毕业设计（论文）-基于ANSYS的80FT游艇结构强度校核.doc

青岛科技大学本科毕业设计（论文）青 岛 科 技 大 学本 科 毕 业 设 计 （论 文）基于ANSYS的80FT游艇结构强度分析题 目 _指导教师_辅导教师_学生姓名_学生学号_机电工程船舶122船舶与海洋工程_学院 _专业_班662016_年 _月 _日1绪论1.1研究背景纵观全世界，在游艇行业有着一个多元化而且广阔的市场前景，而游艇的价格也是不等的，可根据人们需要进行设计建造，其价值也是根据人们需求所赋予的。世界众多富豪钟与超级豪华游艇，而普通的钓鱼船，休闲艇则是大多数中层社会人士喜欢的。北美占世界游艇市场份额的55.9，大多数游艇销售单价在1.5万5万美元之间，豪华游艇的销量只占2.5；欧洲市场是较为广泛的游艇销售市场，其中主要销售的也只是豪华类游艇，平均的销售价格大约为10万美元，合70万人民币。目前，欧美游艇价格已经进一步滑落。在美洲，大约有1700万家庭有游艇，但是这之间大多数都是帆船，所占比例为70，中小型游艇占80，这些中小型游艇都是5万美元左右的。这几年美洲的游艇销售平均价格为3万美元，折合人民币不到20万，而欧洲的中小型游艇以及帆船也占了84的比例。1.2研究方向 在本文中，参照游艇入级与建造规范（2012）对所需要校核的船体进行校核检验，主要涉及的是船体物理强度的验证。在检验的过程中，主要是利用电脑模拟实验结果，采集模拟实验的数据进行计算校核，这样一来就可以根据所设计的艇体进行较科学真是的情况。如果船体达不到要求，则需要进行修改，主要从几何模型上修改，然后依次建立有限元模型，再模拟实验，最后验证。如此一直循环，直至船体结构达到要求。1.3研究目的 采用计算机软件模拟实际结果的实验。 本文中主要采用ANSYS这款有限元分析软件对本文所需要研究的模型船体进行模拟实验，数据测量。通过本文可以了解到ANSYS的一些基本的使用方法，模型的建立，载荷加载分析，船体结构强度计算的方法。1.4研究意义 对于本项目，主要是研究船体的结构类问题，看结构是否符合要求，如符合要求则可以投入生产，如不符合要求则需要进一步的修改。在通常情况，做实体实验的时候需要的成本比较大，而且实验条件要求也比较严格，所以初步可以进行模拟实验。对于结构强度问题，无非就是受力问题。在ANSYS里面就可以对的模型船加载任意的静力载荷，此时就可以读出船体模型的各部分受力的情况，据此就可以分析船体的结构强度问题。1.5研究方法 对于结构而言，就是研究受力。要研究受力，则需要有模型。既然这样开始就需要建立出船体的模型。有了模型导入到ANSYS软件里面，就可以模拟实验了。初步的几何模型主要是利用Pro/E来建立的。然后可利用Pro/E与ANSYS的数据对接以及共享功能，进行有限元模型的建立和分析。分析完成后，需要整理数据，然后依照游艇入级与建造规范（2012）依次对其进行校核。2 ANSYS基础概论2.1 ANSYS的简介 ANSYS是一种有限元分析软件，它是由美国的ANSYS公司开发制作的，是目前最实用运算效率最高的工程类应用软件，在工程理论研究中，ANSYS可以与很多其他软件进行数据的交换以及数据的共享，例如ANSYS可以与CAD，Pro/E，Croe等共同使用一个数据库。在ANSYS中，这款软件集合结构，流场，电场，声场磁场与一台的综合性工程应用软件1。改软件在众多行业应用广泛，其中包括造船，铁路，海洋工程，医疗，生物，汽车交通，水利，核工业等领域。ANSYS不仅仅功能强大，而且运用起来还很简便。毫无疑问，ANSYS已经成为国际上最为流行的一款工程类运用软件，在历年的FEA中都是排名第一的。在国内，迄今为止有上百所高等院校运用ANSYS作为最基本的教学软件和有限元建模分析软件。2.2 ANSYS的技术种类作为当今世界上最热门的工程类运用软件的CAE的技术种类是非常繁多的，其中最基本的包括有限元发（FEM,即Finite Element Method），边界元法（BEM,即Boundary Element Method），有限差分法（FDM,即Finite Difference Element Method）等等。每种方法都有其对应的运用领域2。在每个运用领域里面，有限元发可以说是迄今为止运用的最为广泛的一种，而这种工程分析方法已经被运用在很多行业，比如化工行业，声学研究，电磁学研究，流体力学的理论研究，结构力学的研究，等等。在ANSYS中处理这些行业实际问题的时候是通过其软件本身的三个模块来共同协调处理的。其中三个模块包括：前期处理模块，分析计算模块以及后期处理模块。（1）前期模块是为工程实体建模以及网络的划分而准备的，在这个模块里面，使用者可以方便的构建自己所需要的有限元模；（2）在ANSYS的分析计算模块里面，包含得有结构的线性与非线性，高度非线性，电磁场，流体动力学，压电学，声学，多物理场耦合等方面的分析，在这个模块里面，可以利用ANSYS里面的一些相应的程序来模拟多物理介质作用的环境，也可以运用其来进行灵敏度和结构优化分析；（3）后期处理模块可以归类到分析结果的数据处理阶段，在这个模块里面，可以将所模拟出实验数据进行等值线显示，梯度显示，粒子流迹显示，矢量显示，立体切片显示，透明及半透明显示。也可以将结构以曲线，图标的形式显示或者输出。这个软件里面有多种单元类型供给使用，而这些单元类型可以给模拟一些结构和相应研究物体的材料。ANSYS这种软件安装使用起来是非常方便的，它可以在PC端上使用，也可以在SGI,CRAY等端口使用。在本文中所介绍到的主要是ANSYS的结构静力分析功能，所谓结构静力分析就是利用ANSYS进行模拟荷载情况，对于外来载荷所发生的应力，力和位移的求解。对于求解惯性和阻尼的结构的影响也可以使用该静力分析来进行求解。在利用ANSYS进行静力分析的过程中，软件里面的静力分析功能程序主要是进行线性和非线性两种分析，例如：塑性变形，膨胀变形，接触影响分析，大应变等情况。2.3结构静力分析概论结构分析定义：在有限元分析当中，结构分析方法是最常用的一个应用领域，对于结构静力分析这样一个术语，它是一个广义的概念，其中所包括众多工程应用问题，例如：土木工程中的房屋桥梁结构，车辆工程中的车身骨架，海洋工程中的船舶结构，航空工程中的飞机机身等，同时也包括各种机械的零件结构强度的问题。 在ANSYS这种工程应用软件中总共包括七种结构分析类型。当用户在应用的过程中位移或者说节点自由度是第一步所计算的基本未知量，而对于其他的一些未知量是可以用之前的基本未知量来导出的，例如应变，应力以及反力等。静力分析对于各种静力载荷作用下的位移以及应变的求解。其中包括线性和非线性两种分析方法。对于非线性分析方法，它涉及到塑性变形，应力刚化，大应变，大变形，接触面，超弹性和蠕变等。结构静力分析定义：对于固定不变载荷时，可以不用考虑阻尼和惯性力的影响，譬如：静力分析是可以用来计算惯性力随外界因素的变化时对于整体结构的影响，就拿重力来说，它和离心力，一样是随时间变化的一种载荷，在现阶段的许多建筑建造规范里面。风载荷，地震载荷也属于此类荷载。针对这类似的情况就可以如上述所说的不用再考虑阻尼和惯性力对于整体结构的影响3。2.4 静力分析中的载荷当不考虑惯性力和阻尼效应的变化阶段性变化时，但是这些作用力也会对结构产生相应的位移，应变和应力等，此时就可以做出一种假定，即假定结构发生位移，应变，应力这些时，其整个过程中所用到的时间是很长的，即其发生改变过程是很缓慢的。如下图2-1所示：图2-1 载荷类型Figure 2-1 load type2.5线性静力分析和非线性静力分析2.5.1线性静力分析迄今为止，研究静力并且对其分析的方法大致上分为两大类，其一是线性分析，其二就是非线性分析。而非线性分析则可以适用于所有的非线性类问题。例如塑性变形，应力刚化等。而线性分析，顾名思义就是荷载随着时间或者其他参考因素的变化成线性的变化规律。而对于船舶工程领域，特别是本文说是涉及到的游艇艇体结构强度校核，需要采用两种分析方法共同考虑，这样一来所分析的成果就会相应比较全面和真实。结构线性静力分析的求解步骤 （1）有限元建模； （2）施加载荷以及边界条件然后求解； （3）对结果的评估以及分析。2.5.2 结构非线性静力分析 非线性类问题可以通过一个简单的例子来说明。例如：当在为卡车或者汽车装载货物是，其轮胎和路面的接触会随着货物的重量的增加而发生变化，这种变化就是非线性的；当在一个木架上放置书本，该木架会随着时间的推移越来越往下垂，这种也是非线性的情况。图2-2 非线性类型Figure 2-2 function relation 如上图2-2所示，物体所受到的力随时间成一定的函数关系，该函数的图形不为线性分布，这种就叫做结构静力的非线性分析。非线性问题形成的原因有很多，可将其分为三种主要的类型，如下图2-3所示：图2-3 非线性成因Figure 2-3 nonlinear origin（1）状态变化还包括接触的情况，这种变化是针对于很多的普通结构所表现出的一种和状态相关联的非线性行为，例如：随处可见的一根只能拉伸的电线，它既可以是松散的也可以是紧绷着的4。冻土有时候是冻结的，但有时候也是融化的。轴承套也可分为接触的与不解除的两种状态。而这些物体的刚度会由于其状态的改变在不同值之间突然发生变化，这种状态改变有可能与荷载直接有关（比如在电线例中），也可能由于某种外在的因素引起的（比如在冻土例子中的紊乱热力学条件）。ANSYS程序中是利用激活与杀死选项来给这些实际情况进行建模的。接触在状态变化非线性问题中是一个很特别的例子，故接触也是一种非常普遍的非线性类问题。 （2）当研究的结构受到大的变形时，该结构的几何形状会发生相应的变化，故而引发了结构的非线性响应。举个例子来说吧，例如在垂钓中，鱼竿有着垂向刚性。当垂向载荷增加时，鱼竿会不断的发生弯曲，导致其动力臂的减少，杆端会展现出在较高的荷载下刚性不断增加，如图2-4所示。图2-4鱼竿的集合非线性特征Figure 2-4 collection of nonlinear characteristics （3）非线性应力结构非线性名的常见原因是应变关系，材料的应力以及应变性质会受到许多外在因素的影响。它包括了加载情况（塑性响应情况），环境状况（温度影响），加载的时间（蠕变响应）。2.5.3 非线性情况求解方法（1） 牛顿拉森法ANSYS程序可求解两类工程类问题，分别为线性类和非线性类，对于线性类问题可以采用联立众多线性方程来求解以便推测出工程类的系统响应，但是非线性就不能采用这种方法进行求解了，对于非线性类问题需要进行进一步的校正，最后把校正的结果近似成线性类来进行求解5。 （2） 逐步增加载荷和平衡迭代首先对于一些近似的非线性求解将其载荷分成几组载荷增量。可以在几个载荷步骤或者在一个载荷步骤的几个环节里面施加增量，当求解完每一个增量后，在继续进行下一个载荷增量程序之前，需要调整结构的刚度矩阵继而反应出结构刚度的非线性变化。而这种方法存在一定的问题，例如所增加的增量近似会随着每一个载荷的增量积累一定的误差，最后会导致结果失去平衡如下图2-5所示。 a：纯粹增量式 b：全牛顿拉森迭代求解图2-5 纯粹增量近似与牛顿拉普森近似的关系Figure 2-5 approximation and purely incremental Newton Raphson approximation然而ANSYS程序里面通过了牛顿拉普森平衡迭代将这种问题完美的解决了，在程序里面，会迫使每一个增量解呈平衡收敛状（在特定的容限范围内）。在上图2-5b中就描述了单自由度情况下非线性分析的牛顿拉普森平衡迭代作用。程序在每一次求解之前，利用NR方法估算出残差矢量，而这个矢量又是对于单元应力的载荷即回复力和所加载的载荷的差值。然后再使用非线性平衡的载荷进行线性求解并检查其收敛性。当不满足收敛准则时，又会重新估算非平衡的载荷以及修改刚度矩阵，而获得新的解。程序会反复持续这种迭代的过程，直至问题收敛。这种收敛性可通过ANSYS里面的程序来进行增强。当增强后还是不能得到收敛的结果时，程序会直接运行下一个荷载的求解或者是终止运行。 在分析一些较为不稳定的非线性静态问题时，如果仅仅使用NR方法，则相对于的正切刚度矩阵就会变为降秩矩阵，这样就会导致收敛问题的严重化。这种情况包括一些接触问题（实体从静态表面分类）分析，结构会发生崩溃或是变成另一个稳定的非线性弯曲问题6。如果发生这种现象，则金额激活另一个迭代的方法，叫做弧长法。用这种方法能帮助稳定的求解，但是弧长发又会导致NR平衡迭代沿弧收敛。使得正切刚度矩阵的倾斜值为零或者小于零。此时就能阻止发散，这种方法如下图2-6所示。 图2-6传统NR方法与弧长方法比较Figure 2-6 comparison of traditional NR method and arc length method2.6非线性求解的组织级别 可以将非线性求解分为三个级别：本别是荷载步，子步和平衡迭代。 “顶层”级别是定义为一定的“时间”范围内，所有的荷载步所组成的，这些载荷假设在所有的荷载步内是线性变化的。 在每个荷载步内，可以控制程序来执行多次求解以实现逐步加载（子步或者时间步）。 在每一个子步内，为了获得收敛的解，程序将进行一系列的平衡迭代。 图2-7就明确的表示了一段用于非线性分析的荷载历史。图2-7 载荷步、子步、及时间Figure 2-7 load step, the sub-step, and time2.7收敛容限对于平衡迭代镜像确定收敛容限时，需要解决以下几个问题：（1）平衡迭代是基于载荷，变形，还是联立二者来确定收敛容限？（2）既然径向偏移（用弧度来进行度量）要比相对应的平移小，是否应该对这些不同的条目来确定不同的收敛准则？当确定了收敛准则时，ANSYS程序会给相应的一系列的选择，即可将收敛检查建立在力，力矩，位移，转动或者这几项选择的任意组合上面。除此之外，对于每一个项目，都可以有不同的收敛容限值7。在面对多自由度的问题时，也会遇到同意的收敛准则选择的问题。当确定收敛准则时，要知道收敛的绝对量度是以力为基础的收敛提供的，而位移则是提供了表现得有收敛的相对量度。因此，要使用以力或者力矩为基础的收敛容限。有时也需要增加以位移或者是转动为基础的收敛检查，但是通常都不单独使用这种方法。由下图2-8可知，如果单独使用位移收敛检查时，会发现有一系列的出错清理，但是在第二次迭代计算后，所算出的位移很小，有可能被认为是收敛的解。如果要防止这样的情况发生，则应该使用力收敛检查。图2-8 完全依赖位移收敛检查有时可能产生错误的结果Figure 2-8 totally dependent displacement convergence examination may sometimes produce erroneous2.8非线性静态分析方法 进行非线性静态分析时，主要分为三个步骤，依次是：建模，加载及求解，考察结果。2.8.1有限元建模“建模”在分析线性和非线性的情况下都是必要的，尽管对于非线性问题在这一步中可能涉及到特殊单元建模和非线性材料的性质问题，如果在模型中包含得有大应变的效应，则应力-应变数据应该要依照真实应力和应变（或者对数）来显示8。2.8.2加载及求解。对于非线性问题，必须要先定义分析的类型和选项，指定载荷步选项，然后再开始求解。然而非线性类问题的求解通常要求多个载荷增量，并且需要平衡迭代，其处理过程如下：（1） 进入ANSYS的求解器里面。输入命令：/SolutionGUI：Main Menusolution（2） 确定所需要的分析类型和分析选项。这一步需要在第一个载荷步完成后就不能更改了。而这些选项可用来进行静态分析。如下表2-1所示：表2-1 静态分析选择命令Table 2-1 Static analysis selection commandOptionsCommandGUI PathNew AnalysisANTYPEMain MenuSolution-Analysis Type-New Analysis/RestartAnalysis TypeANTYPEMain MenuSolution-Analysis Type-New AnalysisStaticLarge Deformation effectsNLGEOMMain MenuSolution-AnalysisOptionsStress Stiffening effectsSSTIFMain MenuSolution-AnalysisOptionsNewton OptionNROPTMain MenuSolution-AnalysisOptionsEquation SolverEQSLVMain MenuSolution-AnalysisOptionsNew Analysis：新的分析，通常情况下都会使用改选项。Analysis Type:Static：静态选项。Large Deformation Effects：大变形，大应变选项，并不是所有的非线性分析都属于大变形类，具体情况还需要进一步的分析。Stress Stiffening Effects：应力钢化效应，即纯在应力钢化效应是应该选择ON。Newton-Raphson Option：牛顿拉普森选项。这个选项仅仅适用于非线性情况。改选项所产生的效果是当在运行程序求解时，改选项会修改正切刚度矩阵，但是修改够可以指定这些值中间的任何一个。其中NROPT ANTO是针对于程序的一个选择，该选项是基于所研究的有限元模型之间存在某些非线性的单元，这时候使用该选项时，就会自动激活自适应下降。而对于NROPT FNLL则是完全使用了牛顿-拉普森的处理方法，使用该方法时一般不要关闭自适应下降，因为在这个程序单元里面，是这样运行的，即在每次平衡迭代和修改刚度矩阵时，当自适应下降是关闭的时候，程序就会自动使用正切的刚度矩阵。并且只要改迭代保持稳定，程序都将会使用正切刚度矩阵，当程序检测到在迭代中发生发散倾向，程序将会重新求解，而此时之前的解已然被抛弃，并利用正切矩阵和正割矩阵进行加权组合，直至迭代收敛9。 （3）结果的考察。对于结果的分析和考察有许多的方法，在这里主要介绍由位移，应力，应变，反作用力组成的这一组结果。对于这类似的问题可以利用POST26这个选项或者是后处理器，时间历程处理器来进行考察所得到的这类结果。但是要注意的是，在使用POST1中，每次点击仅仅只是获取一个子步，且这个获取的子步需要将其写入到Jobname.rst里面。有两点是使用POST1中需要记住的地方：第一所使用的模型和数据库里面的模型一致；第二结果文件Jobname.rst要为可用的。在使用POST1来考察的结果时，具体做法如下图2-9所示。图2-9 收敛结果考察流程图Figure 2-9 flow chart of convergent results 完成几何建模时就需要进行有限元的建模，当建好模型之后就利用好相应的选项，即可达到所需要研究的目的，针对于每个选项，还将要慎重考虑，所研究的类型属于哪一类。而针对船舶工程上面，特别是本文所涉及的游艇艇体的结构校核，首先就应该分析，艇体收到静力荷载变形属于哪一类，是否是多种物理场相互耦合的情况等等，这些都是在研究过程中所需要注意的。在得到相应的解的时候就要检验所得的结果，检验的时候也需要按照相应的步骤来操作，这样以便于能得到较为准确的解。2.9 本章小结 本章的内容主要介绍了ANSYS的一些相关内容，包括ANSYS的基本简介，适用范围，在船舶工业上的应用，其主要包括了该软件是对于工程类应用问题的分析方法，而分析方法有具体划分我两大类，即线性分析和非线性分析。其中线性分析较为简单，在本章中给出了大致的的分析步骤与方向。其中非线性分析则是本章重点介绍的，本章基本概述了什么是非线性问题，实际工程情况中有哪些非线性问题，对于非线性问题该怎么入手研究和具体的研究方法介绍，ANSYS的处理步骤。 3 艇体几何模型建立对于艇体三维模型的建立，一般根据已知的艇体参数和型值进行三维建模。由于后期要对所建立的模型进行有限元分析，Pro/E软件可以与有限元分析软件ANSYS进行数据共享，所以本文使用Pro/E进行船体建模。3.1 Pro/E基本简介3.1.1 Pro/E概念Pro/Engineer（简称Pro/E），里面包含CAD/CAM/CAE所有基本功能，是一个集成类的软件。在该软件里，所有模型的建立基本基于参数化。3.1.2 Pro/E特点Pro/Engineer包括以下几种功能：（1） 参数的定义；（2） 零件的模型实体组装；（3） 模型的渲染（对模型的颜色定义）；（4） 实体模型的建立以及线框模型的建立；（5） 最终完整模型图的生成以及展示。Pro/E特点：（1） 参数化设计；（2） 基于特征建模；（3） 单一数据库；（4） 全相关性。该软件是通过实际所需的不同功能逐一设计的，不需要复杂的几何公式的辅助，这使得软件的使用更为直观、简便。该软件基本功能如表3-1。表3-1 Pro/E指令对应标注Table 3-1 Pro/E instructions corresponding label功能备注特征驱动凸台、槽、倒角、腔、壳等参数化尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间的关系来进行设计如表面积，体积等支持大型、复杂组合件的设计规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等贯穿所有应用的完全相关性任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动3.2 Pro/E对艇体实体建模步骤由于艇体是一个三维立体的曲面外壳，它由船首至船尾的跨度相对于其他模型较大，并且涉及范围广，这使得计算量相较于其他模型大大增加。3.2.1确定相应的艇体相关参数（1） 参数如下表3-2所示。表3-2 模型船半宽值Table 3-2 model boat half-value width站半宽0.5DWLDWL折角线甲板线0N192.479177.4473229.1381187.892215.22202.295254.72172.332232.552221.6439274.8393159.985249.94241.3893295.0014150.378263.661257.656311.4645143.825270.358266.816320.8416134.614272.996272.996326.397113.872232.242265.922322.385882.772179.297249.164310.645939.50498.359203.305282.91555569.514.59151152.064244.977777810N079.2585185.52588mmNN0N24030mmNNNN表3-3 模型船高度Table 3-3 model boat height站高度51纵剖线102纵剖线153纵剖线折角线甲板线平均纵剖线中纵剖线026.0532.71139.37342.5661222.83334.016919.39124.51333.06641.63749.9115232.67134.734515.95222.52933.42343.72356.9476242.4635.492511.3083320.41833.7464665.1679252.15136.23036.44765418.61334.10148.18572261.65436.98212.35083517.54334.46350.2582.6359271.04437.65540618.01836.01253.94694.9879280.14839.5360721.42542.61863.388108.304289.39246.72680829.71857.78182.967125.317297.92762.95970958.03397.444127.046151.383306.3844444103.9266.03299.594.9879136.694171.221168.426310.4666667143.350124.51110167.3102224.539285.29188.23312.9944444N94.98792588mmNNN205.5539N2428.48,179.661207.6324030mmNNNN315.732NN表3-4 横剖面参数Table 3-4 cross-section parameters站长度面积辛氏乘数体积函数0011752.46579105772.1913124812844.921627346812.8832249613546.921727365766.8859374414041.4518252746.1499214143.83127381883.4375124013847.4612727373881.45426148812840.802618231134.44687173610895.072827294166.9656819848090.237627218436.4152922323990.36891351874.79579.523561668.96021626703.3632102480040半体积27394270.78/体积54788541.56/原体积41073951.24/表3-5 实船半宽值Table 3-5 half-width value of the real ship站半宽0.5DWLDWL折角线甲板线0N1795.1491597.02572278.3511691.0281991.0251820.6552511.40521550.9882138.5711994.79512695.9531439.8652285.2082172.50372875.25741353.4022398.052318.9043027.97851294.4252448.0272401.3443113.44261211.5262456.9642456.9643156.78671024.8482090.1782393.2983068.6318744.9481613.6732242.4762908.769355.536885.2311829.7452546.249.5131.3194591368.5762204.810N0713.32651669.521856.32NNNN23292NNNN24030NNNN表3-6 实船高度参数Table 3-6 real ship height parameters站高度51纵剖线102纵剖线153纵剖线折角线甲板线平均纵剖线中纵剖线0234.45294.399354.357383.09492005.497306.1521174.511220.617297.594374.733449.20352094.039312.6105143.552202.761300.807393.507512.52842182.14319.4325101.77473183.762303.714413.208586.51112269.359326.072758.028854167.517306.909433.665645.14252354.886332.838921.157475157.887310.167452.25743.72312439.396338.898606162.162324.108485.514854.89112521.332355.82407192.825383.562570.492974.7362604.528420.541208267.462520.029746.7031127.8532681.343566.637309522.297876.9961143.4141362.4472757.46935.33454.29619.5854.89111230.2461540.9891515.8342794.21290.1509220.599101505.79182020.8512567.611694.072816.95N854.891121856.32NNNNN1616.949N23292NNN1849.9851NN1868.6724030NNNN2841.59NN3.2.2 Pro/E软件实体建模（1）步骤如图3-1、3-2 。图3-1 艇体线状图Figure 3-1 hull line graph图3-2 艇体实体模型Figure 3-2 hull mock（2）对于船体具体的建模流程可以简单概括为如图3-3几个方面：图3-3 建模流程图Figure 3-3 modeling flow chart3.3 本章小结本章主要介绍了Pro/E的一些基本信息以及该软件在船舶工业上的一些相关应用。就本课题而言，主要针对的是艇体的三维建模。对于上层建筑、甲板开口之间的关系可以不着重探究。同时本章节通过使用Pro/E软件在游艇的基本型值和参数的基础上建立三维模型，为后续使用ANSYS分析做基础。4 有限元模型的建立与分析4.1 有限元模型的分析工作内容一般有限元模型建立分以下几步：（1） 模型修复；（2） 模型简化；（3） 模型网格的划分；（4） 模型的质量控制；（5） 求解文件等。ANSYS软件可以自动完成大部分计算问题，故本章节只需对数据进行分析。步骤如图4-1。几何模型的导入 模型的修复和简化网格的划分与质量控制添加材料属性边界条件的定义与加载求解文件输出有限元模型的导入及网格调整图4-1 操作流程Figure 4-1 operation flow4.1.1 几何模型的导入利用该软件的兼容性，使之与Pro/E实现数据共享，将几何模型导入到ANSYS接口中，进而建立有限元模型。如下图4-2所示。注意：Pro/E里面有相应的ANSYS导入接口。导入时目标集合模型必须封闭，否则影响后期有限元模型的建立。图4-2 ANSYS几何模型导入Figure 4-2 import geometry to ANSYS4.1.2 模型的修复和简化本小节处理集合模型的一些缺陷，包括间隙、封面、坏面、数据丢失等问题。对于模型的数据，首先需要通过简化步骤，依次去除孔，倒角等对集合模型进行重构。在这一步工作中，根据分析的要求，对导入的集合模型进行修复和简化。（1）在此之前需要将Pro/E里面所建立的几何模型保存为“*.x_t”后缀格式类型的文件。如图4-3所示。图4-3 文件保存路径和格式Figure 4-3 file path and format（2）打开ANSYS软件，点击FileImportPARA。然后选择上一步所保存的文件，得到下图4-4。图4-4 ANSYS几何模型界面图Figure 4-4 geometry interface FIG.of ANSYS （3）这时候模型已经导入完毕，此时需要把模型实体化，得出图4-5。图4-5 几何模型实体化Figure 4-5 geometry materialized4.1.3 网格划分与质量控制（1）在这一步中将采用的单元精度为1。首先定义一个单元，即空间实体单元SOLID65。定义完单元后进行网格的划分，如下图4-6所示。图4-6 ANSYS网格划分Figure 4-6 ANSYS Meshing4.1.4 添加材料属性在网格初步划分完成之后，需要对艇体的材料进行定义，对于大于24M的游艇采用钢制的艇体，对于45号刚的弹性模量定义为200GPa，泊松比为0.3。此时需要注意的是弹性模量200GPa应该用200e+009表示。定义完成之后对其进行约束和浮态的计算。4.1.5 边界条件的定义与加载完成网格的划分后，得到有限元模型。该模型可用作计算求解。考虑到加载问题，本文对艇体主要是静力结构分析，故艇体主要受到的荷载是静水弯矩，波浪弯矩，抨击弯矩这三个力。（1）考虑到船体骨架的问题，使用Pro/E艇体建立面骨架。采用阵列的方式，如下图4-7所示。图4-7 几何模型骨架建立Figure 4-7 geometry framework established（2）建好模型之后将文件保存为.igs格式。将模型直接导入workbench应用软件里面。导入模型如下图4-8所示。图4-8 workbench骨架建立Figure 4-8 establish framework in workbench注意：如果这里骨架没有建立出来，可以根据后期在workbench里面修改。在workbench里面采用相应的面与艇体相交，让所产生的交线生成线，将线进行扫描即可生成相应的骨架。在这里骨架可以近似为矩形材料，长宽都为70mm。骨架建立后得到下图4-9。图4-9 骨架建立Figure 4-9 established framework模型如上图4-9所示，材料的属性默认为45号钢。（3）在此建模的过程当中，需要注意所建立的骨架都是冻结的，如果不选择冻结，到后期加载分析的时候就会产生断裂等现象，或者会产生网格划分后受理不连贯。骨架的扫描仅选择船底和两舷扫描。因为本文主要做结构静力分析，对上层建筑的模型可以忽略。上图4-9所示模型仅为船底的一部分，其余部分只需要后期加载的时候把相应的力的方向和大小定义清楚即可。对于两肋骨之间的距离可以定义为3500mm，对于纵骨架则定义为1500mm。由游艇入级与建造规范（2012）可知，当艇体大于24米时，可采用横骨架式或者纵骨架和横骨架混合式进行设计建造。对于舷侧以及甲板上的受力可以近似等于静水的作用力，故而船体的自重仅作用于船的底部。在模型建立阶段完成后即可退出DM编辑器，回到workbench主界面，选择左边菜单栏toolbox里面的static structural，连接到之前所建立的geometry上，如下图4-10。图4-10 模型网格划分Figure 4-10 Model Meshing（4）右击model，选择edit，进入网格划分和加载界面。如下图4-11所示。图4-11 网格划分与加载Figure 4-11 mesh and loaded在这个界面对其进行网格划分，然后进行加载。对于该船体的载荷部分可由已知参数进行加载。（5）由于艇体加载过程中可能会出现刚体运动，为了防止这种现象，需要对船体施加适当的约束。但施加约束后将引起边界条件附近的变形和应力与实际情况不符，因此有必要采用有关的方法来防止这种现象的发生10。最常用的包括动平衡法和惯性释放两种方法。 动平衡法和惯性释放法在对惯性力求解的原理是相同的，只是前者是通过计算得到每个节点的惯性力后人为的加载上去，后者则是自动加载上去由程序内部计算得到每个节点在虚支座下的加速度。4.1.6 惯性释放通常做线性静力分析需要保证结构没有刚体位移，否则求解器没有办法计算。但是对于一些物体，比如空中飞行的飞机，水中的潜艇，和卫星，或者汽车中的一些悬架系统，这些需要用惯性释放来平衡大的外界载荷，否则可能结果会发生失真。惯性释放是对于产生大位移的物体，依靠惯性力产生的加速度来平衡外载，在结构上施加一个虚假的约束反力来保证结构上合力的平衡11。惯性释放是MSC.NASTRAN或ANSYS中的一个高级应用，允许对完全无约束的结构进行静力分析。简单地说就是用结构的惯性（质量）力来平衡外力。尽管结构没有约束，分析时仍假设其处于一种“静态”的平衡状态。采用惯性释放功能进行静力分析时，只需要对一个节点进行6个自由度的约束（虚支座）12。针对该支座，程序首先计算在外力作用下每个节点在每个方向上的加速度，然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上，由此构造一个平衡的力系（支座反力等于零）。求解得到的位移描述所有节点相对于该支座的相对运动。（1）惯性释放的设置在大纲树的“Static Structural”“Analysis Settings” “Detail”将“Inertia Relief”打开“On”4.1.7 动平衡法动平衡法主要对船首尾节点施加约束以消除船体的刚性位移。本次总纵强度的分析采用动平衡法对整船进行分析。施加约束，本储油船所施加的约束为：1）船头有一个X、Y、Z方向上的节点约束；2）船尾有两个X、Y方向上的节点约束；3）允许船段有纵向的自由位移，保持整个模型无刚性位移。船首首柱约束，点击“Static Structural”“Supports”“Displacement”“Geometry”选择下图“X、Y Component。所显示结果如下图4-12所示。图4-12 约束点Figure 4-12 constraint points船尾尾柱约束，点击“Static Structural”“Supports”“Displacement”“Geometry”选择下图4-13“Y、Z Component”选择0。图4-13 尾部约束点Figure 4-13 tail constraint points（2）对船体约束完成后根据本艇的载荷参数进行载荷分析，全船有限元模型上的荷载由以下几部分组成：自重可由船体结构设计中获得，以及详细的艇体分段的重量重心和载荷作用载体。在这方面，将模型沿纵向划分成一些材料区域是有效的，每一个材料区域施加均布载荷可以更加有效的反应真实受力情况，次要的或者未知的结构可以包含在船体重量中13。机械，轮机及其他设备。所有的主要