730TEU集装箱船舱段有限元分析毕业论文.doc

江苏科技大学本科毕业设计 论文 I 730TEU 集装箱船舱段有限元分析毕业论文集装箱船舱段有限元分析毕业论文 目录目录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 研究目的及意义 1 1 3 本文研究内容 1 1 4 集装箱船简介 2 1 4 1 集装箱船的分类 2 1 4 2 集装箱船的特点 3 1 4 3 本文研究集装箱船特点 3 1 5 集装箱运输简介 5 1 6 集装箱船发展历史概述 6 1 6 1 集装箱船大型化发展趋势 7 1 7 集装箱船结构强度校核发展趋势 8 第第 2 章章 有限元分析软件简介有限元分析软件简介 11 2 1 Patran 简介 11 2 2 Nastran 简介 12 第 3 章 舱段有限元模型的建立 14 3 1 概述 14 3 1 1 评估依据 14 3 1 2 图纸资料 14 3 2 船体总体概述 14 3 2 1 主尺度和主要参数 14 3 2 2 主要构件尺寸 15 3 2 3 其它概述 15 3 3 结构有限元模型 15 江苏科技大学本科毕业设计 论文 II 3 3 1 模型范围 15 3 3 2 坐标系 21 第第 4 章章 载荷施加及强度校核载荷施加及强度校核 22 4 1 计算工况 22 4 2 边界条件 22 4 2 1 对称边界条件 22 4 2 2 局部载荷工况边界条件 23 4 2 3 横倾工况边界条件 23 4 3 计算载荷 24 4 4 许用应力 26 4 5 应力衡准以及结论 27 结论结论 32 致谢致谢 33 参考文献参考文献 34 附录附录 35 江苏科技大学本科毕业设计 论文 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 研究背景研究背景 随着全球经济一体化的不断加深 国与国之间在生产上的分工变得越来越明确 从而加速了相互之间的经济贸易 因此未来对于集装箱船的需求会继续加大 与此同 时 在发达国家 随着技术的进步 很多原来并不适宜由集装箱运输的货物也开始集 装箱化 从而增加了箱柜装运的货种 而且 许多原来用散货船和液货船运输的谷物 液化气体等 也开始实现部分集装箱运输 不仅如此 随着发展中国家经济的高速发 展和工业实力的不断成熟 原来主要以出口工业半成品为主 现如今 发展中国家工 业成品的出口也开始不断增多 且大部分都适用于集装箱运输 这样以来 会使得集 装箱船可以装载的货物种类数目增多 从而加大集装箱船在全球货运总量中的比例 为了降低集装箱船的运输成本 增加其运输的规模经济效益 集装箱船开始向大型化 发展 已近从最初的几百箱增加到目前由韩国船企正在建造的两万箱超大型集装箱船 集装箱船的大型化可以大幅度的降低单个集装箱的运输成本 与此同时港口使用费用 和人工费都不会有明显增加 与此同时 为了深入腹地 增大大型集装箱船的辐射能 力 实现大型港口向内河之间的转运 内河支线型集装箱船显得越来越重要 1 2 研究目的及意义研究目的及意义 随着全球气候环境的不断恶化 各行各业纷纷开始作出自己的改变 从而船舶设 计在追求高经济型性的同时也开始注重节约能源和保护环境 与此同时 各种新生效 的规范 也在不断影响着船舶结构设计 例如压载舱的新涂层标准 压载水处理 燃 油舱保护等绿色环保要求 因此原来老旧的船舶已经不符合新的发展形势要求 必须 对其进行更新换代 使得对于新船型的研究变得更有意义 1 3 本文研究内容本文研究内容 本文的主要研究内容就是通过研究 730TEU 集装箱的性能特点 结构特点 布置 特点等 对船中舱段进行模型建造 载荷施加 校核计算 从而得出其应力分布图 从而为结构设计提出合理的指导意见 其主要内容如下 1 研究集装箱船及结构强度校核发展历史 并对未来可能的发展方向做出合理 的预测 2 根据提供的基本结构图 中横剖面图 研究船舶的结构设计特点 对于如舱 江苏科技大学本科毕业设计 论文 2 口角隅 横舱壁结构等应力比较集中的地方进行单独研究 3 参照集装箱船结构强度直接计算指南中的相关规范 运用 Patran 软件建立船 中舱段强度校核的有限元模型 然后对于结构单元施加响应的材料属性 最后运用 Nastran 软件进行载荷施加 通过计算得出应力分布图 1 4 集装箱船集装箱船简介简介 1 4 1集装箱船的分类集装箱船的分类 1 4 1 1 按照装运集装箱情况集装箱船可以分类如下按照装运集装箱情况集装箱船可以分类如下 1 部分集装箱船 2 全集装箱 3 可变换集装箱船 1 4 1 2 集装箱船按照装箱量的多少划分如下 集装箱船按照装箱量的多少划分如下 表 1 1 集装箱船分类 集装箱船型分类装箱数 TEU 小型集装箱船 1000 中型集装箱船1000 2500 中型集装箱船2500 8000 超大型集装箱船8000 1 4 1 3 按照巴拿马型的船舶划分 按照巴拿马型的船舶划分 表 1 2 集装箱船分类 集装箱船型分类装箱数 TEU 中超巴拿马型集装箱船8000 超巴拿马型集装箱船 小超巴拿马型集装箱船5500 6500 巴拿马极限性集装箱船5000 巴拿马型集装箱船 巴拿马型集装箱船4200 1 4 1 4 按照集装箱船的发展情况划分 按照集装箱船的发展情况划分 江苏科技大学本科毕业设计 论文 3 表 1 3 第一代 第五代集装箱船代表船型表 船舶情况船长 m 船宽 m 吃水 m 载箱量 TEU 载重量 t 备注 第一代 170 258700 1000 10000 第二代 225 29 111000 200015000 20 000 第三代 275 32 122000 3000 30000 第四代 295 32 123000 400040000 50 000 第五代28039 8 设计吃 12 5 结构吃水 14 4000 500068950 总载 重吨 以鲁河号 为例 第六代39556 156000 8000170890爱玛 马 士基 1 4 2 集装箱船的特点集装箱船的特点 随着越来越高的装卸效率 集装箱船对于港口的占用时间大幅度缩短 使得港口 使用费用大幅缩减 由于集装箱船是定时 定港 定航线运营 为了不耽误航运时间 故集装箱船的航速相对于散货船来讲比较高 通常为二十几节 为了增加船舶的运量 以增加其经济效益 所以通常在甲板以上也需要装载集装箱 这对于集装箱的稳性来 讲 要求就比较高 故其船体形状和船体结构与普通货船有很大的不同 通常集装箱 船比较瘦长 只在顶部设置一层宽敞平整的甲板以存放集装箱 为了装卸方便 集装 箱船的甲板开口的范围都比较大 集装箱船一般都是尾机型 上层建筑在机舱的上部 从而可以留出更多的甲板空间来装载集装箱 在甲板以上可以堆放 2 6 层集装箱 为 了稳性起见 在甲板及货舱口上都设有固定的绑扎设备 货仓内部的装置有导轨架 格栅等 集装箱船由于甲板大开口 总纵强度 局部强度 扭转强度的损失都比较大 在结构设计时为了弥补强度的不足 故通常船体为双层底和双层舷侧 在顶部也设置 有效的抗扭箱结构以增加总纵强度 集装箱船一般都停靠在有特殊装卸设施的港口 因此不需要在船上设置装卸设施 江苏科技大学本科毕业设计 论文 4 1 4 3 本文研究集装箱船特点本文研究集装箱船特点 1 4 3 1 型及航区型及航区 为了方便装卸集装箱 提高装卸效率 因此与大多数集装箱船一样也有宽大的货 仓开口 船舶的结构强度有很大损失 故集装箱船一般都为双层底 双壳 并在舷侧 顶部设置抗扭箱 同时为了增加船舶的总纵强度 双层底 甲板都采用纵骨架式 而 为了增加横向强度 在双层舷侧采用横骨架式 船型特点有 宽大舱口 无舱口盖 装卸灵活 停港时间短等特点 船舶的航区为沿海航线 1 4 3 2 船体总体布置船体总体布置 在整个船厂范围内总共有七对十四个压载水舱 中间平行中体部分设置了六对 由于向首位延伸线性的变化 在首部的一对压载水舱比较小 集装箱船满载出港的时 候通常也需要把压载水舱注满 原因在于甲板上装载了许多集装箱 这样做可以降低 船舶的重心 增加适航性能 当船舶处于压载状态时 浮力在船中部比较大 而重量 分布在船长范围内分布都比较均匀 这样会导致船舶处于中拱状态 因此把首尾两端 的舱室设置成了空仓以降低首尾重量 机舱布置在尾部 由于甲板集装箱装载层数比 较高 为了不影响驾驶员的视野 提高船舶的操纵性 同时也为了减小了机舱振动和 噪声对船员的影响 因此该船舶的驾驶甲板和居住甲板位于船首 总布置图如图 1 1 所 示 图 1 1 江苏科技大学本科毕业设计 论文 5 1 4 3 3 船体结构布置船体结构布置 该船的中横剖面图如图 1 2 所示 图 1 2 为了增加稳性 故船宽比较大 从而船的宽度吃水比较大 形式上看船的中横剖 面比较扁平 从而导致甲板和船底板距中和轴的距离先对较小 由于中垂弯曲和中拱 弯曲的影响 从而船的中部遭受总纵弯曲应力比较大 因此 货舱段主船体结构采用 纵骨架式 以提高总纵强度度和屈曲强度 由图中可以看出 左侧为弱肋位 右侧为 强肋位 并且为横骨架式 船舶结构设计都是按照最大的设计弯矩来校核相应的构件 的 但是 在选取静水弯矩时 要综合考虑经济型和适航性两方面 取得过大过小都 不合适 1 5 集装箱运输简介集装箱运输简介 为了提高货物的装卸效率 降低运营成本 人们开始考虑采用集装箱装卸货物 这样也可以减少货损 最早是在陆地上采用这种形式 后来才普及到船舶运输上 1957 年 美国船企第一次将散货船改装成为集装箱船 并在第一次运营中惊奇的发现 其装卸效率比散货船高出很多倍 集装箱船停港时间短 大大降低了港口的使用费用 江苏科技大学本科毕业设计 论文 6 增加了经济效益 从那以后 集装箱船开始迅猛发展 逐渐成为货件运输的主力军 集装箱运输的优点有 1 装卸效率高 目前港口装备的集装箱起重机起重能力都比较大 装卸速度也 比较快 平均每小时可以装卸大约 30 到 40 箱 按照每个集装箱装载 11 吨计算 每小 时可以装卸 350 400 吨 然而 假如采用传统的船舶吊杆或者门式起重机 由于杂货 船的堆放比较散乱 装卸不便等原因 效率较低 例如起重能力为 10 吨左右的门式起 重机平均每小时只能装卸 30 35 吨杂货 很明显 集装箱船的运输效率比杂货船高出 很多倍 因此集装箱船正在逐步取代杂货船 2 安全可靠 集装箱作为一个密闭金属制的箱体 它对于装载的货物起到了很 好的保护作用 使得在运输过程中货损大为降低 而假如用传统的装卸杂货件出现约 1 2 的货损是在所难免的 对于易碎品 如瓷器 玻璃品等 货损可能高达 10 3 全天候作业 以前装卸杂货 为了减少货损 遇到下雨天就必须停止作业 使得作业时间大为折减 使得装卸效率低下 假如采用集装箱装卸 由于箱体是金属 密闭的 不受雷雨天气的影响 可以全天候作业 使得装卸效率大为提升 4 集装箱可重复使用 杂货件的运输必须有包装 成组的货物还需要大包装 假如使用集装箱的话 可以省去包装 而且还可以重复使用 降低了成本费 5 缩短了货物运输时间 集装箱运输有定航线 定港 定时 定船等特点 运 输 航线比较固定 定期定港的运输方式极大地方便了运输商 可以使得他们对于自己 产品的售卖做出经济合理的安排 这样可以提升这个运输链的经济效益 当今的集装 箱航速高达 28 节 使得单次航运时间与传统杂货船大为缩减 使得商品和资金的周转 速度大为提升 6 运输成本低 综上所述 由于装卸效率提高 码头利用率高 运转周期短等 特点使得集装箱的运输成本大为缩减 提高了经济效益 随着集装箱运输在总的运输 量中所占的比例的提升 其低廉的运营成本促进了世界各国之间的经济贸易 使得全 球经济一体化的步伐进一步加快 综上所述 集装箱船运输可以大幅度提高装卸效率 从而降低港口使用费和运输周 期 与此同时 全天候作业提高了港口的利用率 这些都使得集装箱运输成本的降低 江苏科技大学本科毕业设计 论文 7 1 6 集装箱船发展历史概述集装箱船发展历史概述 1956 年 美国泛大西洋航运公司 Pan Atlantic Steamship Company 也就是后来 的海陆服务公司 Sea Land Service Inc 将其拥有的油轮 盖特威城 GATEWAY CITY 号散货船改装 并在其甲板上转载了一部分集装箱 第一次试航是从美国诺 瓦克港口出发到休斯顿去卸货 然而结果却发现与散货船相比 停港的时间由原来的 7 天缩减为 15 小时 装卸费也降为原来的 1 37 获得了巨大的成功 从那以后 世界 各大运输公司纷纷开始建造自己的集装箱船 掀起了集装箱船建造的新浪潮 随着建 造速度的加快 各大船东开始确定最适宜运输的集装箱船型 并于上世纪七十年代末 确定了第一代实用船型 现如今 欧美国家如美国 英国 德国等 它们的杂货物基 本都是依靠集装箱运输 集装箱船发展至今已经有六代 现简介如下 第一代集装箱船 上世纪六十年代 第一代集装箱船基本定型 其装箱量为 700 到 1000 箱左右 总吨位在 2 万吨左右 它的航行区域包括大西洋 太平洋等 第二代集装箱船 到上世大幅度提升 已经达到 2000 箱 总吨位也已经达到 5 万 吨 与此同时航速也有了进一步的提升 已经提高到了 26 27 节 第三代集装箱船 受 1973 年石油危机的影响 各种船型都开始考虑经济性的问题 集装箱船的发展也不例外 第二代集装箱船装箱量少 使得其经济效益不佳 各大船 企基于规模经济效益的思想继续加大船型 于是第三代集装箱船应运而生 然而其航 速却降低了 凸显了其经济性 第四代集装箱船 上世纪八十年代后期 为了进一步凸显集装箱船运输的规模经 济效益 世界各大造船厂加快了集装箱船大型化发展的步伐 然而船型的划分开始以 能否通过巴拿马运河为准绳 开始出现巴拿马型 超巴拿马型船舶 装箱数量也已经 超过 4000 箱 随着船舶的大型化发展 高强度钢的采用范围和比例也开始不断加大 这使得船舶的重量开始大幅度减轻 船舶的屈曲强度应该引起足够重视 与此同时 新型的柴油机的功率不断加大 而燃油费大大降低 伴随着科技的进步 船舶的自动 化程度也不断提高 降低了人力需求 从而船舶的经济型进一步提高 第五代集装箱船 为了增大集装箱船的稳性 从而增大其复原力臂 德国船企率 先开建了几艘 APLC 10 型集装箱船 其长宽比略有缩小 装箱量也有了进一步的提升 达到了 4800 箱 第六代集装箱船 二十世纪末 为了加快集装箱船大型化发展的步伐 船企开建 江苏科技大学本科毕业设计 论文 8 大型集装箱船 其中为代表的就是马士基公司建造的 Rehina Maersk 号集装箱船 从此 大家纷纷开始建造以马士基为代表的六代集装箱船 近年来 可装载 10000 个集装箱的巨轮已经在欧洲问世 而装箱量高达两万箱的 超大型集装箱船在韩国已经开建 1 6 1集装箱船大型化发展趋势集装箱船大型化发展趋势 当代集装箱船的发展趋势及所面临的问题 进入新世纪以来 集装箱船大型化发展的步伐越走越快 装箱量已经从最初的几 百箱到几千箱 现如今已经超过两万箱 集装箱船呈现出经济化 环保化 节能化的 新特点 船长也已经超过 350 米 有的超大型的集装箱船已经接近 400 米 根据经济 学中的规模效益理论 一次航行过程中的运输量越大 其规模性越明显 单件产品的 运营成本也就越低 经济效益也就越明显 近年来 随着焊接技术的快速发展以及高 强度钢的采用 未来集装箱船大型化的发展趋势还会进行下去 也就意味着主尺度还 会进一步增大 然而船舶大型化发展也带来了一系列的问题 比如应力集中 稳性不 足 总纵强度和扭转强度不够等 随着 EEDI 的全面生效 以及近年来石油等燃料价格的不断攀升 航与企业开始 加大对于低成本 节能环保的关注度 因此 如何设计出一艘能源消耗少 载箱量大 节能环保的新船型成为了国际集装箱船舶设计的研究热点 现如今 主流的集装箱船 舶的航速已将较原来的船型大大的降低了 由最初的 25 节降为现如今的 18 节甚至更 低 这样的发展趋势下 为了改善船舶低航速时的阻力性能同时也是为了增加船舶的 载箱量 目前主流设计思想都是采用丰满的型线设计 这样做使得首尾舱室的装箱量 增加 增加了首尾重量 同时肥大的首尾线型使得首尾的排水量增加 从而静水弯矩 也有所增加 使得结构强度问题变得越来越突出 现代超大型集装箱船的结构特点 伴随着船舶的大型化发展 为了减轻结构重量增加船舶的装货量以增加经济效益 在船舶的设计和建造中 对于高强度钢的使用范围和比例越来越大 其强度等级也有 所提高 这样可以大大减轻结构重量 从而载货量增加 进一步增加船舶的经济效益 以前大型的集装箱船由于首尾型线比较瘦削 结构重量比较小 因此 重量分布 比较均匀 而浮力主要集中在船中 因此船舶结构强度主要考虑中拱带来的总纵强度 江苏科技大学本科毕业设计 论文 9 问题 然而超大型集装箱船采用的肥大船型设计 首尾的装箱量和结构重量的增加使 得局部结构强度问题变得愈加突出 因此 在超大型集装箱的设计过程中 要兼顾总 纵强度和局部强度 并且对于扭转强度也要引起足够的重视 1 7 集装箱船结构强度校核发展趋势集装箱船结构强度校核发展趋势 传统的船体结构分析分为两部分 一是船体局部强度分析 二是全船总纵强度的 简化分析 对局部强度分析 目前通用的方法是采用有限元分析 对于所要研究的结构运用 相关软件进行建模 然后根据结构实际受力状态对模型施加载荷 接着运用相关软件 进行结构强度计算 得出结构强度计算报告 近些年来 随着计算机技术的飞速发展 采用有限元模型分析法对所要考虑部分进行校核的方法已经各大设计公司采用 这种 做法在业界也获得了普遍的认可 在总体强度分析中 初始的研究方法是采用船体梁理论 采用简化方法 将船体 看成一根梁 复杂构件如肋骨 肋板 纵骨 纵桁等 被简化成一条一条直线 在结 构计算中为了体现出其材料属性 所以通过单元模拟的方法来实现 并把外界传递过 来的各种载荷施加在这些简化直线上 为了计算出强力构件所受到的应力 将构件的 内力分为总弯曲应力和板架弯曲应力 各自进行计算 最后再采用应力合成法得到构 件的内力 整个船体是一个整体 其受力也具有整体性 单纯为了计算方便 强行的将两种 有着互相联系的力分开 这种方法本身的理论依据就不足 由于受力计算的不准确 在设计时为了保证船舶的安全性 单纯的用调高安全系数的方法来实现 然而 这也 必然造成了结构材料的浪费和施工费用的增加 降低船舶的经济型 因此 船体梁理 论是粗略的计算 并不完善 由于各种受力之间的互相影响 人为的将它们分开缺乏 理论依据 并不合理 大型的集装箱船结构比较复杂 为了实现不同的功能 设计者对于船体内部空间 做出了合理的规划 同时船舶的横剖面积沿着船长方向变化也比较大 这样以来 对 于把船体剖面看成基本不变的船体梁理论显然已经不适用 针对大型集装箱船的这种 结构特点 必须采用一种考虑到非等值结构的扭转响应问题的新型的船体梁设计方法 现如今 国际上的主流思想是采用基于薄壁梁理论的有限薄壁梁理论 Wide 最先开始 相关研究船 在校核扭转强度时 为了计算简便 他将船中的平行中体部分看成是等 江苏科技大学本科毕业设计 论文 10 断面的 而将两端线性变化比较大的首尾结构看成是中部平行段的约束 由于当时认 识的局限性 并未考虑到非棱柱的三维效应问题 从而导致他的计算结果误差比较大 由于船体的非棱柱性 现在普遍的计算思路都是采用有限梁的计算方法 即把变 断面的船体梁看成是阶梯形状的 并采一维的有限元法或者是迁移矩阵法 在计算时 由于弯矩之间的耦合作用 上述计算理论也不尽完善 但是 在初步设计阶段 薄壁 梁理论还可以起到一定的指导作用 薄壁梁理论采用的是确定性的研究方法 但是对 于波浪载荷这样的随机性变量 按照上述方法就很难得出很好的计算结果 也得不出 各个部位的详细应力分布 随着计算机技术的飞速发展 针对全船的有限元分析已经变为了可能 目前可以 采用模型法 用膜 桁 梁 壳等单元模拟表达船体的各个部位的主要构件 这样可 以较为真实的模拟表达船舶各个部位的刚度特性 最后施加载荷 并通过有限元分析 软件得出应力分布图 从上世纪九十年代开始 世界造船界针对大开口的集装箱船开始普遍采用有限元 分析法 使得结构强度的校核上升到一个新的阶段 随着技术的进步 基于概率性计 算的直接计算法开始代替确定性计算方法 例如美国 ABS 船级社就推荐采用 DLA 设 计方法 目前国外前进的船级社都开始采用动态载荷对大型集装箱船的总纵强度进行 直接计算 主要研究思路如下 首先采用流体动力学的计算程序对船舶运营所处的海况 进行长期预报 运用载荷参数法 对锁预报的波动进行参数化处理 得出一种概率性 的均匀波 并测量出其具有的波长 波高 相位等基本参数 然后将得到的等效规则 波施加在已建立好的有限元模型上 从而得出结构的应力分布 目前在海洋工程领域 已经提出基于载荷和结构强度均采用概率性分析方法的 LRFD 方法 伴随着科技的进 步 船舶结构领域也会逐渐采用此先进的设计思路 江苏科技大学本科毕业设计 论文 11 江苏科技大学本科毕业设计 论文 12 第第 2 章章 有限元分析软件简介有限元分析软件简介 2 1 Patran 简介简介 MSC Patran 集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统 随着经济社会的快速发展 CAE 仿真技术在结构设计中的应用越来越广泛 由于 CAD 系统间各有各的特色 并且产品设计性能的仿真也具有多样性的特点 因此 急 需一款软件能将 CAE 仿真的各个集成块融合到一个统一完善的 易学易用的平台上 MSC Patran 应运而生 设计者可以根据自己本行业的实际需要 可以在此开放式平台 上进行多好学科间的数据交换 工程分析等 目前 MSC Patran 已经被广泛应用于 航空 航天 铁道 制造业 船舶 机械 电子 建筑 教学研究 生物力学等各个 行业 MSC Patran 特点如下 1 拥有友好的 条理清晰的 简洁易懂的用户界面 正符合目前主流的 CAE 操 作流程 也有利于软件应用的推广 用户界面分人菜单分级不超过三个并且按照时间 的先后顺序一一激发 使得用户可以快速的介入任何分析任务 并自由切换 2 丰富的电子表格工具 为了给用户提供更多的服务功能 在其下拉菜单中有诸 如图形编辑 移动条码 视图等快捷按钮 如果用户想要管理或者输入自己想要的数 据可以通过单击 单击和拖动 或者 多功能屏幕拾取选择 按钮 方便简洁 通俗 易懂 软件中提供的各类表格全部采用的是普通的工程界最基本的术语 整个界面简 洁易懂 3 对大模型的操作响应极快 本软件由于其构架的优越性 在处理结构模型时 能够对数据进行快速优化 对网格进行合理有效的划分 使得软件在处理模型时能够 快速准确的得出结果 4 MSC Patran 软件服务商为我们提供了在线的全文服务系统 使得我们的问 题可以及时得到解决 除此之外 在软件中执行相关命令时 所有的操作都会自动保 存或者恢复编辑修改 有助于我们避免在执行错误操作后及时恢复 方便了用户的使 用 5 强大的几何建模功能 MSC Patran 提供了一系列的几何建模功能 包括几 何元素的创建 Create 删除 Delete 编辑 edit 变换 Transform 显示 show 检查 Verify 关联 Associate 取消关联 Disassociate 重新标号 江苏科技大学本科毕业设计 论文 13 Renumber 6 几何模型直接访问技术 除了本身建模外 本软件还可以直接从 CAD 等大 型建模软件中直接导入模型 方便了广大用户 7 分析求解器集成 作为一款优秀的有限元模型分析前后置处理器 它提供了 按照 事件分类 分析求解器的选择功能 使得 MSC Patran 的分析集成系统达到了一 个崭新的水平 因此 用户可以根据自己后期的计算需要 自助选择不同的分析软件 8 有限元建模功能 本软件中集成了自动实体网格单元格划器 可靠的映射网 格划分器 扫成网格生成器等多种网格生成器 软件还集成了一些独特的网格处理功 能 2 2Nastran 简介简介 为了方便各行各业处理工程问题分析 美国宇航局开发出了适应于多种用途的有 限元分析软 这个系统称为 NASA Structural Analysis System 命名为 Nastran 上世纪六十年代初 为了能早日登上月球 美国宇航局希望开发一款大型的有限 云结构分析软件 并且其兼容性要好 能够在几乎所有的大型计算机上运行 当时 MacNeal Scherndler Corporation 即 MSC 公司 参与了这一开发过程 Nastran 程序最 早在 1969 年通过 COSMIC Computer Software Management and Information Center 对 外发行 一般称为 COSMIC Nastran 随着计算机行业的飞速发展 Nastran 程序的版 本更新速度也开始加快 其中被用户广泛使用的当属 MSC 公司所开发的 MSC Nastran 程序 MSC Nastran 的应用极大地方便了各行各业的对于结构应力分析的需要 进入新世纪以来 MSC Software 公司为结合新的计算方法 对于 MSC Nastran 进 行了改进 尤其是对其进行 MD 技术特新开发 并于 2006 年发布了 MD Nastran 新 的软件能处理多种学科的仿真 能处理显式非线性 高级非线性 热分析 外噪声分 析等问题 从而增大软件的应用范围 MSC Nastran 软件功能介绍 1 静力分析 在模型的结构校核中 为了计算在受静力载荷下的应力 Nastran 软件为大家提供 了静力分析功能 可以计算节点的受力 位移 约束力等 2 屈曲分析 江苏科技大学本科毕业设计 论文 14 在船舶结构校核中 除了要计算结构强度外 还要校核稳定性 也就是屈曲问题 本软件中的屈曲分析包括线性和非线性两种 3 动力学分析 为了校核结构在动力作用下得受力响应 MSC Nastran 软件为我们提供了应对动变 载荷的响应分析 为了综合性考虑 在分析中也包含了对于惯性和阻尼的响应 4 非线性分析 为了使得分析计算更趋于合理性 在校核中必须考虑结构的非线性响应 其包含 材料 几何 以及接触等的非线性问题 5 热传导分析 当所研究的结构模型处于带有热量变化的环境中时 结构校核必须把这一部分变 化包含进来 因此 MSC Nastran 可以有效的分析出结构内部的热量分布 并以直观的 颜色分布显示出来 加大的方便了工作者的结构热力分析 从而实现对于产品的热力 性能改善 6 流 固耦合分析 当所研究的结构模型与流体有力的相互作用时 受力还比较复杂 MSC Nastran 软件中提供了许多求解流 固耦问题的方法 包括虚质量法 流 固耦合法等 极大地方便了船舶设计工作者在水环境下对于船体结构的分析 江苏科技大学本科毕业设计 论文 15 第第 3 章章 舱段有限元模型的建立舱段有限元模型的建立 3 1 概述概述 3 1 1 评估依据评估依据 根据中国船级社 国内航行海船建造规范 2012 及其 2014 修改通报第 2 篇第 7 章附录 2 集装箱船结构强度直接计算 以及 集装箱船结构强度直接计算指南 第 3 章 货舱区域主要结构强度直接计算 的规定 对 730TEU 集装箱船货舱区域的主要 构件应用直接计算方法进行了强度计算 3 1 2 图纸资料图纸资料 1 总布置图 2 基本结构图 3 典型横剖面图 4 货舱段结构图 3 2 船体总体概述船体总体概述 3 2 1 主尺度主尺度和主要参数和主要参数 总 长 127 60 m 水 线 长 122 50 m 垂线间长120 20 m 型 宽21 40 m 型 深 10 40 m 设计吃水6 70 m 肋 距 0 60 m 设计航速11 2 kn 航 区 沿 海 江苏科技大学本科毕业设计 论文 16 3 2 2 主要构件尺寸主要构件尺寸 表 3 1 主要构件尺寸 构件名称构件尺寸 mm 内底纵骨L160 100 10 外底纵骨L160 100 10 舷侧纵骨L160 100 10 平台纵骨L125 80 10 舭部强肋骨T 型材 10 400 12 120 舷侧强肋骨T 型材 10 400 14 180 弦顶强肋骨T 型材 10 400 12 120 甲板纵骨T 型材 16 400 16 240 3 2 3 其它概述其它概述 1 本船共装载集装箱 730 只 集装箱尺寸 长 宽 高 6058mm 2438mm 2591mm 2 本船装载状态如下 A 配箱装载时 共装载集装箱 730 只 平均每只集装箱重 11 56t B 装载 14t 箱时 重箱 1 每只集装箱重 14t C 装载 28t 箱时 重箱 2 每只集装箱重 28t 3 3 结构有限元模型结构有限元模型 3 3 1 模型范围模型范围 运用 MSC Patran Nastran 软件进行建模及计算 采用三维有限元模型 模型宽度 范围 1 边界条件类型为对称时选取为半宽模型 取左舷 江苏科技大学本科毕业设计 论文 17 2 边界条件类型为非对称时选取全宽模型 舱段模型的纵向范围从 49 肋位到 107 肋位 垂向范围为从船体基线到舱口围板 上缘 其中甲板等平板结构用板单元模拟 肋板 底纵桁 甲板纵桁 甲板强横梁 舷侧强肋骨 舱壁垂直桁等腹板用板单元模拟 面板用梁单元模拟 其它小的骨材用 梁单元模拟 模型长度单位 m 有限元模型有 半宽模型节点 27139 个 单元 40763 个 全宽模型节点 53706 个 单元 81065 个 材料属性 弹性模量 E 2 06 105 MPa 泊松比 0 3 密度 7 85 t m3 有限元模型如图 3 2 图 3 11 所示 图 3 2 半宽结构有限元模型 江苏科技大学本科毕业设计 论文 18 图 3 3 半宽结构有限元模型示意图 隐去内底板和内舷板 图 3 4 半宽舷侧结构有限元模型局部放大图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 19 图 3 5 全宽结构有限元模型示意图 图 3 6 全宽船底结构有限元模型局部放大图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 20 图 3 7 半宽结构有限元模型板厚示意图 图 3 8 半宽结构有限元模型板厚示意图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 21 图 3 9 半宽结构有限元模型板厚示意图 隐去内底和内舷 图 3 10 全宽结构有限元模型板厚示意图 江苏科技大学本科毕业设计 论文 22 图 3 11 全宽结构有限元模型板厚示意图 隐去内底和内舷 3 3 2 坐标系坐标系 坐标系见图 3 11 所示 原点 0 位于 49 号船底中线处 X 轴指向船艏为正方向 Y 轴指向左舷为正方向 Z 轴向上为正方向 江苏科技大学本科毕业设计 论文 23 第第 4 章章 载荷施加及强度校核载荷施加及强度校核 4 1 计算工况计算工况 根据 国内航行海船建造规范 2012 及其 2014 修改通报第 2 篇第 7 章附录 2 集装箱船结构强度直接计算 中 2 3 计算工况 的要求 选取工况如下 1 LC1 中间 40ft 箱位空舱 2 LC4 船舶横倾 中间 40ft 箱位空舱 3 LC5 船舶横倾 4 LC6 船舶纵荡 5 LC7 根据稳性计算书 选取满载出港货舱浸水 依据以上五种工况对本船进行结构强度有限元计算 而其中每种工况又分别 包含三种情况 如表 4 1 所示 表 4 1 装载工况表 工况配箱 730TEU 重箱 1 14t 重箱 2 28t LC1 LC4 LC5 LC6 LC7 4 2 边界条件边界条件 根据 规范 LC1 LC6 和 LC7 为边界类型对称工况 LC4 和 LC5 为边界类型 非对称工况 4 2 1 对称边界条件对称边界条件 纵中剖面对称边界条件 对于结构形式 设计载荷均左右对称的工况 LC1 LC6 和 LC7 纵中剖面内节 点的横向线位移 绕纵中剖面内两个坐标轴的角位移约束 即 y x z 0 江苏科技大学本科毕业设计 论文 24 4 2 2 局部载荷工况边界条件局部载荷工况边界条件 1 此边界条件适用于载荷对称的计算工况 见表 4 2 2 端面 A 与 B 施加对称面边界条件 端面内节点的纵向线位移 绕端面内两个坐 标轴的角位移约束 即 x y z 0 3 舷侧外板 内壳板与前后横舱壁交线上节点应设置垂向弹簧单元 弹簧单元弹性 系数均匀分布 弹性系数按下式计算 6456 N mm 5 6 H GA K l n 66348006 22468010792 0 5 5 式中 材料的剪切弹性模量 对于钢材 N mm2 G 5 0 792 10G 前后舱壁处舷侧外板 内壳板的剪切面积 取 224680mm2 A 中部货舱长度 取 34800mm H l 舷侧外板 内壳板上垂向交线节点数量 取 n 66 n 表 4 2 局部载荷边界条件 线位移约束角位移约束 位置 x y z x y z 方向纵向横向垂向绕 X 轴转绕 Y 轴转绕 Z 轴转 A B 端固定 固定固定 CL 固定 固定 固定 交线 EG FH 弹簧 4 2 3 横倾工况边界条件横倾工况边界条件 1 此边界条件适用于载荷非对称的横倾工况 应采用全宽模型 见表 4 3 2 端面 A 与 B 施加对称面边界条件 即 x y z 0 3 舷侧外板 内壳板与前后横舱壁交线上节点应设置垂向弹簧单元 弹簧单元弹性 系数均匀分布 弹性系数参见 4 2 2 即 k 6456 N mm 4 船底板 内底板与前后横舱壁交线上节点应设置水平弹簧单元 弹簧单元弹性系 数均匀分布 弹性系数按下式计算 江苏科技大学本科毕业设计 论文 25 7236N mm 4 1 5 6 H GA K l n 114348006 43500010792 0 5 5 式中 材料的剪切弹性模量 对于钢材 N mm2 G 5 0 792 10G 前后舱壁处船底板 内底板的剪切面积 取 435000mm2 A 中部货舱长度 取 34800mm H l 船底板 内底板上水平交线节点数量 取 n 114 n 表 4 3 不对称边界条件 线位移约束角位移约束 位置 x y z x y z 方向纵向横向垂向绕 X 轴转绕 Y 轴转绕 Z 轴转 A B 端固定 固定固定 交线 EG FH 弹簧 交线 IK JL 弹簧 边界条件各符号见图 4 1 图 4 1 计算工况的边界条件符号示意图 4 3 计算载荷计算载荷 局部载荷计算工况中考虑的载荷分量如下 江苏科技大学本科毕业设计 论文 26 1 空船重量 2 集装箱载荷 将集装箱重量加到内底板上对应箱角位置上 3 吃水引起的静水压力 基线处 2 1 025 9 8110 055 static PgzzzkN m 水线处 2 0 static PkN m 其中 z 相应工况下计算吃水 m 4 局部波浪载荷引起的附加压力 水线处 27 519 www CkP3 W C31 1 339 8 3 3 2 mkN 基线处 18 763 wBB CkP5 1 w C5 15 1 339 825 2 2 mkN 其中 PW和 PB之间线性插值 1 1 1 5 WB kk CW 波浪系数 339 8 w C L 船长 120 20m 5 横倾工况中 LC4 LC5 模型处于一静横倾状态 计算各载荷分量 货舱内 集装箱随船舶横倾产生的横向载荷分量 按其在纵舱壁对应的箱角分布位置为作用点 以一组集中力作用在纵舱壁上 6 由船舶纵向加速度作用在集装箱上产生的纵向载荷 货舱内每一集装箱纵向运动加速度产生的力按各集装箱的物理位置由集装箱对应 箱角位置传递到横舱壁的主要结构上 纵向合成加速度应按下式计算 4 2 2 sin10 mrppxl zzaaa 2 sm 2 式中 1 z 计算点到基线的垂向距离 m 2 横摇转动轴和纵摇转动轴到基线的垂向距离 应按下列两式计 rp z 算 取小值 取 5 2m 2 5 2 94 5 24 2 1 m D z m dD z rp rp rp z 江苏科技大学本科毕业设计 论文 27 其中 D 型深 m d 吃水 m 3 纵荡加速度 应按下式计算 x a 0 783 bx Caa 0 2 式中 方形系数 b C 加速度系数 应按下式计算 0 a 432 0 3 0 L C L C a vw 其中 219 0 50 2 120 50 L Cv L 船长 120 2m V 航速 11 2kn 波浪系数 8 339 W C 4 纵摇角加速度 应按下式计算 p a 2 2 28 6 srad T a p mp 式中 纵摇周期 s 按下式计算 p T s L TP240 6 10 80 1 5 最大纵摇角 rad 按下式计算 但不得大于 0 14 m rad C a b m 131 0 25 0 0 7 工况 LC7 中由于货舱浸水使得舷侧内壳 内底板和横舱壁上所受的浸水压力为 18 1 8 9025 1 81 9 025 1 11 zdzhdgzPstatic 2 mkN 其中 浸水表面距内底板的距离 6 618m 1 d 1 d h 双层底高 1 18m 江苏科技大学本科毕业设计 论文 28 4 4 许用应力许用应力 本船货舱区全部结构都采用低碳钢 其材料换算系数 k 为 1 0 本船评估区域为 从 49 肋位到 107 肋位的货舱区主要结构 各主要构件对应校核工况下最大许用应力 如表 4 4 所示 根据中国船级社 国内航行海船建造规范 2012 及其 2014 修改通报第 2 篇第 7 章附录 2 集装箱船结构强度直接计算 中 2 6 2 的要求 局部载荷工况下 各主要 构件的许用应力见表 4 4 表 4 4 许用应力 许用应力 2 mmN 构件名称计算工况 l W e 船底板 内底板LC1 2 3 100 K140 K 舷侧板 纵舱壁LC1 2 3 4 5 140 K 90 K LC1 2 3 100 K 175 K90 K 船底纵桁 双层 底肋板 横向强 框架 LC1 2 3 4 5 175 K90 K 边舱纵向平台LC1 2 3 4 5 100 K 175 K90 K 横舱壁板LC1 2 3 140 K175 K90 K LC1 2 3 4 5 140 K175 K 横舱壁桁材 LC6 85 K LC4 5 140 K175 K90 K 甲板横向抗扭箱 LC6 85 K 纵骨及加强筋LC1 2 3 4 5 6 220 K 表中 e 合成应力 l 船长方向正应力 W 船宽或船深方向正应力 腹板总高度 或总深度 内的平均剪应力 江苏科技大学本科毕业设计 论文 29 4 5 应力衡准以及结论应力衡准以及结论 本船货舱区全部结构都采用低碳钢 其材料换算系数 k 为 1 0 本船评估区域为 从 49 肋位到 107 肋位的货舱区主要结构 各主要构件对应校核工况下最大许用应力 如表 4 4 所示 根据表 4 5 可见 对应校核工况各主要构件应力均满足强度要求 表 4 5 各主要构件应力汇总及应力衡准表 构件名称校核工况 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 配箱 83 791 1 重箱 1 76 977 2 LC1 重箱 2 80 991 9 配箱 21 019 7 重箱 1 31 134 6 船底外板 LC7 重箱 2 38 339 0 配箱 77 4117 重箱 1 71 087 5 LC1 重箱 2 74 8112 配箱 24 066 8 重箱 1 35 252 3 内底板 LC7 重箱 2 44 365 1 配箱10978 6 62 3 重箱 110272 6 58 4LC1 重箱 212177 3 69 4 配箱84 824 2 43 5 重箱 111134 2 55 8 船底纵桁 LC7 重箱 214844 8 74 8 配箱167 83 0 重箱 1134 73 9 LC1 重箱 2166 81 7 配箱157 83 3 双层底肋板 横向强框架 LC4 重箱 1142 71 5 江苏科技大学本科毕业设计 论文 30 构件名称校核工况 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 重箱 2157 83 9 配箱157 83 3 重箱 1141 70 8LC5 重箱 2158 83 3 配箱138 78 6 重箱 188 6 48 2LC7 重箱 2126 69 4 配箱 26 731 5 重箱 1 16 933 4LC1 重箱 2 22 744 5 配箱 21 425 5 重箱 1 23 343 7LC4 重箱 2 23 443 7 配箱 21 425 5 重箱 1 24 627 8LC5 重箱 2 23 621 3 配箱 26 035 3 重箱 1 26 330 6 舷侧外板 LC7 重箱 2 34 544 8 配箱 95 847 7 重箱 1 74 647 3LC1 重箱 2 92 057 3 配箱 88 344 6 重箱 1 61 241 2LC4 重箱 2 73 050 1 配箱 88 344 6 重箱 1 38 653 8LC5 重箱 2 49 581 9 内舷侧板 LC7配箱 31 639 1 江苏科技大学本科毕业设计 论文 31 构件名称校核工况 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 重箱 1 30 735 3 重箱 2 49 746 2 配箱61 424 2 33 6 重箱 140 724 7 22 4LC1 重箱 274 329 4 40 4 配箱77 140 5 42 7 重箱 160 430 4 32 7LC4 重箱 285 135 1 40 9 配箱77 140 5 42 7 重箱 174 027 4 39 0LC5 重箱 286 240 5 42 3 配箱14668 2 78 3 重箱 110849 5 57 6 边舱纵 向平台 LC7 重箱 213774 8 72 7 配箱146 11578 0 重箱 1113 87 659 5LC1 重箱 2139 11272 6 配箱133 10665 6 重箱 184 8 87 544 1 横舱壁板 LC7 重箱 2126 13063 5 配箱61 5 50 3 重箱 157 7 51 8 LC1 重箱 260 1 57 7 配箱50 3 51 9 重箱 142 1 45 5 LC4 重箱 230 3 30 5 配箱50 3 51 9 重箱 122 3 23 5 横舱壁桁材 LC5 重箱 219 3 19 6 江苏科技大学本科毕业设计 论文 32 构件名称校核工况 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 配箱118 122 重箱 188 0 91 0 LC7 重箱 2137 130 配箱39 3 重箱 143 5 LC6 重箱 279 1 配箱118 36 732 3 重箱 171 6 19 628 4 LC4 重箱 287 4 19 622 3 配箱111 36 732 3 重箱 1117 16 219 1LC5 重箱 270 8 19 218 4 配箱26 9 重箱 129 4 甲板横向 抗扭箱 LC6 重箱 251 5 配箱220165220169 重箱 1220