（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）油船和散货船结构直接计算方法比较研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： l i i l lluli i ii iii ii il i i y 18 0 8 8 6 4 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g c o m p a r i s o n o fd i r e c ta s s e s s m e n tm e t h o d b e t w e e no i lt a n k e r sa n db u l kc a r r i e r s c a n d i d a t e ：z h o uc h u n x i a o s u p e r v i s o r ：p r o f r e nh u i l o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn a v a l a r c h i t e c t u r ea n do c e a ns t r u c t u r e d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo f0 r a le x a m i n a t i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y j p 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、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己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) ：l 夏路奶 日期：口f 口年f 月f 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。渺密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 豳在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 ，、 作者( 签字) ：阉香阢 导师( 签字) ： 移胱 日期：2 口c p 年f 月7 日夕r 驴年，月i 日一 哈尔滨工稗大学硕+ 学位论文 摘要 散货船结构共同规范( 以下简称c s rb c ) 和双壳油船结构共同规范( 以 下简称c s rt a n k e r ) 实施3 年多来，使用者感受c s r 先进性的同时也感 受到了两规范不同校核思路和编写逻辑带来的不便，为此i a c s 要求将c s r b c 和c s rt a n k e r 进行协调统一。本文主要对两规范屈服屈曲直接计算方 法进行了对比研究，为二者的统一协调提供参考依据。主要内容包括： 1 ) 系统归纳了c s rb c 和c s rt a n k e r 三舱段屈服屈曲直接计算的内 容和分析步骤。 2 ) 对比两规范屈服校核方法的异同，主要包括：有限元模型，计算工况 与设计载荷，载荷调整方法，边界条件，屈服校核衡准，细化网格模型及其 校核衡准。 3 ) 结合板的稳定性理论，推导了c s rb c 屈曲系数k 的定义，阐明了 散货船基本板格屈曲校核标准的理论依据，并由有效宽度概念推导了c s r b c 的折减系数的表达式，证明了c s rb c 计入后屈曲效应的方法。 4 ) 深入研究了c s rt a n k e r 高级屈曲校核程序p u l s 的内部原理及理 论背景，并以p u l s 定义的三种基本屈曲板格单元为例，阐释了高级屈曲校 核所考虑的非线性因素及其计入方法。 5 ) 对c s rb c 和c s rt a n k e r 边界条件中端面节点关联提出了4 种统 一方案，并以一条散货船和一条油船为例进行了数值试验，为二者的统一协 调工作提供一定参考价值。 关键词：共同规范；直接计算；屈服；屈曲；比较分析 d 矗 ，1 k 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e sf o rb u l kc a r r i e r s ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa sc s r b c ) a n dc o m m o ns t r u c t u r a lr u l e sf o rd o u b l eh u l lo i lt a n k e r s ( h e r e i n a f t e r r e f e r r e dt oa sc s r 删k e r ) h a v eb e e np u b l i s h e df o rt h r e ey e a r s 。t h eu s e rf e l t i n c o n v e n i e n c ed u et os o m ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w or u l e sd e s p i t eo ft h e a d v a n c eo fc s r t h u s i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no fc l a s s i f i c a t i o ns o c i e t i e sa s k s f o rc o o r d i n a t i n ga n dh a r m o n i z i n gc s rb ca n dc s rt a n k e r d i r e c ty i e l da n d b u c k l i n gs t r e n g t ha s s e s s m e n tm e t h o d so ft w or u l e sw e r ec o m p a r e di nt h i sp a p e r , w h i c hp r o v i d e dar e f e r e n c ef o rh a r m o n i z i n gt w or u l e s 1 1 1 em a i nc o n t e n t s i n c l u d i n g ： 1 ) d i r e c ty i e l da n db u c k l i n gs t r e n g t ha s s e s s m e n tm e t h o d sa n dp r o c e d u r eo f t h et w or u l e sw e r es y s t e m a t i c a l l ys u m m a r i z e d 2 ) y i e l ds t r e n g t ha s s e s s m e n tm e t h o d so ft w or u l e sw e r ec o m p a r e d i n c l u d i n g ：f i n i t e e l e m e n t m o d e l i n g ，l o a d s a n d l o a d i n gc o n d i t i o n s ，l o a d s a d j u s t m e n tm e t h o d s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，y i e l da s s e s s m e n tc r i t e r i a , f r e em e s h m o d e la n da s s e s s m e n tc r i t e r i a , b u c k l i n gc o n d i t i o n sa n da c c e p t a n c ec r i t e r i a 3 ) c o m b i n e d 埘t 1 1t h es t a b i l i t yo fp l a t et h e o r y , b u c k l i n gf a c t o ro fc s rb c i s d e r i v e d ；b u c k l i n gt h e o r e t i c a lb a s i so fc s rb c i se x p l a i n e d r e d u c t i o nf a c t o ro f c s rb ci sd 耐v e db yu s i n gc o n c e p to fe f f e c t i v ew i d t h , t h em e t h o dw h i c ht a k i n g e f f e c to f p o s t - b u c k l i n gi n t oa c c o u n ti sp r o v e d 4 ) t h et h e o r e t i c a lb a c k g r o u n do ft h ec s rt a n k e ra d v a n c e db u c k l i n g a n a l y s i sp r o c e d u r 瑚u l si ss t u d i e d a n dt h em e t h o dw h i c ht a k e se f f e c to f n o n - l i n e a rf a c t o r si n t oa c c o u n ti si l l u s t r a t e db yr e s e a r c h i n go nt h r e ek i n d so fb a s i c p l a t ee l e m e n t 5 ) f o u rp r o j e c t sf o ru n i f y i n gr i g i d - l i n ko ft w or u l e sa l ep r e s e n t e d ，ab u l k c a r t i e ra n da no i lt a n k e ri sc a l c u l a t e d t l l i sw o r kp r o v i d e dar e f e r e n c ef o rt h e p r o j e c to fh a r m o n i z i n gt w o r u l e s k e yw o r d s ：c o m m o n 舭t u r er u l e s ；d i r e c ts t r e n g t ha n a l y s i s ；y i e l d ；b u l k i n g ； c o m p a r ea n a l y s i s 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 论文的背景和意义l 1 2 课题研究现状2 1 2 1 船舶结构规范的发展和研究现状“2 1 2 2 舱段边界条件简介4 1 3 论文主要工作5 第2 章c s rb c 直接计算强度校核方法7 2 1 概述7 2 2 有限元屈服校核方法7 2 2 1 有限元模型要求7 2 2 2 有限元边界条件的要求一1 1 2 2 3 载荷工况“1 1 2 2 4 装载工况1 2 2 2 5 载荷计算方法1 3 2 2 6 垂向弯矩分析和垂向剪力分析1 6 2 2 7 屈服验收衡准1 8 2 2 8 细化网格的详细应力评估1 9 2 3 有限元屈曲校核方法2 1 2 3 1 屈曲校核范围2 1 2 3 2 屈曲校核应力一2 2 2 3 3 屈曲校核工况“2 2 2 3 4 屈曲校核衡准2 4 2 4 本章小结2 4 第3 章双壳油船共同规范结构强度校核方法2 5 3 1 概述2 5 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 3 2 有限元屈服校核方法2 5 3 2 1 有限元模型要求2 5 3 2 2 有限元边界条件的要求2 7 3 2 3 计算工况2 8 3 2 4 动载荷工况”2 9 3 2 5 载荷计算方法2 9 3 2 6 载荷组合31 3 2 7 载荷调整方法31 3 2 8 屈服验收标准3 3 3 2 9 细化网格的详细应力评估”3 4 3 3 屈曲校核方法”3 6 3 3 1 初级屈曲评估方法简介3 6 3 3 2 高级屈曲分析方法3 7 3 4 本章小结”3 7 第4 章c s r 屈服强度校核方法比较研究3 8 4 1 概述3 8 4 2 强度校核方法的比较3 8 4 2 1 有限元模型对比分析”3 8 4 2 2 载荷工况对比分析4 3 4 2 3 载荷计算方法对比及原理分析4 7 4 2 4 载荷调整方法对比分析4 8 4 2 5 屈服评估方法对比分析4 8 4 2 6 细化网格的详细应力评估对比分析5 0 4 3 本章小结5 4 第5 章c s r 屈曲校核方法的比较分析5 5 5 1 概述5 5 5 2 屈曲校核方法简介5 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 3c s rb c 屈曲强度评估方法原理研究5 6 5 3 1 泊松效应5 6 5 3 2 屈曲系数k 计算方法的理论研究5 7 5 3 - 3 折减系数k 的理论推导6 6 5 3 4 屈曲校核衡准的理论分析7 1 5 4c s rt a n k e r 高级屈曲强度评估方法原理研究”7 2 5 4 1 高级屈曲分析方法考虑的因素7 2 5 4 2p u l s 程序简介7 5 5 5 本章小结8 4 第6 章有限元边界条件比较与统一研究8 5 6 1 概述8 5 6 2c s rb c 和c s rt a n k e r 有限元边界条件比较8 5 6 - 3 端面节点关联形式统一性研究8 6 6 4 本章小结”9 0 结论”9 1 参考文献9 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果9 9 蜀! 谢1 0 0 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的背景和意义 2 0 0 6 年4 月1 日，国际船级社协会( i a c s ) 在以前各船级社规范的基础上， 发布了散货船结构共同规范( c o m m o ns t r u c t u r er u l e sf o rb u l kc a r r i e r s 1 】【2 】， 以下简称“c s rb c ”) 和油船结构共同规范( c o m m o ns t r u c t u r er u l e sf o r d o u b l eh u l lo i lt a n k e r s 3 4 1 ，以下简称“c s rt a n k e r ? ，) ，二者统称共同规范 ( c s r ) 。这是i a c s 有史以来第一次在全球范围内统一船舶标准，它结束了 自船级社“诞生”1 5 0 年来各用各规范的局面，使得船级社之间不再存在重量 和结构尺寸方面的竞争【5 1 。 c s r 从实施至今，受到了国际海事组织( i m o ) 和国际船东组织的欢迎。 他们发现，相比于以往各船级社规范，c s r 的编写基于更合理的理论依据， 更能反映当前船舶技术发展的趋势。随着共同规范的实施，船舶设计水平和 建造水平都在发生积极的变化，c s r 必将推动整个船舶行业朝着一个更为合 理和安全的方向前行。 然而，设计者和船东在使用c s r 的过程中，也发现了不少问题。由于 c s rb c 和c s rt a n k e r 由不同的船级社编写，其编写背景、技术路线、理 论方法、技术细节、处理方法有很大不同，这对于同时使用c s rb c 和c s r t a n k e r 的设计者来说非常不方便。为此，i a c s 计划将c s rb c 和c s r t a n k e r 进行协调，给出协调一致的散货船和油船共同规范。 c s rb c 和c s rt a n k e r 两规范基于不同的校核思路和理论体系，难以 找到简单的统一方法，因此统一协调前的比较研究显得尤为重要，尤其是深 入研究现有规范的理论背景更是协调研究的坚实基础。本文就是在这个背景 下选题并完成的。本文主要完成散货船和油船结构共同规范关于有限元屈服 屈曲校核方法的比较和理论背景研究，并对屈曲理论和边界条件等部分做深 入研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 课题研究现状 1 2 1 船舶结构规范的发展和研究现状 从第一本船舶规范的出台，船舶规范的发展从未停息。从有限元理论的 成熟和计算机广泛应用在船舶行业后，直接计算成为各船舶规范中强度 校核中必不可少的部分。2 0 0 6 年以前，各国船级社都分别给出了散货船和油 船船体结构有限元直接计算的要求，发展了自己的结构设计方法和程序系统。 它们涉及的内容并不相同，校核方法并不一致，但是大体可以分为两类。一 类是传统经验型规范，如英国劳氏船级社( l r ) 规范和中国船级社( c c s ) 规 范等，该类型规范的体系和构成是以各自船级社多年的经验为基础，表达形 式主要以应用经验系数和许多针对不同结构类型的公式为主，这类规范表达 形式多样，内容较为独立，计算和分析比较依赖于经验的输入；另一类是理 论性规范，如挪威船级社( d 】w ) 规范等，该类规范的是以力学理论为基础， 在规范体系建立和表达上严格遵循船舶结构力学的分析模型，所以该类规范 表达形式基本一致，内容通过载荷相互关联，计算和分析手段多采用现代计 算分析工具。使用这些规范进行设计和校核船体结构具有简单、迅捷、实用 的优点，但是结构强度的保证受到规范使用范围的限制，例如船舶尺寸和船 型有较大的限制性，这些都不利于船舶的健康发展。随着船舶工业的发展， 造船业中发生了许多新变化，比如，油船和散货船的尺度越来越大；新船型、 新材料和新的建造方法层出不穷，因此，老的规范设计方法已不能适应新的 情况，迫切要求建立一个更加科学、通用的结构强度校核规范。为此，i a c s 在船级社的资源基础上，开发了散货船和油船的结构共同规范，统一了i a c s 内部的散货船和油船建造标准，并于2 0 0 6 年4 月1 日正式实施。c s r 的实 施将确保各国船级社在i a c s 框架下保持统一的声音。 散货船结构共同规范由j b p ( j o i n tb u l kv r o j e c t 的缩写) 项目得到，因 此早先也被称为j b p 。c s r b c 是在亚洲的三家i a c s 成员，即中国船级社、 韩国船级社和日本海事协会组成的 a 3 ”合作研究项目基础上，结合法国、德 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 国和意大利等欧洲船级社组织的研究成果，联合研发而成【6 】。它综合了船级 社和工业界的成熟经验，在设计概念、理念上与原有的船级社规范有较大的 不同，更能反映当前船舶技术发展的趋势并推动其发展。其关键技术要点， 主要包括净尺度概念、设计载荷、船体梁极限强度、直接计算分析、疲劳、 屈曲。这其中有许多亮点，包括采用了新的腐蚀模型；采用了先进的波浪载 荷模型，使外载荷的计算更为合理；采用了极限强度概念，增加了船舶强度 透明度；采用了直接计算技术，更适应于大型船舶的设计；吸取了疲劳评估 技术，以保证2 5 年的船舶使用寿命【7 1 。 油船结构共同规范是由j t p ( j o i n tt a n k e rp r o j e c t ”的缩写) 项目得到【8 】， 因此早期此规范也被简称为j t p 。c s r t a n k e r 是由英国劳氏船级社( l r ) ， 美国船级社( a b s ) 和挪威船级社( d n v ) 共同开发的。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 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 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 9 1 方面( 包括有限元分析、屈曲和疲劳计算【1 明极限强度等) 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剧1 1 】。 从c s r 的出台至今，国内各科研机构中的科研人员对其做了大量的研究 工作，取得了许多成就，针对c s rt a n k e r 的主要有：邱伟强对c s r t a n k e r 的技术要点进行了讨论【8 】，王刚对双壳油船共同结构规范建立背景、 技术发展特点和路径及实施过程进行了阐述，并与c c s 规范的相关内容作了 对比说吲1 0 】；张波【1 刁根据共同规范对双壳油船货舱区结构有限元分析；曹健 i l3 】根据c s rt a n k e r 对油船结构的屈服与屈曲强度进行了研究，对屈服与 屈曲强度的理论知识作了详细的说明；唐亮m 】根据c s r t a n k e r 和c c s 的 分析指南对一艘成品油船进行了有限元强度直接计算，并进行了屈曲强 度的比较；洪英，钱峰，顾晔听，周炜 4 3 1 对i a c s 双壳油船共同结构规范高 哈尔滨工程大学硕士学位论文 级屈曲评估方法及c c s 新一代板格屈曲校核软件系统进行了研究；林莉、王 麒淋、钱掣4 5 】基于共同结构规范对油船结构进行了分析研究。 针对c s rb c 的研究有以下部分：陆红干，陈华【5 】在c s rb c 出台初期 对其进行了简介；陈南华使用c s rb c 对一散货船做了直接强度分析；吴漪 m 】根据散货船共同规范和c c s 的分析指南对一艘散货船进行了有限元强 度直接计算，并进行了屈服、屈曲、详细应力及疲劳强度评估的比较；冯昌 宁【1 7 】根据c s rb c 对散货船结构的屈服与屈曲强度进行了研究，对屈曲强度 的理论知识作了详细的阐释；还有姜树卫，黄海燕，李永i t _ e 4 7 等人应用c s r t a n k e r 进行了舱段有限元分析。 国外的相关科研院所在共同规范生效之初，对新规范的内容也进行了深 入的研究：d n v 船级社的e i r i k 、e i v i n d t l 8 】【2 2 】等人研究了加筋板基于非线性 分析的高级屈曲方法，考虑加筋板结构不同影响因素之间的相互影响以及组 合载荷的作用；j e o mk e ep a i k t 4 8 】等基于c s r 规范对船舶海洋结构物加筋板格 极限强度进行了研究，分别采用a n s y s 、p u l s 以及a l p u l s a p 三种软件进 行计算，并进行了比较。 从i a c s 设立了对c s rb c 和c s rt a n k e r 的统一协调工作，各船级社 承担了不同的研究部分，但出于保密原因，时至今日仍无成型的研究成果发 表。 1 2 2 舱段边界条件简介 船舶漂浮在水面，其受力模型可以简化为受各项外载荷的两端自由船体 梁。但各国规范给出的有限元强度校核方法使用舱段模型，即从整船模型中 截取中间部分。因此，需要施加合理的边界条件以模拟船艏船艉部分对中间 舱段的约束作用。合理的边界条件是保证舱段校核有效性的重要保证。 当前规范对边界条件的规定很不同，基本可以分为3 类： 1 ) 由结构对称性或载荷对称性得到的垂直对称面方向的线位移为零和绕对 称面包含的两个轴的角位移为零。c c s 的散货船结构直接计算分析指南 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 4 1 ，油船结构直接计算分析指南【2 熨，n k 的散货船结构指针 2 6 】油船 结构指针1 2 7 d p 都给出了此类规定。 2 ) 在舱段端面设置独立点和相关点，相关点的某些位移与独立点关联，仅 对独立点做相应约束。如文献 2 4 】【2 5 】和文献 1 h 4 】都有此类规定。 3 ) 在甲板、内底、外板和舱壁等部位施加弹性支座，这种方法在舷侧板和 内底板及油密舱壁的垂向节点施加垂向弹簧，广泛认为，这种边界约束可以 更合理的模拟真实结构的约束情况。文献【2 3 】及文献 2 1 1 3 都规定对舱段进行 弹簧约束。 1 3 论文主要工作 1 1 仔细研究了c s rb c 和c s rt a n k e r 中的有限元屈服屈曲强度评估内 容，详细地论述了二者屈服屈曲校核过程的异同，主要对以下内容进行了比 较研究：有限元模型、腐蚀余量、有限元单元类型、网格规定、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、边界条件、校核标准及细 网格划分的标准等。 2 ) 本文对c s rb c 和c s rt a n k e r 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 定原则以及屈服和屈曲强度评估标准的理论背景和细化方法的比较研究。 3 ) 本文分别对c s rb c 和c s rt a n k e r 中的屈曲校核方法进行了详细的比 较和理论背景研究。对c s rb c 的屈曲系数计算公式进行了理论推导，对c s r t a n k e r 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，从而迸一步加深了对共同规范高级屈曲方法的理解。同时详细介绍 了认c s 推荐使用的屈曲评估程序p u l s 的理论背景和p u l s 中实现非线性 的方法。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 ) 本文在比较了c s rb c 和c s rt a n k e r 关于边界条件约束异同的基础 上，结合其理论背景，给出了端面纵向节点关联性的统一方案，并以数值试 验进行验证，提出了一种统一的关联形式，为今后统一性研究提供了参考依 据。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章c s rb c 直接计算强度校核方法 2 1 概述 散货船共同结构规范给出了详细的结构直接计算强度校核方法。本 章详细介绍有限元屈服和屈曲校核方法，主要包括有限元模型、边界条件、 载荷工况、载荷计算方法、载荷调整、屈服评估标准、细化网格分析和屈曲 校核方法等。 2 2 有限元屈服校核方法 2 2 1 有限元模型要求 c s rb c 第七章给出了详细的有限元屈服校核方法，以下从一般规定、 单元类型、模型范围和建模内容以及对网格划分的规定四方面进行论述。 2 2 1 1 一般规定 船长1 5 0 m 或以上的船舶应基于三维( 3 d ) 有限元( f e ) 分析对主要支 撑构件进行强度评估。 有限元强度屈服评估分为两个部分，整体舱段分析和高应力区域的细化 网格详细应力评估。 2 2 1 2 模型范围和建模内容 有限元模型长度范围覆盖三个货舱和四个横舱壁，端部的横舱壁及其壁 凳也应包括在模型范围内。模型两端应形成垂直平面，若有强框架在此端面， 应计入模型中。 有限元模型包括完整的左右两舷，以考虑横向波浪载荷的不对称性。 所有主要纵向和横向结构单元均应在有限元模型中表示出来，其中包括 内壳和外壳、双层底肋板和桁材系统、横向和纵向强肋骨、纵桁以及横舱壁 和纵舱壁。这些结构单元上的所有板材和扶强材，包括梁腹加强板，均应表 达在模型中。 7 遥遴遴誉喾秽 2 2 1 3 腐蚀余量 图2 1 散货船有限元模型范围 腐蚀余量是c s rb c 最重要的概念之一，它是在满足强度要求的结构尺 寸上附加平均的腐蚀厚度。腐蚀余量是结合经验和长期的、大量的统计结果 给出的，具体值如表2 1 。 表2 1 散货船腐蚀余量 腐蚀裕量，f c l 或t c 2 ( 1 姗) 舱室 船长大于等于1 5 0 m 或附加标志b c c 或 构件 类型 附加标志b c - a 、b c b船长小于1 5 0 m 的 船舶散货船 液舱顶部以下3 m 主要构件2 0 范围内 的面板 压载任何其他地方 1 5 水舱液舱顶部以下3 m 1 7 其他构件范围内 任何其他地方 1 2 干散 上面部分 2 01 o 货舱横舱壁底凳斜板 4 42 2 其他部分 2 21 2 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 上面部分 1 81 0 单舷侧散货船边 肋骨上端肘板的 1 8i 0 腹板和折边 其他构件 单舷侧散货船边 肋骨下端肘板的 2 21 2 腹板和折边 其他部分 2 01 2 底边舱斜连续木铺板 2 o1 2 板，内底板 不连续木铺板 3 72 4 暴露水平构件和露天甲板 1 7 于大 垂直构件 1 0 气 暴露于海水 1 o 除上述外的其他舱室，即空舱、淡水舱、 0 5 机舱 由以上说明可知：c s rb c 根据船舶附加标志、板格所在位置、接触液 体或干散货给出了腐蚀余量的规定值，腐蚀余量在0 5 m m 至3 7 m m 范围内。 b c a 和b c b 型船的腐蚀余量普遍大于b c c 型船舶。 2 2 1 4 有限元单元类型 使用合理的有限元单元模拟构件是正确校核结构强度的重要保证。c s r b c 给出了选择单元准则： 1 ) 扶强材应以梁单元或具有轴向、扭转、双向剪切和弯曲刚度的杆单元建 模，但主要支撑构件的腹板加强筋和面板可用仅具有轴向刚度、沿单元长度 剖面积不变的杆单元建模。 2 ) 板以具有面外弯曲刚度、双轴向刚度和面内刚度的壳单元建模，对于不 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 承受侧向压力的板，可用仅具有双轴向刚度、面内刚度的膜单元建模。 3 ) 对于膜元和壳元，仅可使用接近正方形的线性四边形单元或等边三角形 单元。 4 ) 尽可能避免三角形单元，特别是在高应力区和开口周围、和结构相连接 处等应力梯度较大的区域。 5 ) 加筋板可用能表示其板格刚度的二维正交异性单元建模。 2 2 1 5 网格规定 网格边界应尽可能模拟实际扶强材的排列规律，并表示扶强材板格之间 的真实的几何形状。 当模型中不包括正交各向异性单元时需满足以下要求： 1 ) 网格大小要小于等于纵骨间距或舷侧肋骨间距。 2 ) 扶强材使用杆元或梁元模拟。 3 ) 如设有双层壳体，主要支撑件的腹板应有至少3 个高度方向的单元。 4 ) 如没有双层壳体结构，边肋骨和端肘板应通过使用壳和或梁元模型化， 边肋骨的腹板高度上用一个单元。 5 ) 单元的长宽比不超过1 ：4 。 2 2 1 6 净尺度 有限元屈服校核时，使用净厚度模型。模型单元厚度按式( 2 1 ) 得n - t n = 乞而。掰一f 。h 。翻1 。劬f f 。讲一0 5 t 。 ( 2 1 ) 其中：k 一删为新建造阶段中所提供的实际厚度，即建造厚度，i i u l l k 一诎删随意裕量厚度，除腐蚀裕量f c 外船东要求的附 加厚度。i 衄 0 腐蚀余量厚度，n 3 n 3 。按式( 2 2 ) 计算 t c2 t q + t c 2 + t 懈c n ，e 1 0 ( 2 2 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 t c ，和乞：构件两侧的每一侧的腐蚀余量，见表2 1 f 一储备厚度，取为o 5 m m 2 2 2 有限元边界条件的要求 c s rb c 规定，三舱段模型的两个端面均为简单支撑。通过使用多点约 束来实现平断面假设，其中独立点选为端面与其中和轴的交点，两端面上所 有参与船舶纵向强度的构件节点的线位移与独立点相关联。具体连接形式和 独立点的支撑情况如表2 2 和表2 3 所示。 表2 2 端面的刚性连接 位移转动 模型两端纵向构件节点 d x d y d zr x r y r z 所有纵向构件 连接到独立点 连接到独立点连接到独立点 表2 3 独立点的支撑情况 位移转动 独立点位置 d x d y d zr x r y r z 模型前端面独立点 f i 】【f 改 模型后端面独立点 f i xf i xf i xf i x 2 2 3 载荷工况 c s rb c 采用等效设计波法确定船体梁载荷，等效设计波( e d w s ) 所产 生响应值与对结构构件起主要载荷分量长期响应值相等的规则波。c s rb c 等效设计波包括： e d w “h ，：迎浪，垂向波浪弯矩达到最大时的规则波 e d w “f ”：随浪，垂向波浪弯矩达到最大时的规则波 e d w r ，：横摇运动达到最大时的规则波 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 e d w p ”：水线处水动压力达到最大时的规则波 c s rb c 对每个等效设计波成分都给出了两种船舶状态，共八个载荷工 况，具体载荷工况定义见表2 4 。 表2 4 散货船的载荷工况定义 载荷工况 h 1 h 2f 1f 2r lr 2p ip 2 e d w】h ”“f ，“r ”“p 横浪 横浪 首向 迎浪随浪 ( 左舷：上风舷)( 左舷：上风舷) 最大弯矩最大弯矩最大横摇最大外部压力 结果 中垂中拱中垂中拱( + ) ( )( + )( ) 2 2 4 装载工况 c s rb c 计算工况分为三大类：适用于b c a 类船舶隔舱装载状态( 中 间货舱为空舱两边装货) 的弯矩分析和剪力分析、适用于b c a 类船舶隔舱 装载状态( 中间货舱装货两边为空舱) 的弯矩分析和剪力分析、适用于b c b 和b c c 类船舶的弯矩分析和剪力分析。限于篇幅原因，本文仅在表2 5 中 给出第6 章实船计算使用的工况。 表2 5 隔舱装载某一弯矩分析工况 载荷垂向静水 编号描述吃水装载模式后中前 工况弯矩 p 1 0 5 m s w , s l 满载 t s l 一 l ，l 诩碉碉。、1 飞- 1 i 啊 ，_ ，_ ，q 1 0 隔舱装载 t s比二j囟 f 2 m s w j _ i 1 图陆 ，n ，o ，。，一 1 3 重压载 t m 3 ( m i n ) |i ( ) 力 p l = 一p m f p h 2 = 娥p p h f h 1 、h 2 、 p f l = = p h f f l 和f 2 p r 2 = p h f 舷侧外板和 孙= 3 厶c “等1 2 5 ( 麦il 掣- ) 外底所受的 外部水压力 水 动 压p r l = 厶 ：。y s ；n 口+ 。8 8 名c 三+ 号手1 2 5 ( j 警li ， j 力 r 1 和r 2 p n 2 = p r l 上风舷( 左舷)下风舷( 右舷) p c l = p pp p l = p j p 3 p 1 和p 2 p p 2 = 一p pp el = 一p p | 3 pp = 4 5 歹p j m c 、 三+ 五- 1 2 5 f ， z 2 y 、-2 三 l 。bj h 1 、h 2 、 露天甲板的外部压 f l 和f 2 pd = 妒pw 力 r l 、i 也、 p d = 0 4 f o p 矿 p 1 和p 2 1 4 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 其中：兄相应载荷工况的波长，m 乃f ，在所考虑装载状态下的，所考虑横剖面吃水，m e 所考虑横剖面在水线处的型宽，m k 船舶纵向幅度系数 尼。船舶纵向相位系数 ，l ，计及非线性影响的系数 妒露天甲板压力系数 2 3 5 3 内部压力和力 表2 8 散货船内部压力和力计算方法 载 荷 分类计算方法 静水中干 散货压力 p c s = p c g k c ( h c + h d b z ) 载荷工况 胁= 【o 2 5 a g 一工g ) + k 二口z ( + 厅d b z ) 】 干散货引 h 起的惯性 载荷工况 f p c 矽= 0 力 载荷工况 - o 2 5 a r ( x 一) + 弛( + 忽m 一力】 r 和p 干散货引静水剪切载 起的剪切 萄p c ssi p c g o - k c x 黜h c + 争_ 载荷 载荷实例h ， r ，p 的波浪 计算垂向 剪切载荷 p c w _ s = 鹏。一毪一力 作用力时 p c w s 载荷实例f 的波浪剪切 p c s = 0 载荷s 计算纵向 p c 矿s = 0 7 5 p c a z 他+ 一z ) 作用力时 载荷工况h 哈尔滨工程大学硕士学位论文 载荷实例f 、 p c 矿s = 0 r 、p 计算水平 载荷实例r 、 p c s = 0 7 5 p c a y ( h c + 办册一z ) 方向作用 p 载荷实例h 、 力时 p c 矿s = 0 f 取两式大者 液 静水中液 p 嬲= 见g ( z 聊一z + o 5 d 胛) 体体引起的 引压力 p 嬲= p l g ( z r o e z ) + 1 0 0 昂矿 起 的 载荷工况h p b = 矶k z g m 尸一z ) + 口g x 占) 】 侧 向液体引起 压 的惯性力 载荷工况f p b 旷= 0 力 载荷工况r 和p p 口矿= p l k z g 曰一z ) + 口，一y 口) 】 其中：p 。- 一货物密度，t m 3 办r 货物顶面到内底的距离，m 办d 旷一双层底高度，r n a x , a j ，a z 所考虑货舱或液舱重心的加速度，m s 2 口所考虑板格与水平面的角度，度 散货静止角，度 p ，内部液体密度，t m 3 d a e 空气管顶至舱室顶距离，r n 0 矿安全阀( 如有) 设定压力，巴 2 2 6 垂向弯矩分析和垂向剪力分析 c s rb c 第七章2 5 节给出了船体梁载荷在在目标位置的目标值( 见表 2 9 ) 。虽然施加了船体梁载荷，但由于局部载荷效应，目标位置的弯矩和剪 1 6 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 力并不能达到要求的船体梁载荷值，需要进行载荷调整来消除局部载荷效应。 表2 9 垂向弯矩分析的目标值 船体梁影响静水波浪考虑位置 垂向弯矩 m s 矿c w m 孵 中间舱中心 垂向剪力0o中间舱中心 水平弯矩 c 鼎m 哺 中间舱中心 水平剪力 0 中间舱中心 表2 1 0 垂向剪力分析的目标值 船体梁影响静水波浪考虑位置 垂向弯