（船舶与海洋工程专业论文）内河自卸砂船结构型式的研究.pdf

摘要 摘要 针对内河 自卸砂船货舱区域结构型式的特殊性，用结构的有限元分 析方法 ，对工程实例 中典型的结构型式进行受力分析和探讨。主要分析 计算了用不同支撑方式连接砂舱和主船体时，船舶的局部强度和横向强 度 。 为实现上述 目的， 本文采用了美国大型通用有限元计算软件 a n s y s , 建立 了 内河 自卸砂 船货舱 区域 结构 的三维模 型 ，并按 照 中国船级 社 钢 质内河船舶结构强度直接计算指南( 2 0 0 2 )上的要求进行约束和加载。 并对不 同结构型式的计算 结果进行 了分析 比较 。 主题词 : 内河 自卸砂船 结构型式 有限元分析 华南理工大学硕士学位论文 ab s t r a c t r e g a r d i n g t h e s p e c i a l t i e s o f t h e s t r u c t u r e s o f t h e c a r g o h o l d o f t h e s e l f u n l o a d s a n d s h i p , t h e t y p i c a l s t r u c t u r e me c h a n i c a l b e h a v i o r w a s a n a l y z e d w i t h f i n i t e e l e m e n t m e t h o d . t h e l o c a l s t r e n g t h a n d t r a n s v e r s e s t r e n g t h o f d i f f e r e n t s t r u c t u r e f o r ms , w h i c h w e r e u s e d t o s u p p o r t t h e m a i n s h i p s t r u c t u r e s， we r e d i s c u s s e d . i n o t h e r t o a c h i e v e t h e a i ms a b o v e , t h e p a p e r s e t u p t h e 3 d mo d e l s o f t h e s e l f u n l o a d s a n d s h i p s b y a n s y s w h i c h i s t h e l a r g e g e n e r a l p u r p o s e d f e m a n a l y z i n g s o f t w a r e o f a m e r i c a . t h e m o d e l s w e r e c o n s t r a i n e d a n d t h e o u t s i d e f o r c e s w e r e a d d e d a c c o r d i n g t o t h e g u i d e l i n e s f o r t h e di r e c t c o m p u t i n g o f t h e s t r e n g t h o f i n l a n d w a t e r w a y s s t e e l s h i p s. t h e p a p e r h a s a l s o c o mp a r e d t h e c o m p u t i n g r e s u l t s o f t h e d i f f e r e n t s t r u c t u r e f o r ms . ke y w o r d s : s e l f u n l o a d s a n d s h i p s i n t h e i n l a n d wa t e r w a y s s t r u c t u r e f o r m t h e fi n i t e el e me n t m e t h o d i t 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作 品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均 己在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 名 : 考 妞 盛 户 日期:年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全 了解学校有关保留、 使用学位论文的规 定， 同意学校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。 本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书口 本学位论文属于 不保密 口。 ( 请在 以上相应方框 内打 “j ) 日日 月月 年年 作者签名:黄4 p a- 导师签名 : 日期 : 日期 : 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1自卸砂船发展的历史 自改革开放以来，沿海各地发生了翻天覆地的变化，楼房、道路、 桥梁等各种基础设施的建设蓬勃发展。基础建设需要大量的原材料，因 此砂、碎石等的需求量不断增大。一九九二年小平同志南巡后，这种快 速发展的势头达到了空前鼎盛时期。珠三角地区是经济发展的前沿，该 地区水网丰富，水路运输方便，但底子薄，与之配套的水运基础设施如 码头相对落后.为了更好地利用水路资源，提高运输效率，降低运输成 本，于是在珠三角地区的河岸边上建成了许多简易码头和带简易快捷的 卸货装置的船舶。这样，一种新型的船舶一一 自卸砂船便应运而生。 所谓 自卸砂船是一种设有特殊货舱，可用于装运砂、碎石或煤粉等 较细颗粒的散货，并带有动力卸货装置的一种散装运输货船。其卸货架 有伸缩和升降功能，架上支承皮带，货物从砂舱直接漏在皮带上，滚轮 转动带动皮带将货物运送到距岸十几米外的简陋码头上。它是珠江水系 的一种最经济实用的运输工具。 自卸砂船是从生产需要发展起来的，从上世纪八十年代初到现在 已 有几十年的历史。其数量日益增多，并且越造越大。上世纪八十年代到 九十年代，这种船舶主要以钢丝网水泥船为主，当时受 内河钢丝网水 泥船建造规范的限制，这些船舶的主尺度亦受限制，最大主尺度为两 柱间长x型宽x型深= 3 9 . 9 x9 . 0 x3 . 0米，载货量约为 3 0 0吨。现在， 船 舶材质一般为钢质，船长由 3 0 米至 8 0 米，型宽由 7 米至 1 6米，型深由 2米至 5米，最大载货量达 3 0 0 0多吨。随着社会的发展和生产规模的不 断扩大，船舶设计大型化的势头日趋明显。现在主尺度为两柱间长x型 宽x型深二 8 0 . 0 x1 5 . 6 x5 . 2 米，载货量 3 5 0 0吨的钢质内河自卸砂船正在 设计和建造中。 1 . 2本文研究的目的 自卸砂船的发展历经 了几十年的风风雨雨，船舶设计单位和使用单 位在多年的生产实践中积累了许多宝贵经验的同时，亦得到许多教训。 早期的 自卸砂船因强度 、稳性等技术因素造成的海损事故时有发生，给 人民的生命财产带来巨大的损失。随着船舶向大型化发展，船舶的安全， 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1自卸砂船发展的历史 自改革开放以来，沿海各地发生了翻天覆地的变化，楼房、道路、 桥梁等各种基础设施的建设蓬勃发展。基础建设需要大量的原材料，因 此砂、碎石等的需求量不断增大。一九九二年小平同志南巡后，这种快 速发展的势头达到了空前鼎盛时期。珠三角地区是经济发展的前沿，该 地区水网丰富，水路运输方便，但底子薄，与之配套的水运基础设施如 码头相对落后.为了更好地利用水路资源，提高运输效率，降低运输成 本，于是在珠三角地区的河岸边上建成了许多简易码头和带简易快捷的 卸货装置的船舶。这样，一种新型的船舶一一 自卸砂船便应运而生。 所谓 自卸砂船是一种设有特殊货舱，可用于装运砂、碎石或煤粉等 较细颗粒的散货，并带有动力卸货装置的一种散装运输货船。其卸货架 有伸缩和升降功能，架上支承皮带，货物从砂舱直接漏在皮带上，滚轮 转动带动皮带将货物运送到距岸十几米外的简陋码头上。它是珠江水系 的一种最经济实用的运输工具。 自卸砂船是从生产需要发展起来的，从上世纪八十年代初到现在 已 有几十年的历史。其数量日益增多，并且越造越大。上世纪八十年代到 九十年代，这种船舶主要以钢丝网水泥船为主，当时受 内河钢丝网水 泥船建造规范的限制，这些船舶的主尺度亦受限制，最大主尺度为两 柱间长x型宽x型深= 3 9 . 9 x9 . 0 x3 . 0米，载货量约为 3 0 0吨。现在， 船 舶材质一般为钢质，船长由 3 0 米至 8 0 米，型宽由 7 米至 1 6米，型深由 2米至 5米，最大载货量达 3 0 0 0多吨。随着社会的发展和生产规模的不 断扩大，船舶设计大型化的势头日趋明显。现在主尺度为两柱间长x型 宽x型深二 8 0 . 0 x1 5 . 6 x5 . 2 米，载货量 3 5 0 0吨的钢质内河自卸砂船正在 设计和建造中。 1 . 2本文研究的目的 自卸砂船的发展历经 了几十年的风风雨雨，船舶设计单位和使用单 位在多年的生产实践中积累了许多宝贵经验的同时，亦得到许多教训。 早期的 自卸砂船因强度 、稳性等技术因素造成的海损事故时有发生，给 人民的生命财产带来巨大的损失。随着船舶向大型化发展，船舶的安全， 华南理工大学硕十学位论文 特别是结构强度的安全显得尤其重要。因 自卸砂船的使用局限于珠江水 系等原因，砂船的具体的结构设计尚没有规范可循，其结构型式没有统 一的标准，甚至一些部位的荷载分析亦未达成共识。显然，用直接计算 法不仅可以考虑船舶实际的营运条件和特殊要求，弥补 了按规范设计的 约束，对 自卸砂船 目前结构在规范无章可循的情况下能给出正确的强度 评估。但直接计算法的工作量较大，设计费相对较高，对 内河船舶造成 不必要的经济负担。为此，本文希望利用船舶结构直接计算法 ，通过建 立典型的 自卸砂船的总体和局部强度的有限元模型， 用美国通用的 a n s y s 大型计算软件来分析 自卸砂船的局部强度和横向强度分析，从而探索出 一种结构型式合理，使用安全的自卸砂船的结构型式，使设计和使用单 位在工作中可减少盲目性，少走弯路，降低工作量，为珠江水系的水运 事业发展做 出微薄 的贡献 。 1 . 3自卸砂船简介 自卸砂船是散货船的一种，但它的结构又与一般的散货船不尽相同。 目前珠江水系上航行的自卸砂船一般为尾机型船舶，全船从结构上分为 首尖舱、首二舱、货舱 、机舱和舰舱五大舱室。货舱区为双舷、单底并 设有两个平台甲板，及一个横截面为倒三角型的漏斗状的砂舱。砂舱的 底部由可移动的闸板组成，船员在主甲板上通过拉动砂舱底的闸板，可 控制砂舱的开关，砂舱底部漏斗口下设有卸砂皮带。船头设有一个十几 米至几十米的卸砂架 ( 它可升降和前后移动) ，砂舱前下方设有滚筒，卸 砂 皮带 由滚 筒牵动 ，循 环往 复于砂 舱底和 卸砂架之 间 ，货物 随之被 卸到 岸上的简易码头上。带动滚筒的原动机功率大小取决卸砂速度，一般卸 一船砂仅需要半小时左右。 1 . 4自卸砂船的结构型式 目前常用的自卸砂船的结构型式有横骨架式和纵骨架式两种，但其 结构特点并不体现在骨架的型式上，而是体现在货舱区域结构、以及砂 舱板架与船体连接的型式上。 自卸砂船货舱区一般为双舷单底结构，主 要横剖面主要有两种型式:一是支柱垂直于砂舱底板，如图 1 - r所示; 一是支柱垂直于基线，如图 1 - z所示。 华南理工大学硕十学位论文 特别是结构强度的安全显得尤其重要。因 自卸砂船的使用局限于珠江水 系等原因，砂船的具体的结构设计尚没有规范可循，其结构型式没有统 一的标准，甚至一些部位的荷载分析亦未达成共识。显然，用直接计算 法不仅可以考虑船舶实际的营运条件和特殊要求，弥补 了按规范设计的 约束，对 自卸砂船 目前结构在规范无章可循的情况下能给出正确的强度 评估。但直接计算法的工作量较大，设计费相对较高，对 内河船舶造成 不必要的经济负担。为此，本文希望利用船舶结构直接计算法 ，通过建 立典型的 自卸砂船的总体和局部强度的有限元模型， 用美国通用的 a n s y s 大型计算软件来分析 自卸砂船的局部强度和横向强度分析，从而探索出 一种结构型式合理，使用安全的自卸砂船的结构型式，使设计和使用单 位在工作中可减少盲目性，少走弯路，降低工作量，为珠江水系的水运 事业发展做 出微薄 的贡献 。 1 . 3自卸砂船简介 自卸砂船是散货船的一种，但它的结构又与一般的散货船不尽相同。 目前珠江水系上航行的自卸砂船一般为尾机型船舶，全船从结构上分为 首尖舱、首二舱、货舱 、机舱和舰舱五大舱室。货舱区为双舷、单底并 设有两个平台甲板，及一个横截面为倒三角型的漏斗状的砂舱。砂舱的 底部由可移动的闸板组成，船员在主甲板上通过拉动砂舱底的闸板，可 控制砂舱的开关，砂舱底部漏斗口下设有卸砂皮带。船头设有一个十几 米至几十米的卸砂架 ( 它可升降和前后移动) ，砂舱前下方设有滚筒，卸 砂 皮带 由滚 筒牵动 ，循 环往 复于砂 舱底和 卸砂架之 间 ，货物 随之被 卸到 岸上的简易码头上。带动滚筒的原动机功率大小取决卸砂速度，一般卸 一船砂仅需要半小时左右。 1 . 4自卸砂船的结构型式 目前常用的自卸砂船的结构型式有横骨架式和纵骨架式两种，但其 结构特点并不体现在骨架的型式上，而是体现在货舱区域结构、以及砂 舱板架与船体连接的型式上。 自卸砂船货舱区一般为双舷单底结构，主 要横剖面主要有两种型式:一是支柱垂直于砂舱底板，如图 1 - r所示; 一是支柱垂直于基线，如图 1 - z所示。 华南理工大学硕十学位论文 特别是结构强度的安全显得尤其重要。因 自卸砂船的使用局限于珠江水 系等原因，砂船的具体的结构设计尚没有规范可循，其结构型式没有统 一的标准，甚至一些部位的荷载分析亦未达成共识。显然，用直接计算 法不仅可以考虑船舶实际的营运条件和特殊要求，弥补 了按规范设计的 约束，对 自卸砂船 目前结构在规范无章可循的情况下能给出正确的强度 评估。但直接计算法的工作量较大，设计费相对较高，对 内河船舶造成 不必要的经济负担。为此，本文希望利用船舶结构直接计算法 ，通过建 立典型的 自卸砂船的总体和局部强度的有限元模型， 用美国通用的 a n s y s 大型计算软件来分析 自卸砂船的局部强度和横向强度分析，从而探索出 一种结构型式合理，使用安全的自卸砂船的结构型式，使设计和使用单 位在工作中可减少盲目性，少走弯路，降低工作量，为珠江水系的水运 事业发展做 出微薄 的贡献 。 1 . 3自卸砂船简介 自卸砂船是散货船的一种，但它的结构又与一般的散货船不尽相同。 目前珠江水系上航行的自卸砂船一般为尾机型船舶，全船从结构上分为 首尖舱、首二舱、货舱 、机舱和舰舱五大舱室。货舱区为双舷、单底并 设有两个平台甲板，及一个横截面为倒三角型的漏斗状的砂舱。砂舱的 底部由可移动的闸板组成，船员在主甲板上通过拉动砂舱底的闸板，可 控制砂舱的开关，砂舱底部漏斗口下设有卸砂皮带。船头设有一个十几 米至几十米的卸砂架 ( 它可升降和前后移动) ，砂舱前下方设有滚筒，卸 砂 皮带 由滚 筒牵动 ，循 环往 复于砂 舱底和 卸砂架之 间 ，货物 随之被 卸到 岸上的简易码头上。带动滚筒的原动机功率大小取决卸砂速度，一般卸 一船砂仅需要半小时左右。 1 . 4自卸砂船的结构型式 目前常用的自卸砂船的结构型式有横骨架式和纵骨架式两种，但其 结构特点并不体现在骨架的型式上，而是体现在货舱区域结构、以及砂 舱板架与船体连接的型式上。 自卸砂船货舱区一般为双舷单底结构，主 要横剖面主要有两种型式:一是支柱垂直于砂舱底板，如图 1 - r所示; 一是支柱垂直于基线，如图 1 - z所示。 第一章 绪论 图 1 一 1图 1 - 2 船体纵向结构图分有首尾升高甲板和没有首尾升高甲板两种形式: 一是砂舱前、后壁设有首尾升高甲板的型式，如图 1 - 3所示;一是主甲 板连续的结构型式如图 1 - 4所示。 1 一 3 图 1 - 4 1 . 5内河自卸砂船结构计算上主要存在的问题 从 自卸砂 船 的基 本结构型式来看 ，它 的结构 计算 主要存 在 以下几个 尚等研 究 的 因素 : ( 1 ) 、砂舱板的荷载。 自卸砂船的砂舱板与基线存在一个锐角 第一章 绪论 图 1 一 1图 1 - 2 船体纵向结构图分有首尾升高甲板和没有首尾升高甲板两种形式: 一是砂舱前、后壁设有首尾升高甲板的型式，如图 1 - 3所示;一是主甲 板连续的结构型式如图 1 - 4所示。 1 一 3 图 1 - 4 1 . 5内河自卸砂船结构计算上主要存在的问题 从 自卸砂 船 的基 本结构型式来看 ，它 的结构 计算 主要存 在 以下几个 尚等研 究 的 因素 : ( 1 ) 、砂舱板的荷载。 自卸砂船的砂舱板与基线存在一个锐角 一一 一 一 一 一一 一 一 一 墅 哩 已途 巴_li _ 般为 3 0 - 4 5度，舱内货物对舱底板产生的荷载有待研究，砂舱的载货甲 板及其下的甲板横梁、纵析以及支撑砂舱并与主船体连接的柱状构件的 计算方法不确定。 ( 2 ) 、支承砂舱的支撑构件 ( 暂称支柱) 的设置形式。支承砂舱的支柱 是垂直于砂舱板还是垂直于基线设置，才能更有效地支承、传递荷载， 并更好地与主船体连接。 ( 3 ) 、砂舱结构如何参与船体总纵强度 。自卸砂船的砂舱结构主要 是通过舱下的支柱与主船体进行连接。砂舱板架并未直接与主船体连接， 因此砂舱结构上的纵向构件有多少成份参与船体总纵强度，采用何种结 构型式才能使砂舱构件更有效地参与总纵强度是一个有待研究的问题。 ( 4 ) 、舱 口角隅的局部强度。目前 自卸砂船的主甲板设计一般有两 种型式，一种是首尾连续，如图 1 - 3 ;另一种是在货舱开口的前、后端壁 开始设置首尾升高甲板，如图 1 - 4所示。若图 1 - 3型式，则舱口角隅的 加强可用规范的方法:若图 1 - 4型式，舱口角隅是否需要作局部加强， 如何加强 ( 5) 货舱区实肋板剖面模数的核准。由于 自卸砂船货舱区的结构 型式不同于规范，故不能用规范的计算方法对货舱区的构件，特别是实 肋板，进行强度核准。我们希望通过对整船结构进行有限元计算，分析 砂舱纵精、支柱与船底纵析构成的纵向析架的位移情况，确定船底实肋 板 的计算跨距 的常规取值 。 1 . 6本文的主要研究工作 由于时间有限， 本文拟对内河自卸砂船砂舱区域的两种结构型式( 见 图 1 - 1 和图 1 - 2 )进行计算、分析和研究。利用通用结构有限元软件进行 局部强度和横向强度计算，把计算结果与现行规范的要求进行比较，寻 求一种结构合理、工艺简单、经济性好的结构型式。 一一 一 一 一 一一 一 一 一 墅 哩 已途 巴_li _ 般为 3 0 - 4 5度，舱内货物对舱底板产生的荷载有待研究，砂舱的载货甲 板及其下的甲板横梁、纵析以及支撑砂舱并与主船体连接的柱状构件的 计算方法不确定。 ( 2 ) 、支承砂舱的支撑构件 ( 暂称支柱) 的设置形式。支承砂舱的支柱 是垂直于砂舱板还是垂直于基线设置，才能更有效地支承、传递荷载， 并更好地与主船体连接。 ( 3 ) 、砂舱结构如何参与船体总纵强度 。自卸砂船的砂舱结构主要 是通过舱下的支柱与主船体进行连接。砂舱板架并未直接与主船体连接， 因此砂舱结构上的纵向构件有多少成份参与船体总纵强度，采用何种结 构型式才能使砂舱构件更有效地参与总纵强度是一个有待研究的问题。 ( 4 ) 、舱 口角隅的局部强度。目前 自卸砂船的主甲板设计一般有两 种型式，一种是首尾连续，如图 1 - 3 ;另一种是在货舱开口的前、后端壁 开始设置首尾升高甲板，如图 1 - 4所示。若图 1 - 3型式，则舱口角隅的 加强可用规范的方法:若图 1 - 4型式，舱口角隅是否需要作局部加强， 如何加强 ( 5) 货舱区实肋板剖面模数的核准。由于 自卸砂船货舱区的结构 型式不同于规范，故不能用规范的计算方法对货舱区的构件，特别是实 肋板，进行强度核准。我们希望通过对整船结构进行有限元计算，分析 砂舱纵精、支柱与船底纵析构成的纵向析架的位移情况，确定船底实肋 板 的计算跨距 的常规取值 。 1 . 6本文的主要研究工作 由于时间有限， 本文拟对内河自卸砂船砂舱区域的两种结构型式( 见 图 1 - 1 和图 1 - 2 )进行计算、分析和研究。利用通用结构有限元软件进行 局部强度和横向强度计算，把计算结果与现行规范的要求进行比较，寻 求一种结构合理、工艺简单、经济性好的结构型式。 第二章 内河自 卸砂船船体结构有限元分析方法 第二章 内河自卸砂船船体结构有限元分析方法 本文主要应 用结构有 限元 分析方 法 ，针 对 内河 自卸砂船船 体 的局 部 强度、横向强度进行强度分析。 2 . 1船体结构有限元法的单元特点 2 . 1 . 1概述 工程实际中结构的种类很多，有些比较简单，有些比较复杂。可简 单 分类如下 ， 5 1 : ( 1 ) 杆系结构一一工程结构只有杆件构成 ( 2 ) 板结构一一工程结构只有板结构 ( 3 ) 组合结构 ( 或混合结构)一一工程结构中既有杆件又有板的结构 组合结构应用广泛，它的计算分析要比单纯的杆系结构，如刚架、 析架等复杂，也比单纯的板结构，如箱型梁、浮箱等 ( 平面应力问题或 弯曲问题)复杂。 杆系结构在可以根据杆件的尺寸、杆端的连接情况、承受载荷的特 点划分为析架结构或刚架结构。船体结构中，船底板架、舷侧板架、甲 板板架、肋骨刚架等都是在一定条件下简化出来的杆系结构。这种计算 比较简单，在一定程度上也能满足需要，受到人们的欢迎;但是，这样 计算有一定的误差，有时甚至误差很大。例如，一条六万吨级的大型油 轮，按空间刚架计算其一个舱段和按组合结构计算相比较，其应力最大 相差 4 0 % 。 这就告诉我们，类似这样的结构简化成杆系结构进行计算是不 正确的， 其主要原因是按杆系结构一 空间刚架计算时， 将板化到了骨架里， 仅仅作为梁来考虑，而没有考虑板的剪切效应和泊桑效应。所 以在进行 较精确的分析计算时，不仅要考虑到骨架的作用，同时还要考虑板的作 用，即应该按组合结构进行分析。 分析组合结构可以采取不同的方法，有限元是通用性强、并且有力 的方法之一 2 5 。本节主要研究利用有限元方法进行内河自卸砂船结构分 析的一些问题。 2 . 1 . 2结构模型化概述 在进行结构分析时，首先要将结构模型化。结构模型化:是根据各 种工程结构的受力情况、变形情况及各种构件起的作用而定，即根据结 构的特点、承受载荷的特点，从力学的角度加以抽象简化 ，得出计算模 第二章内河白卸砂船船体结构有限元分析方法 第二章内河自卸砂船船体结构有限元分析方法 本文主要应用结构有限元分析方法，针对内河自卸砂船船体的局部 强度、横向强度进行强度分析。 2 1 船体结构有限元法的单元特点 2 1 1 概述 工程实际中结构的种类很多，有些比较简单，有些比较复杂。可简 单分类如下“： ( 1 ) 杆系结构一一工程结构只有杆件构成 ( 2 ) 板结构一一工程结构只有板结构 ( 3 )组合结构( 或混合结构) 一一工程结构中既有杆件又有板的结构 组合结构应用广泛，它的计算分析要比单纯的杆系结构，如刚架、 桁架等复杂，也比单纯的板结构，如箱型梁、浮箱等( 平面应力问题或 弯曲问题) 复杂。 杆系结构在可以根据杆件的尺寸、杆端的连接情况、承受载荷的特 点划分为桁架结构或刚架结构。船体结构中，船底板架、舷侧板架、甲 板板架、肋骨刚架等都是在一定条件下简化出来的杆系结构。这种计算 比较简单，在一定程度上也能满足需要，受到人们的欢迎；但是，这样 计算有一定的误差，有时甚至误差很大。例如，一条六万吨级的大型油 轮，按空间刚架计算其一个舱段和按组合结构计算相比较，其应力最大 相差4 0 。这就告诉我们，类似这样的结构简化成杆系结构进行计算是不 正确的，其主要原因是按杆系结构一空间刚架计算时，将板化到了骨架里， 仅仅作为梁来考虑，而没有考虑板的剪切效应和泊桑效应。所以在进行 较精确的分析计算时，不仅要考虑到骨架的作用，同时还要考虑板的作 用，即应该按组合结构进行分析。 分析组合结构可以采取不同的方法，有限元是通用性强、并且有力 的方法之一”“。本节主要研究利用有限元方法进行内河自卸砂船结构分 析的一些问题。 2 。1 2 结构模型化概述 在进行结构分析时，首先要将结构模型化。结构模型化：是根据各 种工程结构的受力情况、变形情况及各种构件起的作用而定，即根据结 构的特点、承受载荷的特点，从力学的角度加以抽象简化，得出计算模 华南理工大学硕士学位论文 型。 1 计算模型的简化和单元的种类“州 如图2 1 ( a ) 所示的为机翼结构，其外板很薄、很轻，只能承受膜力； 外板上的纵向加强筋较密，并且截面尺寸也很小，主要起到拉压杆的作 用；横隔板支承着外板和外筋，并承受着它们传递过来的载荷，处于平 面应力状态。因此，该机翼结构可以简化外具有拉压杆单元( 加筋) 和 平面应力单元( 外板、横隔板) 的组合结构。 图2 一l 如图2 1 ( b ) 所示为大型船舶的货舱结构，当舱内装有液体、舷外 受到水压力作用时，结构将产生变形。由于肋骨框架、甲板纵桁及舱壁 桁材的腹板比较高，所以它们的抗弯能力较强，在载荷的作用下将产生 弯曲变形，同时还会产生轴向变形和扭转变形，但弯曲变形是主要的。 船底纵骨、舷侧纵骨及甲板纵骨与这些构件相比，腹板高度很小，抗弯 能力要差得多，所以主要承受轴向力，起拉压杆的作用。船的外板较薄， 受到舱内外横向载荷的作用产生弯曲变形，它除承受弯曲应力之外，还 要承受膜应力( 平面应力) 。对于腹扳较高的构件，能够承受弯曲、拉压、 扭转力，可以处理为空间梁单元，对于腹板高度很小的纵骨，主要能够 承受拉压力，可以处理成杆单元( 梁的特殊情况) ：对于船体外板，由于 其弯曲应力可以单独计算，所以我们只考虑其膜应力，可以处理为平面 应力单元。故此结构可以简化为杆元，梁元和平面应力元组成的组合结 构。当然，对于船体外板也可以采用弯曲板单元，但其自由度数多，使 用平面应力元计算简单。 第二章内河自卸砂船船体结构有限元分析方法 图2 2 图2 2 所示结构的外板和纵横隔板都是薄板，故都可以处理为膜单 元，即此结构仅由膜单元构成；由于此结构顶部是拱型，所以在进行更 精度地计算时拱型部分的单元应取为壳元，所以此结构模型化为由膜元 和壳元组成。由以上例子可以看出，结构的模型化具有一定的灵活性， 这主要取决于结构受力的特点、本身的性质、计算的方便程度及计算精 度。模型化的正确与否将关系到结构分析的成败。必须谨慎考虑。 2 结构的稳定性h ” 如图2 3 ( a ) 所示为实际结构。其上、下表面和左右两侧均由薄板 构成，内部有一系列横向骨架。若简化为( b ) 所示的结构模型：外板为 膜单元、骨架为杆单元，则是一个不稳定的结构，例如稍施加侧向力， 它就会跨掉；若简化为( c ) 所示的结构模型：外板为膜单元、骨架为梁 单元，则是一个稳定的结构。因为梁端相互刚接，可以承受弯矩。所以 尽管实际结构中的骨材断面尺寸较小，但却不能简化为拉压杆，以保证 结构的稳定性。但是，如果此结构中有横隔板，刚会起到支持上下面板 和侧向板的作用。其内部骨架不论简化为梁还是简化为杆都不影响结构 的稳定性。但应根据它们的几何尺寸、受力特点进行简化，以褥出正确 的计算模型。 ( a ) ( b )( c ) 图2 3 3 单元选取和划分网格 简化出的结构计算模型需要划分有限元网格的时候，应该对结构的 7 华南理工大学硕士学位论文 几何形状、受载特点及应力分布情况进行充分的考虑，以确定使用单元 的种类，制定划分网格的策略。 图2 4 如图2 4 所示，( a ) 为船舶的肋骨框架。在较粗略地计算此舶的横向 强度时，可按平面刚架计算此框架，构件都简化为梁，并且可以考虑剪 切变形的影响和梁端连接处的肘板的影响。计算简图如( b ) 。由于实际上 框架处于平面应力状态，所以在较精确地计算此框架的变形和各部位的 应力分布，尤其是角隅处的应力分布的时候，应该用平面膜元进行分析。 图2 5 参见图2 - 5 ，划分了( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 四种形式的网格。其中( b ) 采用 了较大的均匀网格，水平撑杆处网格更大一些；( a ) 基本上是在( b ) 的基 第二章内河自卸砂船船体结构有限元分析方法 础上网格线加密一倍，水平撑杆处网格加密更多一些，构成了非常均匀 的小网格。( a ) 的单元数、节点数基本上是( b ) 的四倍，但二者之间的计 算结果仅相差为1 0 2 ( 舷侧处最大垂向位移) ，也就是说用这种加密的 方法提高计算精度，付出的代价是昂贵的。( c ) 是在( b ) 的基础上在角隅 处加密网格，其余部分不变，网格数比( a ) 小很多，计算量小很多，其计 算结果与( a ) 的结果比较，相差6 5 ，付出的代价不高，收效明显。( d ) 也是在( b ) 的基础上加密了网格，但计算的误差却很大，这是由于网格划 分得粗细不当所致。 对比( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 的计算结果可以发现，根据结构的受力特点、 变形情况、几何形状、应力分布状态，合理地划分网格是十分重要的。 在应力梯度变化较大的区域，如角隅处，应该采用较细的网格或精度较 高的单元；在应力变化较平缓的区域可以采用较大的网格或一般精度的 单元，没有必要采用小网格或高精度的单元，这样可以收到事半功倍的 效果，如采用( c ) 比采用( a ) 经济许多。反之，在应力集中区域采用了大 网格，而在其他区域采用小网格，不仅花费了很大的代价，而且误差大， 甚至导致错误的结果，如( d ) 。这些对结构分析工作者来说是相当重要的。 在一定程度上，力学概念、结构分析经验、有限元技术及计算机技术要 综合加以考虑，才能进行正确、可行、可靠的结构分析。结构模型化和 网格 2 2 内河白卸砂船结构分析单元选取和划分网格 采用三维有限元模型对内河自卸砂船主要构件进行强度直接计算， 为了减少边界条件的影响，模型范围为船货舱区，垂向范围为船体型深。 一般来说，强度评估只采用砂舱( 含舱壁) 的计算结果。 主要构件和载荷对称于纵中剖面时，则可以仅模型化船体结构的右 舷( 或左舷) 。而一般情况下非对称载荷可以分解为相对于纵中剖面对称 和反对称的载荷来处理，也可以采用全宽模型“， 船体结构有限元网格沿船体横向按纵骨间距划分，纵向按肋骨间距 或参照纵骨间距大小划分，舷侧也参照该尺寸划分，原则是网格形状尽 量接近正方形1 。 一般来讲，船体的各类板、壳结构，强框架、纵桁、平面舱壁的桁 材、肋骨等的高腹板以及用4 节点板壳单元模拟，尽量少用三角形单元 14 o 对于承受水压力和货物压力的甲板、内外壳板、砂舱斜板上的纵骨、 9 第二章 内河自 卸砂船船体结构有限元分析方法 础上网格线加密一倍，水平撑杆处网格加密更多一些，构成 了非常均匀 的小网格。( a ) 的单元数、节点数基本上是( b ) 的四倍，但二者之间的计 算结果仅相差为 1 0 . 2 % 舷侧处最大垂向位移) ，也就是说用这种加密的 方法提高计算精度，付出的代价是昂贵的。( 。 ) 是在 ( b ) 的基础上在角隅 处加密网格，其余部分不变，网格数比( a ) 小很多，计算量小很多，其计 算结果与 ( a ) 的结果比较 ，相差 6 . 5 % ，付出的代价不高，收效明显。( d ) 也是在 ( b ) 的基础上加密了网格，但计算的误差却很大，这是由于网格划 分得粗细不 当所致 。 对比( a ) , ( b ) , ( c ) , ( d ) 的计算结果可以发现，根据结构的受力特点、 变形情况、几何形状、应力分布状态，合理地划分网格是十分重要的。 在应 力梯度 变化较大 的区域 ，如角隅 处 ，应 该采用较 细 的 网格 或精度 较 高的单元;在应力变化较平缓的区域可以采用较大的网格或一般精度的 单元，没有必要采用小网格或高精度的单元，这样可以收到事半功倍的 效果，如采用( c ) 比采用( a ) 经济许多。反之，在应力集中区域采用了大 网格，而在其他区域采用小网格，不仅花费了很大的代价，而且误差大， 甚至导致错误 的结果 ， 如 ( d ) 。 这些对结构分析工作者来 说是相 当重要 的。 在一定程度上，力学概念、结构分析经验、有限元技术及计算机技术要 综合加以考虑，才能进行正确、可行、可靠的结构分析。结构模型化和 网格 2 . 2内河自卸砂船结构分析单元选取和划分网格 采用三维有限元模型对内河 自卸砂船主要构件进行强度直接计算， 为了减少边界条件的影响，模型范围为船货舱区，垂向范围为船体型深。 一般来说，强度评估只采用砂舱 ( 含舱壁)的计算结果。 主要构件和载荷对称于纵中剖面时，则可以仅模型化船体结构的右 舷 ( 或左舷 ) 。而一般情况下非对称载荷可以分解为相对于纵中剖面对称 和反对称的载荷来处理，也可以采用全宽模型 川。 船体结构有限元网格沿船体横向按纵骨间距划分，纵向按肋骨间距 或参照 纵骨 间距大 小划 分 ，舷侧也参 照该尺寸划分 ，原则 是 网格形状尽 量接近正方形 一 般 来讲 ，船 体 的各类 板 、壳 结 构 ，强框 架 、 材、肋骨等的高腹板以及用 4节点板壳单元模拟 f 1 4 1 纵格、平面舱壁 的析 尽量少用三 角形 单元 对于承受水压力和 货物压力 的 甲板 、内外 壳板 、砂舱斜板 上 的纵骨 、 华南理工大学硕士学位论文 舱壁的扶强材等用梁单元模拟，并考虑偏心的影响，纵析、肋板上加强 筋、肋骨和肘板等主要构件的面板和加强筋可用杆单元模拟。若考虑到 网格 的布 置和大 小划分 的 困难 ，部分 区域 一个线单 元可 以用来模拟 不止 一 根 梁 或 杆 单 元川 。 船底纵析和肋板在垂直方向应布置不少于 3个单元。舱壁最底部的 单元一般情况下应尽量取为正方形单元 ， 。 舷侧肋骨可以定义为板元或梁元，当肋骨腹板的高度与舷侧的网格 尺寸之比小于 1 / 3 时，可用梁元 1 4 一般 ，三 角形单元 尽量 少用 ，可 能的话 ，在 高应 力 区和高应 力变化 区尽量避免使用三角形单元，如:减轻孔、人孔，邻近肘板或结构不连 续 处 。 主要构件 的减轻孔 、人 孔 ，可 以用 等 效板厚 的板元来替代这些 开孔 的影 响 。 2. 3 2. 3. 1 散 货船边 界 条件 与荷 载 边界条件 从直接计算规范指南可知 2 7 1 . 1 .如果载荷左右对称 ，则 中纵剖面 内节 点的横 向线位移 为 0 ，绕 中 纵剖面内两个坐标轴的角位移为 。 ，即:s y = o x = o z = o ; 2 .如果载荷左右反对称 ，则 中纵剖面 内节 点沿纵 中剖面 内两个坐标 轴 方 向的线 位 移 为 a x 二 s z = o y = o ; 0 ，绕垂直于纵中剖面的坐标轴的角位移为 0 ，即: 3 .端面约束 ( 图 2 - 6 ) : 端独立点约束 勿，s z , o x , 一端独立点约束s x , s y , s z , 0 x , 0 z ，另一 6 z .( 如表 2 . 1 ) 华南理工大学硕士学位论文 舱壁的扶强材等用梁单元模拟，并考虑偏心的影响，纵析、肋板上加强 筋、肋骨和肘板等主要构件的面板和加强筋可用杆单元模拟。若考虑到 网格 的布 置和大 小划分 的 困难 ，部分 区域 一个线单 元可 以用来模拟 不止 一 根 梁 或 杆 单 元川 。 船底纵析和肋板在垂直方向应布置不少于 3个单元。舱壁最底部的 单元一般情况下应尽量取为正方形单元 ， 。 舷侧肋骨可以定义为板元或梁元，当肋骨腹板的高度与舷侧的网格 尺寸之比小于 1 / 3 时，可用梁元 1 4 一般 ，三 角形单元 尽量 少用 ，可 能的话 ，在 高应 力 区和高应 力变化 区尽量避免使用三角形单元，如:减轻孔、人孔，邻近肘板或结构不连 续 处 。 主要构件 的减轻孔 、人 孔 ，可 以用 等 效板厚 的板元来替代这些 开孔 的影 响 。 2. 3 2. 3. 1 散 货船边 界 条件 与荷 载 边界条件 从直接计算规范指南可知 2 7 1 . 1 .如果载荷左右对称 ，则 中纵剖面 内节 点的横 向线位移 为 0 ，绕 中 纵剖面内两个坐标轴的角位移为 。 ，即:s y = o x = o z = o ; 2 .如果载荷左右反对称 ，则 中纵剖面 内节 点沿纵 中剖面 内两个坐标 轴 方 向的线 位 移 为 a x 二 s z = o y = o ; 0 ，绕垂直于纵中剖面的坐标轴的角位移为 0 ，即: 3 .端面约束 ( 图 2 - 6 ) : 端独立点约束 勿，s z , o x , 一端独立点约束s x , s y , s z , 0 x , 0 z ，另一 6 z .( 如表 2 . 1 ) 华南理工大学硕士学位论文 舱壁的扶强材等用梁单元模拟，并考虑偏心的影响，纵桁、肋板上加强 筋、肋骨和肘板等主要构件的面板和加强筋可用杆单元模拟。若考虑到 网格的布置和大小划分的困难，部分区域一个线单元可以用来模拟不止 一根梁或杆单元“。 船底纵桁和肋板在垂直方向应布置不少于3 个单元。舱壁最底部的 单元一般情况下应尽量取为正方形单元1 。 舷侧肋骨可以定义为板元或梁元，当肋骨腹板的高度与舷侧的网格 尺寸之比小于l 3 时，可用粱元“。 一般，三角形单元尽量少用，可能的话，在高应力区和高应力变化 区尽量避免使用三角形单元，如：减轻孔、人孔，邻近肘板或结构不连 续处。 主要构件的减轻孔、人孔，可以用等效板厚的板元来替代这些开孔 的影响。 2 3 散货船边界条件与荷载 2 3 1 边界条件 从直接计算规范指南可知 2 7 1 ： 1 如果载荷左右对称，则中纵剖面内节点的横向线位移为0 ，绕中 纵剖面内两个坐标轴的角位移为0 ，即：8 y = o x = o z = o ； 2 如果载荷左右反对称，则中纵剖面内节点沿纵中剖面内两个坐标 轴方向的线位移为0 ，绕垂直于纵中剖面的坐标轴的角位移为0 ，即： 8 x = s z = o y = o ； 3 端面约束( 图2 - 6 ) ：一端独立点约束6 x ，6 y ，6 z ，0 x ，e z ，另一 端独立点约束6 y ，6 z ，0 x ，o z 。( 如表2 1 ) 1 0 第二章内河自卸砂船船体结构有限元分析方法 图2 6 端面约束 表2 1边界条件施加表( 载荷对称边界) 线位移约束角位移约束 位置 6 x 6 y 6 zo x o y o z 中纵剖面 c o n s c o n s c o n s 端面a l i n kl i n kl i n kl i n k 端面b l i n kl i n kl i n kl i n k 刚性点ac o i l s c o n s c 0 n s c o n 5b mc or ls 刚性点bc o n s c o n s c o i lsb mc o n s 注： c o i l s 一一表示对应的位移约束 l i n k 一一面内相关点位移与独立点连接； 华南理t ：大学硕士学位论文 b m 一端由所受的总体弯矩。 2 3 。2 散货船的荷载 1 舱内货物产生的压力计算 只= 1 0 p 。( 1 + 0 3 5 要) k 心 o 式中： 俄一货物密度t m 3 ； 4 0 = o o 7 5 - ( 等) l 5 + o 0 6 7 v 4 c l = 尹1 z s + o ：矿面 k b = s i n 2 d r t a l l 2 ( 4 5 。一0 5 8 ) + c o s 2 口 k n m 2 ( 9 0 m l 3 0 0m ) ( 3 0 0 m 3 5 0m ) 倥一一板与水平面之间的夹角( 如，舱壁、舷侧板为9 0 0 ，内底板为 0 0 ) ： 毋一一货物的休止角( 矿石和煤为3 5 0 ，盐、黄砂、石子、谷物等为 3 0 0 ，水泥为2 5 0 ) ： 坟一计算点至货物顶面的垂直距离，m 。货物顶面的横向形状如 图2 7 ，船长方向认为是均匀分布的。 货物顶面，沿纵向均布：沿横向，为抛物线方程： 矿州1 一导 b = b 2 ， b 为船宽； 顶面至连线的最大距离为 抛物线部分的面积为 矗：鱼t a n 艿 ( 万：3 5 。) 2 a = 三蚤2 t a n 艿 3 h d = z 。+ ，k + ，l 曲一z h d 一一货物顶面至计算点的距离，m ； z 。一一货物顶面至连线的距离，m ； h n b 一一双层底高度，m ： z - - 一计算点的垂向坐标，从基线量起，m ； h 。：应根据该舱的载货量、货物密度以及横割蔼形状计算，不小于底 边舱斜板顶点至内底的距离，m 。 华南理t 大学硕士学位论文 b m一一端面所受的总体弯矩。 2 . 3 . 2散货船的荷载 1 . 舱内货物产生的压力计算 p , = l o p c ( 1 + 0 .3 5 粤)k b h d k n / m 2 l b 式 中 : p c 一一货 物密 度t / m 3 : a 一 立 1 0 .7 5 一 碑 竺 丝) ， 十 0 .0 6 7 v , /-l- l l 1 0 0 ( 9 0 m l3 0 0 m) = 告 3 2 .25 + 0 .2 v fl- (3 0 0 m- l 3 5 0 m ) k b = s in 2 a t a n 2 ( 4 5 0 - 0 .5 8 ) + c o s 2 a a 一一板与水平面之间的夹角 ( 如，舱壁、舷侧板为 9 0 0 ，内底板为 0 0 ) ; (5