船体结构有限元分析专题.ppt

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/L1/15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/L1/10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/L1/10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/LEntities选ElementByNum/PickReselect【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L190m的大型货船及B32.2m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=Dhb=9.21.2=8.0m。内底处Pi=0.859.18(8.0+2.5)=87.554kN/m2=87.554103N/mm2。2、舷外水压力基线处：PB=10ds+1.5CwkN/m2式中:：Cw=10.75()1.5当90mL300m时=10.75（）1.58.238PB=107.8+1.58.238=90.36kN/m2=90.36103N/mm2水线处：PW=3CW=38.238=24.714kN/m2=24.714103N/mm2P0=Cw0.67(D-ds)=8.2380.67(9.2-7.8)=7.3kN/m2舷侧顶端处：Ps=3P0=37.3=21.9kN/m2=21.9103N/mm2甲板上水压力:Pd=2.4P0=2.47.3=17.52kN/m2=17.52103N/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/L1/10来决定。h/L1/10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船舶弯扭计算边界条件,船舶是漂浮在水中的自由体，在重力，浮力及惯性力作用下处于平衡状态，施加任何约束都会影响其变形状态，上述边界条件是为排除刚体位移施加的。,6.载荷可分为以下几类：(1)空船重量，在有限元模型中，可将全船有限元模型沿纵向按空船重量分布曲线分成一系列区域，用控制不同的材料密度系数来实现。机器重量按其所处的区域以节点力的形式作用在对应的结构点上。其它一些次要的设备也归入到材料密度作用在不同的区域节点上。(2)舱内及甲板上的