船体结构有限元分析专题

船体结构有限元分析专题 概述船体是由板梁组成的三维空间结构 是在水中漂浮的自由体 在重力和浮力作用下处于自平衡状态 根据这些特点 进行船体结构有限元分析时 各国船级社都有一些要求和规定 我国船级社 CCS 的下列标准可供参考 船体结构直接计算指南 海船 钢质内河船舶船体结构直接计算指南 内河 散货船船体结构强度直接计算指南油船船体结构直接计算指南集装箱船结构强度直接计算指南双舷侧散货船船体结构强度直接计算指南应用ANSYS程序进行船体结构分析时应遵照这些指南或标准的规定 比如单元选取 网格划分要求 边界条件 载荷等 然后才能选用它们规定的许用应力衡准 1 船体结构模型通常可以划分成下列类型 a 船体梁整体模型 图1 图1船体梁整体模型 图2舱段模型 b 舱段模型 图2 c 交叉梁系模型 板架 图3 d 肋骨框架模型 图4 e 局部结构模型 图5 图3交叉梁系模型 图4肋骨框架模型 图5局部结构模型 2 单元类型选取舱段及整船分析主要应用板梁组合结构模型 骨架采用梁单元 板采用壳单元 对于高腹板梁的腹板用壳单元离散 面板用杆单元 支柱及撑材等用杆单元 此外为处理特殊边界条件可能还需要应用一些特殊单元 3 本专题我们将重点介绍舱段和整船有限元分析方法 包括下列内容 板梁组合结构计算舱段有限元分析 建模 施加边界条件 施加波浪载荷方法全船有限元分析局部结构强度分析 以上内容 用ANSYS程序实现 第一章板梁组合结构计算 1概述ANSYS中梁单元类型有多种 在船体结构计算中主要应用Beam44和Beam188单元 Beam44是3D带斜度的非对称梁元 节点i j k k为定位点 它的理论模型是 Euler Bernolli梁 包括轴向 弯曲 扭转变形 横向剪切变形不包括在单元公式中 即假设梁的剪切变形被忽略 这只有当梁的截面尺寸h与典型轴向尺寸L之比h L 1 15时才能给出合理的结果 Beam44采用3次形函数 单刚为精确解 所以划分单元时 在梁的跨度范围 即每个构件 只用一个单元即可 所以在连续梁 刚架 板架以及空间刚架计算中多采用Beam44单元 Beam188单元为Timoshenko梁 包括弯曲 轴向 扭转和横向剪切变形 适合于剪切变形为主的深梁和剪切变形为次的细长梁 当梁的截面尺寸h与典型轴向尺寸L之比h L 1 10时可以给出合理的结果 因为它计及了剪切变形的影响 如果h L 1 10为高腹板梁 此时需将梁的腹版用shell63单元离散 面板用杆元link8离散 图1 1 图1 1 Beam188单元可以直接输剖面尺寸而不需输入实常数 用 eshape 1命令显示梁的实体形状时 可显示剖面真实形状 而Bean44单元则只能显示截面为矩形形状 因为它是通过输入的实数显示剖面形状的 此外在后处理中 Beam188单元非常方便 像shell63单元一样显示应力云图 而Beam44单元只能通过定义单元表显示梁的弯矩 应力等 Timoshenko梁 Beam188 Beam189 采用一次 二次形函数 所以梁需要划分足够多的单元才能逼近真实解 梁的定位点 方向点 图1 2 定位点k在x Z平面 也可以在x y平面 例 如果给定一条线 指定了一个方向点 关键点KB 则沿线按一定方向生成梁单元 图1 3 图1 2定位点 图1 3 2交叉梁系 板架 计算通常采用Beam44单元 图2 1 计算 1 DX1 0 DY1 0 DZ1 0以CG点为节点 2 如果忽略扭转影响 IX1可填小值 如IX1 1 0e 10 如果忽略IZ1影响 IZ1可填小值 如IZ1 1 0e 10 注意 IX1 IZ1不能填任意值 它对结果有影响 实常数 R 1 Area1 IZ1 IY1 TKZB1 TKYB1 IX1 Rmore Area2 IZ2 IY2 TKZB2 TKYB2 IX2 如果J点剖面与I点相同Area2 IZ2 填0或空白Rmore DX1 DY1 DZ1 DX2 DY2 DZ2 Rmore SHEARZ SHEARY TKZT1 TKYT1 TKZT2 TKYT2剖面特性可以用ANSYS的SECTIONS计算得到 图2 1 例 计算图2 2所示交叉梁系用ANSYS中SECTION计算 剖面特性如下 A 0 0112m2Iy 0 319 e 3m4TKZB1 0 13679mTKZT1 0 2832mh L 1 15 可用Beam44计算 以CG为节点 DZ1 0 图2 2叉梁系 用kN m单位 计算要点 1 忽略IZ IX 取IZ 1 e 10 IX 1 e 10 2 全部板架梁都用一个定位点K 100 0 4 3 1000 3 绘纵梁弯矩图 4 显示面板 带板应力材料 E 2 06e8kN m2 MU 0 3 图2 3 本例命令流文件 Gird44 datfini clear title gird2002 9 22 prep7 view 1 0 75 0 54 0 38 ang 1 101et 1 beam44mp ex 1 2 06e8R 1 0 0112 1 0e 10 0 319e 3 0 13679 0 1 1 0e 10 rmore rmore rmore 0 2832 0 1 k 1 0 0 0 k 5 0 8 0kfill 1 5 3K 6 3 2 0k 7 3 4 0 k 8 3 6 0kgen 2 6 8 1 6 K 100 0 4 3 1000L 1 5 L 6 9 L 7 10 L 8 11 FLST 2 4 4 ORDE 2FITEM 2 4 4 ORDE 2FITEM 2 1FITEM 2 4LOWLAP P51XNUMMRG KP LOWLPLOTLSEL ALLLATT 1 1 1 100 Lesize all 1 LMESH ALL view 1 0 75 0 54 0 38 ang 1 101 ESHAPE 1EPLOTFINI SOLUDK 1 ALL DK 5 ALLNSEL S LOC X 3NSEL A loc x 3D ALL ALLALLSELFK 3 FZ 300SAVESOLVEFINI EOF post1LSEL S LOC X 0ESLL VIEW 1 1 0 ANG 1 90 REPLOTetable Ni smisc 3etable Nj smisc 9plls Ni Nj 1 0etable MI smisc 5etable Mj smisc 11plls Mi Mj 0 3 0 etable SMAXi NMISC 1etable SMAXj NMISC 3plls SMAXi SMAXJ 0 3 0 etable SMINi NMISC 2etable SMINj NMISC 4etable SMINi SMINj 0 3 0fini 3板梁组合结构计算示例板梁组合结构计算需考虑梁的偏置 当梁单元作为壳单元的加强部件时 梁单元与壳单元应共享一个节点 壳单元节点位于壳中面上 而梁单元的节点位于梁横截面形心处 因此 如果壳和梁共享节点 加强梁与壳将重叠 图3 1a 这与实际结构不符 所以必须将梁截面从节点位置处偏置 图3 1b 图3 1a 图3 1b 图3 2为一板梁组合结构 板架 考虑梁的偏置应用Beam188单元和Shell63单元计算板架的变形与应力 图3 2 板架承受均布载荷q 0 01N mm2本例 h L 1 20所以可用梁来模拟 计算要点 1 Beam188为线性2节点单元与Shell63 无中间节点 相匹配 2 考虑Beam188 189偏心影响用下面的方法 图3 3 梁的偏置应用下列命令 SECOFFST USER y zSECTYPE 1 Beam T Beam188SECOFFST USER 0 415SECDATA 100 415 10 8SECTYPE 2 Beam L Beam188SECOFFST USER 0 130SECDATA 80 130 8 8 图3 3 3 Beam188为一次形函数所以需划分足够多的单元 它与壳单元网格密度一致 4 定位点 取远点定位K 1000 4000 8e10 0 文件 Shell B188 datfini clear title shell63 beam188 prep7et 1 shell63r 1 10et 2 beam188 T8 400 10 100sectype 1 beam T 0secoffset user 0 415secdata 100 415 10 8 0 0 0 0 0 0et 3 beam188 L125 80 8sectype 2 beam L 0secoffset user 0 130secdata 80 130 8 8 0 0 0 0 0 0mp ex 1 2 1e5mp nuxy 1 0 3k 1 0 0 0 k 2 8000 0 0L 1 2 L1k 3 0 0 3000 k 4 500 0 3000 L 3 4 L2Lgen 16 2 500 0 0k 500 0 0 3000K 1000 4000 8e10 0NUMMRG KP LOWL 3 500adrag 2 3 4 5 6 7 18adrag 8 9 10 11 12 13 18adrag 14 15 16 17 18 FLST 2 16 4 ORDE 16FITEM 2 1FITEM 2 21FITEM 2 23FITEM 2 25FITEM 2 27FITEM 2 29FITEM 2 31FITEM 2 34FITEM 2 36FITEM 2 38FITEM 2 40FITEM 2 42FITEM 2 44FITEM 2 47 FITEM 2 49FITEM 2 51LOVLAP P51XNUMCMP LINE PNUM KP 1 REPLOTElementtype 1real 1esize 500amesh all Lsel s 85 98Lsel a 53 54Latt 1 2 0 1000 1Lmash alllsel allFLST 5 15 4 ORDE 15FITEM 5 55FITEM 5 56FITEM 5 58FITEM 5 60FITEM 5 62FITEM 5 64FITEM 5 66 FITEM 5 68FITEM 5 69FITEM 5 71FITEM 5 73FITEM 5 75FITEM 5 77FITEM 5 79FITEM 5 81CM Y LINELSEL P51XCM Y1 LINECMSEL S YCMDELE YLREVERSE Y1 0CMDELE YI Lsel s 55 84Latt 1 0 1000 2Lmesh allallsel allNUMMRG NODE LOWNUMCMP NODEeplot solunsel s loc x 0nsel a loc x 8000d all allnsel s loc z 3000nsel a loc z 3000d all uy 0nsel allESEL S TYPE 1 REPLOTsf all pres 0 01allsel allsolve ESHAPE 1 0 VIEW 1 1 1 1eplotfini eof post1PLDISP 1esel s type 1 replotPLNSOL S EQV 0 1ESEL S TYPE 2 replotPLNSOL S X 0 1ESEL S TYPE 3 REPLOTPLNSOL S X 0 1 板的VonMises云图 纵桁的X方向云图 横梁的X方向云图 第二章舱段有限元分析各国船级社现行直接计算法都要求进行舱段有限元分析 并要求在舱段两端施加总纵弯矩与切力 这种模型实质上是一种简化的整船分析模型 图1 它相当于梁的初参数法 图1舱段计算模型 在舱段两端施加总纵弯矩与切力 1CCS散货船 油船直接计算指南有关规定1 结构模型化 1 模型范围取船中货舱区的1 2货舱 1个货舱 1 2货舱 以减少边界条件的影响 横向取船宽范围 如果结构和载荷对称于纵中剖面 可仅模型化船体的右舷 或左舷 垂向取型深范围 有限元网格 沿船体横向和垂向以纵骨间距为一个单元 沿船体纵向以肋位间距 或参照纵骨间距 为一个单元 沿主要构件 如横向框架 双层底纵桁 实肋板 横舱壁的垂向和横向桁材等 的腹板高度方向划分为三个单元 这一规定主要适用于大型货船 其构件腹板较高划分三个单元 对一般货船沿腹版高度方向划分的单元数由实际情况来定 网格尽量接近正方形 少用三角形单元 壳板 强框架 纵桁 舱壁桁材 肋板等的高腹板用4节点壳单元模拟 强框架 桁材 肋板等构件的面板用杆单元模拟纵骨 舱壁扶强材等用梁元模拟并考虑梁的偏置 肋板上的加强筋 肘板的面板等用杆单元 肋骨可以用板元或梁元 当肋骨腹板的高度与舷侧网格尺寸之比小于1 3时可用梁元 强框架 强肋骨以及桁材等构件视其腹板高度h与跨度L之比来决定采用板元或梁元 当h L 1 10则可用Timoshenko梁元离散 当h L 1 15时也可用Euler Bernolli梁离散 如不能满足梁的条件则采用板元 腹板 杆元 面板 离散 主要构件上的减轻孔 人孔等可以用等效板厚的壳元来代替这些开孔的影响 CCS集装箱船计算指南规定 一般强框架腹板及双层底肋板上的开孔可用删除对应位置的单元来表示 图1 1 这一规定更合理一些 对梁腹板上的开孔 可在梁剖面特性计算中扣除 图1 1 2 边界条件 图1 2 纵中剖面上节点 施加对称边界条件 坐标系见图1 2 Uy Rotx Rotz 端面约束 在端面形心处建立 刚性点 主节点 在端面 的刚性点约束 Ux Uy Uz Rotx Rotz 不能约束Roty 因为Roty上施加总纵弯矩ML 在端面B的刚性点约束 Uy Uz Rotx Rotz 不约束Roty 因施加弯矩MR 图1 2 边界条件施加表约束位置线位移约束角位移约束中纵剖面 约束 约束 约束端面A连接 连接 连接连接端面B连接 连接 连接连接刚性点A约束约束约束约束约束刚性点B 约束约束约束约束连接 面内相关点位移与独立点 主节点 连接 此边界条件利用端面建立的刚性区能方便的施加总纵弯曲力矩 由于对端面上的刚性点施加了上述约束 排除了刚体位移 这个边界条件存在的问题是不能施加切力NL和NR 因为它被刚性点在Z方向的约束平衡了 切力加不到结构上去 通过实船计算证明切力不能忽略 利用惯性释放方法在刚性点上不加约束 则可施加切力 而且能够像无刚体位移一样进行静力求解 3 计算载荷 舱内货物压力 舷外水压力 端面弯矩 加在两端刚性点上 因计算模型取半边 弯矩取一半 计算载荷中还应包括空船舱段重量 即不计自重是不合理的 2CCS集装箱船舱段直接计算指南的有关规定模型化要求与散装货船规定基本一致 但计算方法和边界条件规定不一致 集装箱船舱段计算目的主要校核局部强度 但对双层底纵桁 内底板和外底板还要考虑船体梁受到总纵弯矩产生的应力 与局部载荷产生的沿船长方向的应力合成的强度校核 这种做法相当于 1 2的强度校核而散货船 油船的做法是一次将总纵弯曲与局部弯曲应力一起求出 构件中的应力已经是总纵应力与局部的合成应力 而不再做了 基于集装箱船的上述算法 其舱段计算分两种情况 局部强度计算模型 a 边界条件 图2 1 中纵剖面约束条件 计算半个剖面取对称边界条件 坐标系见图2 1 图2 1 模型端面A和B内所有节点的约束 端面A Ux 0 Roty 0 Rotz 0端面B Roty 0 Rotz 0 为消除刚体位移 在端面A B的顶点K L处施加垂向线位移边界条件 在交线LH KG上的其余节点施加两组垂向力 以减少支点处由约束产生的应力集中 此垂向力的总和等于整个模型受到货载与舷外水压力之和 方向相反 矢量和 b 计算载荷 空船重量 货物载荷 舷外水压力 2 船体梁总纵弯曲应力计算模型计算总纵弯矩引起的舱段纵向构件的纵向应力 仍然用上述舱段的有限元模型 但边界条件与上述局部强度计算模型的边界条件不同 a 边界条件与散货船舱段计算类似 在中纵剖面 对称面 各节点上施加对称边界条件 在端面A和B的形心 全剖面的形心点 上建立刚性点D 主节点 A B面上的其它节点为从节点 在A B面的刚性点D上施加如下约束 端面A上D点端面B上D点Ux 0 Uy 0 uz 0Uy 0 Uz 0Rotx 0 Rotz 0Rotx 0 Rotz 0注意 两端面的刚性点D都不约束Roty 以便施加总纵弯矩 取一半 端面A B的从节点与刚性点D的连接约束条件是 Ux连接Roty连接Rotz连接但Uz未规定连接 这与散货船的边界条件不同 为消除刚体位移规定 在端面内中和轴与舷侧外板相交F点 沿垂向施加Uz 0约束实际上船体梁总纵弯矩应力计算模型的边界条件可与散货船的边界条件完全一样 不需要在F点上再加约束 只要使从节点与主节点Uz连接即可 并规定主节点Uz 0 b 计算载荷 静水弯矩 波浪弯矩 按 钢质海船入级与建造规范 第2篇第2章规定计算 在端面A和B的刚性点D上施一半弯矩 因计算半边模型 3施加舷外水压力的方法施加舷外水压力是很费时的工作 因为需要在船体外表面的各单元上施加线性变化的水压力载荷 如果手工作业需每个单元逐一加载 而且载荷大小是变化的 利用ANSYS的APDL语言编写一个加载程序 命令流 则可自动加载 图3 1所示船体表面上施加波浪载荷 波面高度为d 图3 1 首先选择要加载的单元 为此 在建模时将船体外表面用一种单元类型来定义 以方便选取外表面单元et 1 shell63 船体外表面et 2 shell63 内底板et 3 shell63 甲板板 Esel S Type 1 选择外表面单元 图3 1 再用鼠标拾取吃水d以下的所有单元 图3 2UtilityMenu Select Entities 选ElementByNum Pick Reselect OK 将船体外表面单元用正视图显示 图3 2 在拾取菜单中选 Box 用鼠标拉出矩形 选择舷外水压力作用的所有单元 图3 2 4计算剖面形心为定义舱段两端面的刚性点需找到剖面形心位置 例如下例大开口舱段的质心坐标如下 输入Dens 7 85e 9t mm3TotalMass 101 17tCenterofMassXc 0 44669e 13mmYc 2032 9mmZc 9603 7mmMon ofInertiaaboutOriginIxx 0 1315e 11Iyy 0 1462e 11Izz 0 3057e 10Ixy 0 5885e 07Iyz 0 1975e 10Izx 0 7357e 07 应该指出 上面介绍的CCS关于舱段计算的有限元模型规定适用于船长L 190m的大型货船及B 32 2m的大型集装箱船 对于一般尺度的船舶舱段计算模型可参照上述规定而不需要照搬规定 只要建模 分网 边界条件 加载合理 符合实际情况即可 下面给出一个大开口船舶舱段计算示例 它的边界条件按CCS散货船的方法施加 7500DWT成品油轮货舱舱段结构强度计算 7500DWT成品油轮航行于远洋无限航区 装载燃油 采用双底 双壳 单甲板 纵骨架式结构 设置一道纵舱壁 船舶主尺度如下 总长LOA124 34m结构吃水ds7 80m两柱间长LBP115 20m压载吃水db5 154m型宽B16 80m纵骨间距S0 65m型深D9 20m肋距0 65m 二 有限元计算模型1 取中部货油舱 76 96进行分析 为了减少边界条件影响 计算范围在货油舱的前 后各加1 2舱段 即计算范围从 66 106 采用三维有限元模型进行分析 坐标系 X正方向向左舷 Y向上 Z沿船长方向 右手法则 由于结构和载荷不对称于中纵剖面 故模型化左 右整个舱段结构 按 计算指南 6 2 3规定进行有限元网格划分 沿船体纵向按肋距划分 沿船体横向按纵骨间距划分 船底板 内底板 船侧板 内舷板 甲板板 平台板 纵横舱壁板及纵桁材等高腹板用Shell63单元离散 纵桁材面板及开口加强材等用Link8单元离散 纵骨 舱壁扶强材等用Beam188单元离散 共划分成13121个节点 19328个单元 有78726个自由度 有限元离散图见图1 实肋上开孔按CCS 集装箱船结构直接计算指南 2004 的规定 用删除开孔区单元的办法处理 2 边界条件按 计算指南 6 3规定 在模型端面 66和 106的纵中剖面各节点上施加UZ 0 UX 0 ROTX 0和ROTY 0 为排除刚体位移 在横舱壁与船侧交线顶点垂向位移UY 0 并沿横舱壁与舷侧板交线各节点上施加垂向力以减小支点处的应力集中 边界条件 见图1 三 计算工况按 计算指南 6 4 有1道水密纵舱壁的油船取如下7种工况进行计算 图2 计算载荷按 计算指南 6 5规定公式计算各工况的计算载荷 下面对工况2的载荷分布做详细计算 其余各工况载荷计算同工况2 将计算结果汇总在表1中 四 工况2 载荷分布如图3所示 1 货舱内液货压力kN m2式中 液货密度 不小于0 85t m3 实取 0 85t m3 h 舱顶到计算点的垂直距离 对内底板h D hb 9 2 1 2 8 0m 内底处Pi 0 859 18 8 0 2 5 87 554kN m2 87 55410 3N mm2 2 舷外水压力基线处 PB 10ds 1 5CwkN m2式中 Cw 10 75 1 5当90m L 300m时 10 75 1 5 8 238PB 107 8 1 58 238 90 36kN m2 90 3610 3N mm2水线处 PW 3CW 38 238 24 714kN m2 24 71410 3N mm2P0 Cw 0 67 D ds 8 238 0 67 9 2 7 8 7 3kN m2舷侧顶端处 Ps 3P0 37 3 21 9kN m2 21 910 3N mm2甲板上水压力 Pd 2 4P0 2 47 3 17 52kN m2 17 5210 3N mm2舷侧 内舷和纵舱壁 横舱壁上的水压力按线性分布 舱段载荷分布 许用应力 计算指南 6 6 3 110N mm2 船长方向正应力 175N mm2 VonMises应力 145N mm2 横向正应力 93N mm2 剪应力 本船货舱区主要构件 纵向 横向 的强度满足 计算指南 规定的许用应力 第三章全船有限元分析 1全船有限元分析的目的 1 评估船舶总体强度 2 为局部结构细化应力分析提供边界条件 如 机舱前端甲板开口角隅的详细应力分析 包括舱口围板的上甲板开口角隅的详细应力分析对局部结构非常规布置区域的详细分析提供边界条件总体强度分析后 从整体结构中取出需要细化部分的结构 用细网格进行有限元二次解析 这是一种经济的分析技术 细化部分结构的边界条件为整体分析时得到的边界上的节点位移 在ANSYS程序中利用子模型方法二次解析是非常方便的 全船分析的计算结果 主要构件应力数值结果 变形的数据结果 结构变形图及纵向应力与VonMises应力云图 2有限元计算模型1 有限元模型范围全船三维有限元模型包括整个船长 船宽范围的船体结构 包括左右舷结构在内船体舯段 首尾结构 机舱 上层建筑内所有有效的纵向受力构件 甲板结构 舷侧及纵舱壁结构 双层底结构 模型中还包括横向主要结构 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 对于结构及载荷为左右对称时 整船模型可只计入左舷 或右舷 并在中纵剖面施加左右对称条件 对于大开口船舶需要考虑扭转时应取整船模型计算 2 单元模型根据结构实际受力状态将模型中的各类结构按建造厚度离散为下列几种类型 壳元 四节点和三节点元 甲板 舷侧外板及船底板 内底板 船底纵桁 纵舱壁及横舱壁 肋板 边舱腹板 舷侧纵桁等 梁元纵桁 横梁及水密舱壁扶强材等 杆元支柱 强构件的面板等 纵桁 强框架等用壳元还是用梁元依据h L 1 10来决定 h L 1 10可用Beam188单元离散 而不需用壳元离散 可减少节点数目 3 单元网格尺寸控制 纵向 双层底肋板间距为一个单元 横向 纵桁间距为一个单元 垂向 垂向桁材或甲板间距为一个单元 整船有限元分析时 网格尺寸取强构件间距 这比舱段分析取骨材间距要大 否则整船分析规模太大 在船中部区域单元的长宽比大致可控制在1 3 其它部位大致可控制在1 2 4 板材上的小骨材可以合并归入板单元网格边界 化为等效梁元 其截面积为合并的骨材面积之和 其剖面特性应计入等效梁与板连接的偏置 图2 1给出一典型集装箱船全船有限元模型 图2 1一典型集装箱船全船结构有限元模型 5 边界条件见图2 2CCS集装箱船结构强度直接计算指南 2003 规定整体分析的边界条件如下 在尾端节点1 Uy 0尾封板距中纵剖面距离相等的左 节点3 右 节点4 约束 Uz 0首端节点2约束 Ux Uy Uz 0 图2 2 上述边界条件约束了船舶在空间的6个自由度 即排除了刚体位移 所以可以进行总纵弯曲变形与应力计算 对于大开口集装箱船 在斜浪中同时发生弯曲与扭转变形 并伴随有水平位移 此边界条件限制了船体扭转与水平位移 所以对集装箱船弯扭计算是不妥的 如果将边界条件改为图2 3所示约束 在首端舱壁剖面扭心处施加约束 则可不约束船体扭转和伴随的水平位移 又可计算弯曲变形 比图2 2所示边界条件好 图2 3船舶弯扭计算