（船舶与海洋工程专业论文）4250teu集装箱船船体变形及对轴系基准影响分析.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 4 2 5 0 t e u 集装箱船，其主机轴系较长，船体结构在该船在出坞的时候船 底产生变形导致主机轴系基座基准偏离预先安装的位置。目前为保证轴系水 平基准，其基座水平度的校准是在船舶下水后的漂浮状态进行的，但从提高 建造效率方面考虑，这种方法并不是最佳的，如果能在坐坞阶段进行轴系基 座水平校准将有利于提高建造效率。 为达到这一目的，应用有限元分析技术，对4 2 5 0 t e u 集装箱船艉半段在 坐坞和静水漂浮两个状态进行船体结构变形分析，对两种工况下的变形结果 进行分析，给出相对变形的合理预报。在一定精度的船体相对变形预报基础 上，制订轴系基座基准的修正方案，使得下水后基座的水平基准精度能够达 到公差要求。在这些工作的基础上，可尝试在坐坞阶段安装轴系基座并进行 水平校准，从而缩短轴系调校时间，提高建造效率。 总结船体变形分析的合理方法和计算过程，为将来实施坐坞阶段进行轴 系基座安装和水平校准工艺提供技术支持。 关键词：船舶；船体变形；有限元；轴系：水平基准 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a b s t r a c t t h em a i ne n g i n es h a f t i n go f4 2 5 0 t e uc o n t a i n e rs h i pi sl o n g ，s ow h e n u n d o c k i n g ，t h ee l a s t i cd e f o r m a t i o no fs h i ps t r u c t u r em a yb em a k et h em a i ne n g i n e s h a f t i n gb a s ed e v i a t e si t so r i g i n a li n s t a l l i n gp o s i t i o n i no r d e rt oe n s u r et h a tt h e s h a f t i n gb a s ei si nh o r i z o nd i r e c t i o n ，t h eh o r i z o n t a lr e f e r e n c em u s tb ec a l i b r a t e d a f t e rl a u n c h i n ga n df l o a t i n ga tr e s t i tc a ne n h a n c et h es h i p b u i l d i n ge f f i c i e n c yt h a t t h es h a f t i n gb a s ei si n s t a l l e da tt h es t a g eo fd o c k i n ga n da tt h es a m et i m et h el e v e l i sc a l i b r a t e d f o rt h i sp u r p o s e ，i nt h i sp a p e r , f e mt e c h n o l o g yi sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h e d e f o r m a t i o no fs t e r ns t r u c t u r ef o rt h e4 2 5 0 t e uc o n t a i n e rs h i p t h ec a l c u l a t i o n s a l em a d ea c c o r d i n gt ot w oc o n d i t i o n s ，i e i nd o c k i n ga n di nf l o a t i n ga tr e s t t h e r e s u l t si nt h et w os t a t ec o n d i t i o n sa r ea n a l y z e da n dt h e nt h er e l a t i v ed e f o r m a t i o n i so b t a i n e d b a s e do nt h ec e r t a i nd e c i s i o nf o r e c a s to ft h es h i pr e l a t i v ed e f o r m a t i o n ， t h er e v i s e ds c h e m ei sm a d ea n dt h eb a s ep r e c i s i o ni nh o r i z o nd i r e c t i o ns a t i s f yt h e t o l e r a n c e 。b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，i tc a nb et r i e dt h a ts h a f t i n gb a s ei si n s t a l l e d a n dc a l i b r a t e di nh o r i z o nd i r e c t i o nw h e nd o c k i n g ，a n dt h et i m ec o s ti ns h a f t i n g h o r i z o n t a la l i g n m e n ti sr e d u c e da n dt h ee f f i c i e n c yf o rs h i p b u i l d i n gi se n h a n c e d t h er e a s o n a b l em e t h o da n dc a l c u l a t i o ns c h e m ef o rh u l ls t r u c t u r ed e f o r m a t i o n a n a l y s i si ss u m m a r i z e d ，w h i c hp r e s e n t at e c h n o l o g yf o u n d a t i o nf o ri n s t a l l i n g s h a f t i n gb a s ea n dt h eh o r i z o n t a lc a l i b r a t i o n k e yw o r d s ：s h i ph u l l ；s h i ph u l ld e f o r m a t i o n ；f e m ；s h a f t i n g ；h o r i z o n t a lr e f e r e n c e 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) ：j 生群_ 丑一 日期：州年二月7 日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 目的和意义 随着现代造船技术的发展以及各设备系统自动化程度的提高，船上设备 系统对船体建造精度和设备基座安装精度的要求越来越高。如果能在坐坞阶 段进行轴系基座的水平校准将有利于提高建造效率。为达到这一目的，对船 体坐坞和静水漂浮两个状态进行船体结构变形分析，给出相对变形的合理预 报。在一定精度的船体相对变形预报基础上，制订轴系基座基准的修正方案， 使得下水后基座的水平基准精度能够达到公差要求。在这些工作的基础上， 可尝试在坐坞阶段安装轴系基座并进行水平校准，从而缩短轴系调校时间， 提高建造效率。 本文以大连船舶重工集团有限公司建造的4 2 5 0 t e u 集装箱船为例进行船 体变形分析，并总结船体变形分析的合理方法，为将来实施坐坞阶段进行轴 系基座安装和水平校准工艺提供技术支持。 1 2 船舶结构变形分析研究综述 船体在外载荷作用下会有一定程度的总体弹性变形和轴系、甲板及其它 局部弹性变形，这种变形的合理计算是船体下水后轴系水平校准、舰船武备 对准精度的调整等的基础，其依据主要是船体梁理论和有限元法。 自船体梁理论提出以来，就在船体变形分析中起到重要的作用。传统 的船体梁理论是比较粗略和不完善的，因此，w i i d e 应用经典薄壁梁理论来 计算集装箱船扭转变形n 2 1 ，他把船体货舱部分视为两端有翘曲约束的等断面 开口薄壁梁，将首尾影响作为边界条件来考虑，但由于未考虑船体非棱柱的 特点，因此有较大的误差，后来大多数研究者都采用有限梁方法，把船体离 散为阶梯形薄壁梁段d 叫3 ，然后进行计算。具有代表性的研究有：k a w a i ， h a s l u m ，p e d e r s e n 等人。p e d e r s e n 应用修正的薄壁梁理论进行变形计算。文 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 献 5 根据船体梁理论计算船体变形，提出一种计算船上纵向轴系游动端支座 间隙设计计算公式。文献 6 根据船体梁理论计算船体变形，提出了适用于沿 船体纵向布置曲柄摇杆机构极限摆角和最小传动角的一组计算公式。文献 7 将水面舰艇看成一根结构复杂的空心梁，对船体变形进行估算，给出典型情 况下船体变形的大小，进一步推导船体变形与舰载红外警戒系统测角精度之 间的数学关系，给出采用局部捷联基准来减小船体变形影响的建议。 但是，用船体梁理论进行结构变形分析，其结果是比较粗略和不完善的， 对于现在的复杂船体结构，不能详尽地描述船体结构的各个细节，真实地表 达出全船结构的协调关系与变化，而通过大规模有限元分析求解，可以对主 要构件的实际变形、船体强度、结构疲劳等问题作出准确完善的分析。文献 8 9 用有限元方法对船体变形进行计算和强度分析。文献 1 0 对集装箱船 整船进行了有限元结构分析。文献 1 1 用有限元方法对浮式生产储油船船体 疲劳进行计算。文献 1 2 3 用有限元方法对f p s o 进行变形分析和船体极限强 度、疲劳强度进行评估。文献 1 3 通过有限元及水弹性方法计算某舰的结构 变形，以此为基础，提出一套分布式甲板变形计算方法，并将结果提供给捷 联式惯性导航系统，以减小导航对准误差及杆臂效应带来的弹性误差影响。 文献 1 4 用有限元方法对舰船的结构变形进行计算，为运用反变形理论对武 备基座水平加工提供技术支持。 本文采用有限元软件m s c p a t r a n 对4 2 5 0 t e u 集装箱船的艉半段结构进 行了详细的建模，计算和分析了船体变形对轴系水平基准的影响，所讨论的 方法也有较大的通用性，可供类似的结构计算分析提供参考。 1 3 大型有限元软件简介 m s c p a t r a n 是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统 n 4 i 。m s c p a t r a n 最早由美国宇航局( n a s a ) 倡导开发，是工业领域最著名的 并行框架式有限元前后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将 工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身，构 成一个完整的c a e 集成环境。 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 m s c p a t r a n 作为一个优秀的前后置处理器，具有高度的集成能力和良 好的适用性。 模型处理智能化：众多的公司为了节约宝贵的时间，减少重复建模，消 除由此带来的不必要的错误，m s c p a t r a n 应用直接几何访问技术( d g a ) ， 能够使用户直接从一些世界先导的c a d c a m 系统中获取几何模型，甚至参数 和特征。此外，m s c p a t r a n 还提供了完善的独立几何建模和编辑工具，以使 用户更灵活的完成模型准备。m s c p a t r a n 允许用户直接在几何模型上设定载 荷、边界条件、材料和单元特性，并将这些信息自动的转换成相关的有限元 信息，以最大限度减少设计过程的时间消耗。所有的分析结果均可以可视化。 自动有限元建模：m s c ，p a t r a n 中增加了很多更灵活更方便的智能化工 具，同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能，使用户快速 完成他们想做的工作。同时也提供手动和其他有限元建模方法，以满足不同 的需求。 分析的机集成：m s c p a t r a n 提供了众多的软件接口，将世界上大部分 著名的不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供一个公共的环境。这 样可以使用户不必担心不同软件之间的兼容问题，在其他软件中建立的模型 在m s c p a t r a n 中仍然可以正常使用，非常灵活。用户也能够根据多种类型的 仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断，进行相应的改进，这就大大的 提高了工作效率。 用户可自主开发新的功能：用户可将m s c p a t r a n 作为自己的前后置处 理器，并利用其强大的p c l ( p a t r a nc o m m a n dl a n g u a g e ) 语言和编程函数库把 自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入 m s c p a t r a n 的框架系统，或单独使用或与其他系统联合使用。这样， m s c p a t r a n 又成为用户二次开发的一个良好平台，可以为用户提供更强大和 更专业的功能。 分析结果的可视化处理：m s c p a t r a n 丰富的结果后处理功能可使用户 直观的显示所有分析结果，从而找出问题之所在，快速修改，为产品的开发 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 赢得时间，提高市场的竞争力。m s c p a t r a n 能够提供图、表、文本、动态模 拟等多种结果形式，形象逼真、准确可靠。 1 3 1m $ c p a t r a n 一般使用流程 m s c p a t r a n 具有非常友好的使用界面，该界面上占显著的行是工具栏， 是该软件使用中应用最多的工具，其每一项都对应一个操作面板，用于实现 相应的操作，完成一定的功能。 m s c p a t r a n 的一般使用流程，归结起来如下n 鄹： ( 1 ) 建立几何模型：首先应建立几何模型，或者从其他c a d 软件中直接 读入，对读入的模型进行编辑修改。 ( 2 ) 选择分析解算器：不同的分析程序间虽然有许多共性，比如几何、 有限元网格划分、模型检查等，但在材料本构、单元类型、分析过程等方面 都有特点，因此，在创建分析模型前，一定要选定所要用的分析程序。在完 成几何模型后，应该确定本次工作要进行哪种类型的分析，比如线性静态计 算，根据所要进行的分析的类型选用适当的解算器。m s c p a t r a n 的基本解算 器是m s c n a s t r a n ，也是缺省的设置。 ( 3 ) 建立有限元分析模型：做完了以上工作，就应该在几何模型的基 础上建立有限元分析模型了。打开相对应的面板，分别执行网格划分、载荷 边界条件定义、材料定义和属性加载操作。之后，应该对模型进行检查，以 防止出现错误或纰漏。 ( 4 ) 提交计算：设置与计算相关的求解程序及参数，即可提交运算了， 当运算完成后，会产生相应的输出文件。 ( 5 ) 后置处理：读入分析结果输出文件，即可以图形、动画、曲线等 多种形式显示计算结果了。在后处理阶段，可以清楚的看到如应力应变分布、 变形情况、变形过程等，形象逼真。 1 3 2 静力分析简介 静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段，主要用来求解 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 结构在静力载荷( 如集中分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等) 作用 下的响应，并得出所需的节点位移、节点力、约束( 反) 力、单元内力、单 元应力和应变能等。该分析同时还提供结构的重量和重心数据。m s c n a s t r a n 支持全范围的材料模式，包括：均质各项同性材料，正交各项异性材料，各 项异性材料，随温度变化的材料。方便的载荷与工况组合单元上的点、线和 面载荷、热载荷、强迫位移，各种载荷的加权组合，在前后处理程序 m s c p a t r a n 中定义时可把载荷直接施加于几何体上。 在静力分析中除线性外，m s c n a s t r a n 还可处理一系列具有非线性属性 的静力问题，主要分为几何非线性，材料非线性及考虑接触状态的非线性， 如塑性、蠕变、大变形、大应变和接触问题等。 1 4 课题的主要工作 1 论述了运用有限元软件建立整船三维模型的方法。 2 运用m s c p a t r a n 软件对4 2 5 0 t e u 集装箱船艉半段进行建模，并调整 模型质量分布，对模型的平衡状态进行调整。 3 对船体在坞内坐墩工况下进行计算，并提取主机轴基座甲板的变形 结果。 4 对船体在坞内静浮在水面工况进行计算，提取结果。 5 对两种工况下的变形结果进行分析，得出相对变形结果。 6 根据相对变形，给出变形补偿方案。 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第2 章船体有限元模型的建立 2 1 结构有限元分析方法概述 结构应力分析是船舶强度分析的关键环节之一。与基于简单梁理论的简 化公式相比，结构有限元分析能更加确切地反映具体船舶结构的特性和细节， 而且能与波浪外载荷相匹配，从而确切地反映和模拟真实船体的结构型式， 而并非简单的将真实的船舶简化成船体梁，体现了基于有限元理论解决实际 工程问题的优越性和可行性。众所周知，有限元理论发展和应用加速了船舶 强度分析的发展进程，为船舶强度分析的工程师提供了新的思路与崭新的途 径，由此可见用有限元分析来获得结构的应力响应是非常有效的。对于有限 元技术的应用，可有两种方法，一是使用专门的有限元程序，二是直接使用 商业化的结构有限元分析软件。本文主要时使用m s c 公司的n a s t r a n 软件及 其前处理软件p a t r a n 。 有限元法的应用范围主要是解决物理场问题，在工程分析或固体力学当 中即解决各种边值问题。有限元法的一个显著的优点是网格划分具有很大的 几何随意性，而且它允许各个单元的材料性质可以不同，对于复杂几何边界 和复杂材料性质的结构，总可以通过足够的细密的单元剖分来逼近其真实情 况，因此它具有广泛的适应性，这一点是其它的数值方法很难做到的。 有限元法的分类：即位移法、力法和混合法。以位移为基本未知量的求 解方法称为位移法；以应力为基本未知量的求解方法称为力法；一部分以位 移另一部分以应力作为未知量的求解方法，成为混合法。由于位移法通用性 较强，计算机程序处理简单、方便，因此得到广泛的应用。本小节主要讨论 有限元位移法。 2 2 船舶结构有限元模型化 2 2 1 船舶有限元建模的层次 6 哈尔滨j i ：稃人学硕十学位论文 所谓的有限元的建模的结构层次是指，如何有效而科学地建立整船模型 所采用的步骤，建模的先后顺序。实际上，在建模过程中，并无一定顺序可 言，但是最优化的处理是非常可取的。舰体结构是由板和梁组成的，当确定 计算模型时，为了保证计算精度，计算模型应尽量反映结构的实际情况，但 也不是模型越复杂计算精度越高。由于模型过于复杂，使得计算原始数据的 准备变得繁琐，计算工作量大，从而造成出现差错的可能性增多，累计误差 增加。计算模型即要尽量反映实际结构的情况，但亦不能过于复杂，在能同 样反映实际情况时，采用较简单的计算模型更为合适，这就是结构的力学模 拟问题。 通常根据不同的实际要求和不同的分析目的，在建立有限元模型时所要 考虑和关心的模型的型式和结构也不尽相同，针对不同的需求就要求建立不 同的有限元模型，从而满足工程技术人员分析的目的。但是就一般型式而言， 将船体结构的有限元分析的建立分为以下五个层次n 8 1 刀： 1 整船分析。目的是为了反映船体总的刚度和船体应力分布和变形的 整体情况，从而从整体角度来把握船体的结构强度。此时通常对舰船的局部 情况要求不是很严格，因此网格的划分可以相对较粗糙，只在相对于具体研 究的部分进行细化。 2 舱段分析。这种模型主要用来分析船舯区域的主要构件的名义应力 和变形响应。关心舱段的变形和应力响应，即关心局部变形和应力响应，此 时所关心的舱段的区域的网格就要根据实际的需要，进行细化。通常舱段分 析采用1 2 + 1 + 1 2 型式的舱段模型。 3 框架和梁模型。此种模型用来分析框架梁系统。例如，船舯和其前 体的横舱壁以及肋板框架组成的结构，或者双层底板架系统等，此时，有限 元网格应该足够精确地描述关键部位的应力梯度，从而精确反映实际要求。 4 局部结构模型。局部结构模型一般用来分析承受相对大变形的加强 筋。例如，内底、外底上和肋板相交的纵骨，在舷侧和横舱壁相交的纵骨等。 5 局部有限元分析。基于整船分析基础，为了更精确地获知主要结构 7 哈尔滨t 程人学硕十学侍论文 构件或关键部位的应力水平和应力分布时采用。 无论采用何种层次的结构模型取决于所需考虑的响应类型和船体的结构 布置。而所考虑的区域内的响应取决于该长度内船体刚度的变化，这时，有 限元模型至少要把所考虑的区域全部包括在内。 2 2 2 船舶有限元建模的原则 上述讨论了有限元建模的一般结构层次，下面就有限元建模的一般原则 进行阐述，有限元建模必须建立在对船体结构的承载模式、载荷传递和相应 的变形特征正确分析的基础上，否则，有限元的分析则无从下手，因此合理 地布置网格线和简化纵骨等小构件，运用杆元、梁元、膜元和板壳元等结构 单元的恰当组合，做到既保证了计算结果的真实、有效、可信，又控制了模 型的规模，是保证有限元结构模型正确分析的前提和条件。就其在船舶的建 模过程中的作用及应用，有限元的建模主要遵循以下原则n 8 1 9 1 2 5 i ： 1 通常情况下，船体横剖面关于中纵平面是对称的，这样可以仅对船体 结构的一半模型化；如果船体剖面关于中纵剖面并非对称，则必须将整个船 体剖面模型化。 2 主要的结构构件，如肋板、舷侧肋骨、甲板横梁、纵骨、纵桁、底部 纵桁以及其它相当构件等要合理地模型化，对于参与总纵弯曲的主要构件， 原则上应遵照实际情形予以考虑，并且尽可能地逼近原模型的相应结构，对 于非主要构件可依据所考虑的不同要求予以简化。 3 有限元网格的划分应根据计算的目的和精度的要求，网格划分过细， 会给建模和计算工作量带来威胁；网格过粗，又会使计算结果不能全面表达 局部细节处的变形和应力，从而效果不明显。目前在划分网格时，主要有两 种方法：一种是粗网格( 如a b s ) ，即根据主要结构构件的位置来布置单元格 子线，来划分网格；另一种是细网格，即根据骨材的间距来划分单元网格， 目前d n v 、l r 、b v 等采用细网格模型。本文根据具体工作要求及为后续工作 做准备，采用了细网格模型。 4 粗网格的有限元模型在表达船体结构的总纵弯曲和局部板架弯曲时 8 哈尔滨下稗火学硕士学位论文 是恰当的，能够满足实际需要，但是它对加强筋和板格弯曲的描述，却不完备。 鉴于此，粗网格模型通常采用膜单元和杆单元来模拟船体结构。由于梁单元 与膜单元的连接存在单元之间的变形的不相容性，所以一般不采用梁单元。 但是从另方面讲，杆单元只能承受轴向作用，而不能承受弯曲以及扭转，对 于承受总纵弯曲的主要构件应采用梁单元来代替杆单元。在有些情况下，为 了使结构具有面外刚度，用梁单元来支撑膜单元，以便使之承受横向载荷。 如双层底上的纵骨通常采用杆单元，但在横舱壁上的骨材则处理成梁单元。 5 细化网格的有限元模型，对其板构件( 主要结构构件) 选用板壳单元， 加强筋选用梁单元。而且不能用杆单元来替代梁单元，这主要由于：在主要 构件之间布置这种单元，以承受压力载荷并把它们传递给主要构件。对于仅 在板的一侧布置的加强筋应采用偏心梁元。否则梁的弯曲刚度应该计入有效 带板的影响。另外对于较薄的板构件，考虑到它的承载能力，可以用平面应 力元来代替板壳元。 6 单元的选择很重要，直接影响有限元的计算结果是否精确，是否符合 实现工程需要。一般来说船体建模时单元主要采用四种类型：杆单元、梁单 元、膜元以及板壳元。并且通常只采用简单单元，即仅在角点处布置节点， 采用高阶单元被认为是不必要的。 7 在建立有限元模型时应尽量采用四节点的单元类型，减少三角形单元 的使用数目。这是由于三角形单元往往偏于刚性，特别在平面应力状态时。 本文使用了大量的四边形单元，只有在个别之处才使用了三角形单元。 8 在实际应用过程中，要防止单元形状的扭曲，以免得到虚假的应力和 变形。对于简单位移模式的( 或称为线形位移模式) ，单元的边长比不要大于 3 ：l ，如舱壁底部的单元应为正方形单元。要注意避免在关键的应力区域使用 不同的单元，采用常应变或线形变化应变的单元网格的大小一般不要小于板 厚的l 2 倍。在计算局部的应力增大时，单元的大小应与应力的梯度相适应， 如细网格模型通常要要船体底部纵桁和肋板在垂直方向上应布置三个板壳 元。 9 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 9 一般船体的结构模型化是基于结构构件的静尺寸，即不计入腐蚀余 量。但是也有特殊的情况，如d n v 疲劳规范中的有关规定却是计入腐蚀余量 的，本文没有考虑腐蚀余量的影响。 1 0 在板厚有突变的地方应作为单元的边界。如单元跨越板厚突变， 则相应地调整单元数据以得到等效刚度。板单元应位于相应板构件的中面上， 但对于在整体强度分析中，板单元可以近似布置于外部轮廓的平面内。 由于船体结构的复杂性，在模型化的时侯要做必要的简化，只要这样做 对结果的不利影响可以忽略。在整体分析时，最常用的简化方法是将几个次 要构件合并( 如加强筋等) ，合并的构件应位于相关构件的几何中心，还要具 有相同的刚度，规范中推荐使用相当厚度法合并小的加强筋。甚至一些贡献 较小的次要构件可以不计入模型，例如短的防止屈曲的加强筋和小的开孔。 至于较大的开孔，则必须计入模型。 2 3 本章小节 结构有限元分析方法是进行船舶结构变形分析的基础，因此本章以有限 元位移法为例，介绍了有限元分析的基本思想和过程。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第3 章4 2 5 0 t e u 集装箱船建模特点 3 1 概述 由于本文的主要目的在于研究艉半段结构的变形问题，不涉及艏半段的 具体结构，考虑到提高建模效率，采用艉半段建模的方案。 3 2 船体主尺度及图纸说明 3 2 1 主尺度 总长 2 6 3 2 3 0 m 垂线间长 2 5 1 8 8 0m 型宽 3 2 2 0 0m 型深 1 9 3 0 0m 设计吃水 1 1 0 0 0m 结构吃水 1 2 8 0 0m 梁拱高0 4 0 0m 3 2 2 图纸说明 根据大连船舶重工集团有限公司船研所提供的图纸，将图纸明细列出： ( 1 ) 艉半段型线图，共1 页； ( 2 ) 典型横剖面图，共1 页； ( 3 ) 艉部结构图，共6 页； ( 4 ) 机舱双层底结构图，共3 页； ( 5 ) 机舱结构图，共8 页； ( 6 ) 货油舱区结构图，共1 5 页； ( 7 ) 空船重量重心估算，共1 5 页； ( 8 ) 中间轴承座，共3 页； 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 ( 9 ) 坞内铺墩图，共3 页。 3 3 有限元模型 3 3 1 坐标系的确定 坐标系的选择是能否顺利并快速建模的主要因素，因此非常关键，根据 以往的经验及图纸的坐标说明，将坐标原点设在船中纵剖面内艉垂线0 号肋 位和基线相交处： x 轴：沿船纵向，从船艉o 号肋位处指向船首为正； y 轴：沿船横向，从中心线向左为正； z 轴：沿船垂向，从基线向上为正。 3 3 2 外板模型化 船体外板是整个模型的关键，外板的尺寸精度直接影响船体内部构件的 尺寸，而且在计算过程中，载荷都要加载到外板上，所以外板精度是否直接 影响最后的计算结果，因此外板模型尤为关键，本文也在建立外板模型的时 候投入大量的精力。 由于本文大连船舶重工集团有限公司只提供了艉半段的型线图和型值 表，并未提供肋骨型线图，因此这给建模工作带来了很大的不便。因为 4 2 5 0 t e u 集装箱船的艉半段型线非常复杂，只按站位给出的型值并不能很好 的反映出型线的变化，但是有限元建模却恰恰需要较高的精度，所以需要将 艉半段的肋骨型值量出，按照肋骨型值表进行建模。 按照有限元建模的要求，本文重新用画图软件a u t o c a d 将型线图画了一 遍，然后按照每个肋位重新量出型值，建立了外板几何模型，如图3 1 所示。 1 2 333 内部结构的模型化 图3 1 外板模型 本船的艉半段结构包括艉部、机舱和货舱区三部分。模型包括半船长、 船宽范围的船体结构，左右舷结构在内的船体舯段、艉结构、机舱等所有有 效的纵向构件，如甲板结构、舷侧及纵舱壁结构、双层底结构。模型还包括 横向主要构件如横舱壁、肋骨框架及横向甲板条等。对局部的支撑构件如肘 板等不计入模型中，桁材、肘板的开孔忽略不计。 334 网格的划分及属性的匹配 单元网格的尺寸控制如下： 纵向：肋骨m 距为一个单元： + ： _ 二 y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 横向：纵桁间距为一个单元； 垂向：纵骨或横向扶强材间距为一个单元。 根据结构的实际受力状态将模型中的各类结构按建造厚度离散为板壳元 ( 四节点和三节点元) ，包括甲板、舷侧外板、船底板、内底板、船底纵桁、 纵舱壁、横舱壁及肋板等。纵桁、纵骨、横梁及舱壁扶强材用梁元模拟。支 柱用杆元模拟。板材上的骨材等次要构件合并归入板单元的网格边界化为等 效粱元，其截面积为合并的骨材面积之和，其剖面特性计入等效粱与板连接 的偏心设置。 3 35 有限元模型图示 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 图3 3 机舱段有限元模型 图34 货舱段有限元模型 1 5 堕尘垄；! 些奎兰堡圭兰堡丝圣 图3 5 主机轴系基座甲板结构 图3 6 舱口围板及上甲板结构 图3 7 主轴出口部分结构 塑尘堡! ；垒奎耋竺! ；茎堡里三 图3 9 机舱内部结构 图31 0 横舱壁结构 8 图3 1 l 艉部双层底内部结构 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 4 模型的质量分布调整 有限元模型建好之后，需要调整模型整体以及局部的质量分布，而且要 尽可能的与实际船体的重量分布一致，这样才能模拟船舶的实际状态。为了 能将模型的质量分布调整的较为准确，将艉半段模型分成1 1 部分，与给定的 实际船体重量分布进行比较，把缺少的重量以质量单元的形式补偿到模型中。 调整质量分布见表3 1 。 表3 1 模型质量分布调整( 单位：t ) 补加 站距肋位模型重实际重差值大构件质量 质量 a e 0 w e i g h t 1 0 8 79 0 1 4- 1 8 5 6o 站a e 一0 0 1 w e i g h t 3 4 4 58 9 6 65 5 2 15 3 3 5 4 站0 1 6 1 2 w e i g h t 4 1 3 95 4 6 0 61 3 2 1 61 3 2 1 6 站 1 6 3 2 2 3 w e i g h t 4 0 0 29 0 6 6 35 0 6 4 35 0 6 4 3 站3 2 4 8 主机5 1 3 - - 4 w e i g h t 6 4 5 7 0 41 5 9 4 1 71 0 2 3 7 71 7 6 9 站 4 8 6 4下甲板 8 4 6 8 7 上建6 9主机6 5 4 - 5 w e i g h t 7 97 8 6 0 4 22 5 2 2 2 51 9 1 8 0 55 9 7 7 3 站6 4 7 9上甲板下甲板 4 7 3 4 68 4 6 8 6 5 6 w e i g h t 6 8 0 41 4 6 2 3 37 8 1 9 3上建8 05 2 3 6 8 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 站7 9 9 58 5 上 甲板 2 5 8 j2 5 w e i g h t 6 7 9 5 5 5 9 56 9 5 3 61 3 5 8 61 3 5 8 6 站 1 1 1 w e i g h t 7 8 1 1 1 6 1 2 17 4 1 8 91 2 9 7 91 2 9 7 9 站 1 2 7 w e i g h t 8 9 1 2 7 5 4 46 4 0 2 39 6 2 39 6 2 3 站 1 4 2 w e i g h t 9 l o 1 4 2 - 6 4 2 59 2 6 6 32 8 4 1 32 8 4 1 3 站 1 5 9 艉半 5 4 8 0 41 i 0 2 2 2 95 5 4 1 8 92 4 2 5 4 4 3 1 1 6 4 5 段 从表3 1 中可以看出艉半段最主要的大型构件是上层建筑和主机，这是 影响重量分布的主要因素，直接关系到船体变形的计算结果。为了将质量补 偿的更准确，本文采用将主机和上层建筑的质量以质量点的形式均匀分布在 他们所处的甲板上，其他一些重量较轻的构件则仍以质量点的形式均匀分布 在各相应部分的模型中汹3 。 3 5 本章小节 准确地建立4 2 5 0 t e u 集装箱船艉半段的模型是进行本文研究的基础。 本章详细地阐述了建模过程，包括外板模型化、内部结构的模型化、网格的 划分及属性的匹配和模型的质量分布调整。 2 1 哈尔滨1 稗人学硕+ 学位论文 第4 章4 2 5 0 t e u 集装箱船艉段结构变形计算 4 1 概述 本章对4 2 5 0 t e u 集装箱船艉半段的结构变形进行计算和分析。首先讨论 了艏艉半段交接处边界条件确定方法，通过p c l 语言调用压力场函数对模型 进行静水压力的加载，采用n a s t r a n 软件进行计算，提取刚性面独立点的结 果并与按船体梁理论得到的数据进行比较，从而确定模型是否处于平衡状态。 在确定模型处于平衡状态的基础上，对模型在静浮状态下的变形进行计算， 并与坐墩状态下的变形情况进行比较分析，得到相对变形。 4 2 船体外部水压力的自动加载方法 外载荷的施加是船舶结构的有限元分析中的难点之一。由于从载荷直接 计算得到的船体湿表面各点的压力不同，单元数量多，工况多，所以在加载 时，精确的方法只能是把单元上的压力数值手工加到每个单元上。但是，船 舶结构的单元数量繁多，尤其是在进行整船结构分析时，按上面的方法虽可 达到目的，但工作量特别大，而且容易出错，效率很低。鉴于这种情况，本 文提出了一种基于p c l 的船体外部水压力自动加载方法。实际计算表明，该 方法能有效地解决上述加载问题乜7 均3 。 加载之前，首先要获得单元的压力。因压力沿湿表面是按一定规律变化 分布的，这里取单元控制点的压力代表整个单元上的压力，因单元尺寸相对 很小，这样处理所产生的误差认为是可忽略的。单元控制点的坐标取为单元 节点坐标的算数平均值，例如，某个四边形单元的节点坐标是所1 ( x 1 ，y 1 z 1 ) ， m 2 ( x 2 ，y 2 ，z 2 ) ，m 3 ( x 3 ，y 3 ，z 3 ) ，m 4 ( x 4 ，y 4 ，z 4 ) 则控制点的坐标所o g o ，y o ，加) ， 其中x 0 ：x l + x 2 + x 3 + x 4 ，y 0 ；旦型塑生丝，z o ：z l + z 2 + z 3 + z 4 。 4。44 为了获得加载计算所需的数据，即单元的号码和控制点的坐标，需要从 2 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 m s c p a t r a n 软件的数据库中读取下列数据： 当前组的号码：d b _ g e t c u r r e n t g r o u p _ id ： 当前组中单元的数量：d b c o u n t e l e m s i n g r o u p ： 当前组中的单元号码：d b g e t e l e m _ i d s i n _ g r o u p ： 每个单元内所有节点的编号：d b g e t n o d e s f o r e l e m s ： 每个节点的坐标：d b _ g e t n o d e s 。 然后，对节点坐标进行处理得到单元控制点的坐标，再以文件的形式输 出。其中，关键是把单元号码和单元控制点一一对应，因为压力要加到单元 上，而单元号码则是识别单元的标识。其形式如表4 1 中所示。 表4 1单元号码和控制点坐标示例 单元号码 xyz 1 6 91 8 0 9 1 9 8 9 1 3 5 7 40 4 4 6 9 6 4 4 1 2 96 3 9 5 4 4 7 7 31 0 1 7 01 8 0 919 8 7 6 0 9 8 61 2 2 9 9 1 9 1 9 5 26 0 0 9 9 2 5 8 4 2 3 1 7 11 8 1 0 4 5 0 4 3 9 4 5 31 7 0 8 7 0 0 8 9 5 35 6 0 8 2 2 9 6 3 71 另一个重要的问题就是载荷的方向。在m s c p a t r a n 软件中，单元是有方 向的，其单元法向由节点的绕向决定，根据右手法则确定。而船体外的压力 必须指向船体的内部，这样对于法向指向船内的单元来说，压力就应该加在 下表面( b o t t o m ) 上，相反，对于法向指向船外的单元来说，压力就应该加在 上表面( t o p ) 上。所以，关键就是确定单元的法线方向，本文给出了一种可行 的方法来判断单元的法线方向。 对于图4 1 所示的由三个空间节点p 1 似，y l ，z 1 ) ，p 2 ( x 2 ，y 2 ，z 2 ) ， p 3 ( x 3 , y 3 ，z 3 ) 所组成的单元来讲，三个节点构成了一个平面。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 一 | yz - p 2 图4 1 空间节点示意图 p l p 2 一( x 2 一x l y 2 一y l z 2 一z l p 2 p 3 一仁3 一x 2 ，y 3 一y 2 ，z 3 一z 2 ) 由丽和面所确定的平面的法向量万 一一b 壶封伽一 其中口一( y 2 一y l x z 3 一z 2 ) 一( z 2 一z l x y 3 一y 2 ) b 一( z 2 一z l x x 3 一x 2 ) 一g 2 一x l x z 3 一z 2 ) c = g 2 一x l x y 3 一y 2 ) 一( y 2 一y 1 ：b 3 一x 2 ) 为判断船体结构中某单元的法线方向，选取一个参考点p o g o ，y o ，z o ) ，位于 船体的内部，则矢量灰丽= 仁1 一x o ，y l y o ，z l z o 指向船体的外部。于是在 n 。与p o p l 的数量积i p o p l = 以( x x x o ) + b ( y m y o ) + c ( z l z o ) 0 的时候， 单元的法向量指向船外，外载荷施加到单元的t o p 上。否则，二p o p 1 0 的 时候，单元的法向量指向船内，外载倚施加到单元的b o t t o m 上。具体过程可 ，4 啃尔浜1 。程人学坝士学位论文 以通过p c l 中的i o a d s b c sc r e a t e 2 ( ) 函数来实现，这时加载的实体要选择 f e m 。这里还存在一个问题，即针对不同的单元，如果每次都调用一次 l o a d s b c sc r e a t e 2 ( ) 函数，虽然可行，但从程序执行过程中可以看出是一个 一个单元的加载，其效率显然不令人满意。解决的办法就是利用 f i e l d s c r e a t e i b c ( ) 函数创建一个场，这样，上面的情况就可以避免了。 现在以一个简单的例子说明本方法。为了使整个加载的操作过程简单明 了，具有普遍的实用性，作者在程序的编制过程中，特别开发了简单的人机 交互界面( 如图42 所示) ，在图42 所示 圉42 人机交互界面 m s c p a t r a n 软件界面上的下拉菜单中，点击“o u t p u tn o d ei n f o r m a t l o n ” 选项的按钮，即以文本文件的形式输出当前模型中用于计算压力载荷的单兀 号码和控制点坐标，其数据文件的格式如表41 所示。之后，控制点坐标的文 件便被用作计算流体压力载倚的输入文件，经过三维线性波浪载荷程序计算 2 5 哈尔滨上科火学硕士学位论文 后，就可以得到控制点的水动压力值，这一水动压力的结果也以文本文件的 形式输出，其格式如表42 所示。然后，水动压力的结果文件又作为自动加 载的输入文件。点击“a p p l yl o a dt om o d e l ”选项按钮，将自动读取水动压 力数据文件，并将单元的压力施加到有限元模型中对应的单元上。 表42 水动压力结果文件示例 单元号码水动压力数值 3 9 7 01 9 52 4 7 3 4 3 2 41 9 82 2 8 l 以图4 3 中盒子形的结构为例，按照上面所述的操作过程，顺序进行处 理，便可完成整个加载过程。图44 为利用p c l 自动加载程序加载后的结构， 它与手工加载完全一致，这证明了程序的可靠性。 圈43加载i j ，有限元模型 2 6 塑兰鳖圭垒垒兰竺：圭耋篁耋圣 图44 加载后有限元模型 4 3 模型的约束和平衡状态检验 为了计算船舶总体变形响应，调整舰船的静态平衡是必不可少的，这是 正确分析船舶在静水载荷作用下总体响应的前提和基础。所谓静态平衡的调 整，就是使得船舶在给定的静浮状态下( 由艏艉吃水确定) ，重力和浮力相 平衡”n ”1 。如果通过质量分稚的调整使重量分布与实船重量分布的符合情况 达到一定精度，则在给定的吃水状态，舯剖面的垂向弯矩和剪力应该与船体 总纵强度计算书提供的数据吻合。 为检验这个结果，这里采用了在肿部刚性固定的约束方法。按照有限元 模型边界条件的要求，在模型舯部端面所有节点刚性固定 ( 6 ：= d ，= 6 ：= 口。= 占。= 目，) 。为此在舯部设置一个刚性面，具体做法是在 端面中和轴与中纵剖面相交处建立一个