货油舱( 包括压 两式大者；a ) 圪删 己 载水舱) p i 蝴+ p 由n b ) 圪劬+ 两式大者：a ) 己一础 其它液体舱 最一晴+ 尸加 协p ：蝴口+ 兄，p 水密边界 干燥区域的内部 甲板 只彬易- 加 易 重型部件处的 甲板 只幻，f 婚m + f 戳一m 注：表中各个符号的具体含义及表达式参见共同规范第7 章 各种载荷工况下，旌加的载荷包括： 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 舷外水压力 舷外水静压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 由波浪及船舶运动引起的舷外水动压力以2 d 面压力的形式施加到相 应板单元上； 2 ) 货油压力 货油静压力以2 d 面压力的形式施加到相应的板单元上； 由加速度引起的货物动压力以2 d 面压力的形式施加到相应板单元上； 3 ) 端面弯矩 端面垂向和水平弯矩以节点集中力的形式施加到独立点上。 2 3 3 剪力和弯矩的调整 三舱段有限元模型根据共同规范要施加相应的船体梁载荷。船体梁载荷 分为静水载荷和波浪载荷两部分，分别包括静水弯矩、剪力，垂向波浪弯矩、 剪力和水平波浪弯矩、剪力等。船体梁载荷各成分根据装载状况许用的最大 值或规范计算值按照共同规范第7 6 节的要求进行组合，最终确定的船体粱 载荷加在模型端面的独立点上。 对施加共同规范规范要求的边界条件的三舱段有限元模型，除按工况规 定的装载状态进行局部载荷施加外，还需要调整三舱段有限元模型的船体梁 水平弯矩、垂向剪力和垂向弯矩的分布，以使特定位置处达到目标值。弯矩 平衡和剪力平衡的调整见共同规范附录b 2 5 ，做法是根据简支梁的原理， 首先求出施加局部载荷所引起的三舱段有限元模型中部舱前后舱壁处的剪切 力、邻近中间处的弯矩、模型两端的支反力，由此得到每档强框架位置上所 要施加的附加垂向分布载荷，按规范要求施加于每档强框架位置处，以使前 舱壁处达到规范规定的目标值。计算出局部载荷包括附加垂向载荷在内所引 起的中部舱最大弯矩，由此得到有限元模型端部的附加垂向和水平弯矩，施 加在模型两端的独立点上，以使中部舱最大弯矩处达到目标值。具体做法为 求出模型一端到目标位置之间所有单元上作用力或者单元各节点力( 包括三 个分量) 。然后由积分或求和得出这部分模型的局部载荷在目标位置处产生的 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 附加船体梁载荷，于是所应该施加的垂向分布载荷以及附加垂向和水平弯矩 也就可以容易确定了。 2 4 载荷的自动施加 在应用共同规范对油船进行有限元强度直接计算时，需要考虑到以下两 种重要的局部载荷，即海水压力和舱内货油压力，它们作为分布力垂直作用 于结构物的内外表面，当使用m s c p a t r a n 建立有限元模型后，需要将这些压 力添加到有限元模型上，以便使用m s c n a s t r a n 进行结构强度分析。而这些 压力随各个单元位置的不同而各不相同，是离散的，一种容易想到的比较简 单的方法是对每个单元用手工创建一个场，将这个场添加到相应的单元上， 这种方法只适用于结构物的结构较简单，湿表面单元数量较少的情况；当结 构复杂、单元数量较多时，如果仍旧使用手工加载的方法，工作量将变得很 大，且容易出错，需要反复修改，因此本文采用p c l 语言编制了自动加载程序， 实现了对有限元模型的自动加载町。 首先利用p a t r a n 的界面操作，将船体外壳的单元选出( 以添加外壳波浪 压力为例) ，创建为一个独立的组( g r o u p ) 。然后利用p a t r a n 提供的p c l 函 数，对关于船体外壳的组进行操作，读取单元与节点信息。 从m s c p a t r a n 数据库中读取单元与节点信息分5 步： ( 1 ) 使用p c l i 蟊数d bg e t c u r r e n t _ g r o u pi d 获得当前组的号码。 ( 2 ) 使用p c l i 垂i 数d b _ g e t e l e m s i n _ g r o u p 获得当前组中单元的数量。 ( 3 ) 使用p c l 函数d b _ g e t e l e m i d s i n _ g r o u p 获得当前组中所有单元的号 码。 ( 4 ) 使用p c l 函数d b _ g e t _ n o d e s f o r e l e m s 获得每个单元内所有节点的编 号。 ( 5 ) 使用p c l 函数d b _ g e t _ n o d e s 获得单元内每个节点的坐标 在p a t r a n 中添加压力的方向是根据单元的法向进行加载的，各单元的法 向有可能出现不一致的情况，本文使用菜单e l e m e n t 中的v e r i f y 子菜单调整单 1 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 元法向功能将结构物外表面的所有单元的法向统一调整为指向结构物的外 部。 分析波浪压力的计算公式可知，它可以通过创建一个p a t r a n 中的空间场 来实现，接着使用p c l 函数f i e l d s _ c r e a t e _ _ l b c ( ) 仓l j 建一个基于单元的标量场， 然后使用p c l 函数l o a d s b e s _ e r e a t e 2 0 色l j 建一个基于场函数的压力工况。这样 就完成了波浪压力的自动加载。 货油静压力、惯性力、甲板载荷等都可以用类似的方法施加。只要编辑 一个* p c l 文件，在其中包括上面所有过程，问题就解决了。 2 5 评估标准 2 5 1 舱段应力评估标准 共同规范中规定，应对三舱段有限元模型中部舱和中部舱横舱壁水平桁 材向前后延伸纵向区域的所有构件按照验收衡准对结果进行验证。有限元分 析得到的y o nm i s e s 应力不能超过表2 。5 中的许用应力衡准。 表2 5 最大许用膜应力 结构部件i屈服应用因子 舱室内部结构 所有非密性构件，包括横向强框架、制荡 x ，1 0( 载荷组合s + d ) 舱壁、内部桁材、水平桁材、肋板及级桁。 x ，0 8( 载荷组合s ) 主要支撑构件面板采用杆单元的部分 舱室边界结构 甲板、舷侧、内壳、底边舱斜板、舭部板、x ，0 9( 载荷组合s + d ) 货油舱平面纵舱壁和槽型纵舱壁 x y 0 7 2( 载荷组合s ) 内底、外底、平面横舱壁和槽形横舱壁， x ，0 8( 载荷组合s + d ) 密性肋板、密性纵桁及腹板 x ，o 6 4( 载荷组合s ) 其中： 乃 屈服应用因子 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ：红，通常对板单元 。饵 ：旦，通常对轩单元 。砸 o m 基于单元中心处膜应力得到的v o n m i s e s 应力，n r a m 2 ； 仃杆单元轴向应力，n m m 2 ； a y , 材料屈服应力，n m m 2 ，对应力集中处应不大于3 1 5 n r a m z 1 ； 挂l 1 应力集中处指：开口角隅处、折角处、主要支撑构件和骨材的趾端和根部。 2 5 2 细网格应力评估标准 共同规范中规定，由细化网格有限元计算得到的v o nm i s e s 应力结果不能 超过表2 6 规定的最大许用应力衡准。 表2 6 细化网格计算的最大许用膜应力 构件应力 屈服应用因子 不靠近焊缝的单元 ，s1 7( 载荷组合s + d ) x ，1 3 6( 载荷组合s ) 靠近焊缝的单元x ，1 5( 载荷组合s + d ) ，1 2( 载荷组合s ) o k 基于单元中心处膜应力得到的v o nm i s e s 直力，n l m m 2 盯 杆单元的轴向应力，n r a m 2 ； 七 高强度钢因子，n m m 2 ， 1 9 一兀单粱 一兀 一鸲 盱 惭 一 一每嘉 屈 = = 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 注： 1 相当于舱段有限元模型网格大小区域的细化网格计算得到的平均, c o nm i s e s 应力应不 超过表6 5 规定的许用值。 2 表中最大许用应力基于5 0 m mx5 0 r a m 的网格大小。如建模时使用了更细网格，则 应根据规范规定，对相当5 0 r a mx5 0 r a m 大小区域的更细网格计算得到平均v o f lm i s e s 应力，