矿砂船船体结构强度直接计算指南(初排稿)中

1、文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 . 中国船级社 矿砂船船体结构强度直接计算指南 2014 2014年 7 月 1日生效 北 京 Beijing 指导性文件 GUIDANCE NOTES GD 08 -2014 出版说明 为适应国际上当前大型矿砂船的开发和设计的需要 ,配合国家开展大型矿砂船 船型开发 研究的计划 , 由原国防科工委立项 , 经造船工程学会委托 , 中国船级社在 2009 年基于我社钢 质海船入级规范 、 双舷侧散货船结构强度直接计算指 南 、 油船结构直接计算分析指南 、 船体结构疲劳强度指南等规范及指 南的基础上研究编写了大型矿砂船结构强

2、度直接计算指 导性文件。 近几年来, 根据多型矿砂船的审图、 入级反馈 , 我社重新修订了该指导性文件 形成了矿 砂船船体结构强度直接计算指南 2014 稿。 本指南的主要内容包括 : 1 规定了指南的适用范围、船型定义、符号 ; 2 整船直接计算的建模要求、工况定义、载荷计算及应力衡准 ; 3 舱段直接计算的建模要求、工况定义、载荷计算及应力衡准 ; 4细化网格详细应力评估的部位、建模要求、许用应力 5 疲劳强度评估的部位、计算方法及衡准 ; 6晃荡载荷要求下的压力计算、结构强度评估。 目录 第 1 章 总则 1.1 一般规定 1.2 定义 1.3 构件尺寸 第 2 章 货舱区域结构强度直接

3、计算 2.1 一般规定 2.2 结构有限元建模 2.3 屈服强度评估 2.4 屈曲强度评估 2.5 详细应力评估 第 3 章 整船结构强度直接计算 3.1 一般规定 3.2 结构有限元建模 3.3 工况及载荷 3.4 惯性平衡及边界条件 3.5 应力衡准 第 4 章 疲劳强度评估 4.1 一般要求 4.2 有限元建模 4.3 工况与载荷 4.4 疲劳强度评估方法 4.5 主要构件应力评估 4.6 舱口角隅的应力评估 附录 1 矿砂船波浪载荷计算规程 第 1 章 总 则 1.1 一般规定 1.1.1 本指南适用于船长 150米及以上 ,整个货舱区域内通常建有单甲板、两道 纵向舱 壁和双层底、 仅

4、有中间货舱主要用于运输矿砂货物的无限航区、 自航式矿 砂船船体结构强度 直接计算评估。矿砂船典型横剖面图见 图 1.1.1 矿砂船典型横剖面 1.1.3 直接计算可采用适用的通用程序 ,如使用非通用程序时 ,送审单位还应提供 所采 用的计算机程序可靠性说明的文件。 1.1.4 送审的直接计算技术文件应包括 : (1 所使用的图纸清单 ; (2 结构有限元模型的详细描述 ; (3 结构模型和相关属性图形 ; (4 所使用的材料特性详细情况 ; (5 边界条件的详细描述 ; (6 所施加的载荷的详细情况 ; (7 描述与载荷有关的结构模型的响应的图形和结果 ; (8 总体和局部变形的归纳与图形 ;

5、 (9描述所有构件的 von Mises 应力,各方向应力和剪应力不超过强度标准的汇总 和 详图 ; (10 板格的屈曲分析和结果 ; (11 显示满足或不满足强度标准的结果表格输出 ; (12必要时 ,对结构的建议修改方案 ,包括修改后的应力评估和屈曲特性。 1.2 定义 1.2.1 单位制定义 质量:吨(t ; 长度:米 (m; 时间:秒 (s; 力:牛顿(N或千牛顿(kN; 应力:牛顿 /毫米 2(N/mm2 ; 压力:千牛 /米 2(kN/m2 。 1.2.2 符号规定 L 船长, m ;与 CCS 钢质海船入级规范 (以下简称钢规 第 2篇第 1 章第 1 节的定义相同 ; B 船宽

6、, m ;与钢规第 2篇第 1章第 1节的定义相同 ; D 型深, m ;与钢规第 2篇第 1章第 1节的定义相同 ; d 吃水, m ;与钢规第 2篇第 1章第 1节的定义相同 ; C B 方形系数 ;与钢规第 2篇第 1章第 1 节的定义相同 ; V 结构吃水下最大设计航速 , kn ; g 重力加速度 , g=9.81m/s2; C w 波浪系数 ; P海水密度,p =1.025t/m3; (T e on Mises 应力(N/mm2 , c e =2xy y x 2y 2x 3 tq + (T x 元x方向的应力(N/mm2 ; q y 单元 y 方向的应力 (N/mm2 ; txy

7、单元 xy 平面的剪应力 (N/mm2 ; q l 船体梁纵向的应力 (N/mm2 ; qa 梁单元轴向应力 (N/mm2 ; q w 船体梁横向或垂向的应力 (N/mm2 ; t 腹板总深度的平均剪应力(N/mm2 ; K 材料换算系数 ,见钢规第 2篇第 1 章第 5节; E 材料弹性模量。对钢材,E = 2.06 105 N/mm2; V材料泊松比。对钢材,V = 0.3 1.3 构件尺寸 1.3.1 除另有规定外 ,本指南直接计算中的构件尺寸指的是建造尺寸。 第 2 章 货舱区域结构强度直接计算 2.1 一般规定 2.1.1 对于船长在 1 50米及以上的矿砂船 ,应基于三维有限元分析

8、进行货舱区主 要构件 的直接强度评估。 2.1.2 舱段区域结构强度有限元直接计算分析按以下要求进行 : (1 结构有限元模型的生成按照本章 2 . 2要求进行 ; (2屈服强度直接计算分析按照本章 2.3要求进行 ; (3屈曲强度直接计算分析按照本章 2 . 4要求进行 ; (4详细应力分析按照本章 2.5要求进行; 图 2.1.3 舱段有限元直接计算流程 2.2 结构有限元建模 2.2.1 一般要求 屈曲强度、 详细应力评估以及用于疲劳分析的热 点应力评估的三维有限元模型应按照本节要求进行。 , 包括 :外壳和内壳、 双层底肋板和桁材系 统、 横框架和垂直桁材、 水平纵桁 以及横舱壁和纵舱

9、壁。 这些构件上的所有板和扶强材均应 建模。 用于屈服强度、屈曲强度、详细应力评估直接计算的舱段有限元模型,应选取 货舱区以目标舱为中心 ,艏艉各延伸 1/2货舱长,即 1/2个货舱+1个货舱+1/2个货舱, 见 图 , 见图 , 包括舱口围板结构。 如舱段结构与计算载荷对称与纵中剖面 , 模型可 取左舷 , 即横向为船体 型宽的一半。评估目标舱为中间舱段包括前后舱壁、凳结构 区域。 图 图 舱段有限元模型 用于疲劳强度的热点应力评估的有限元模型 ,应选取货舱区以目标舱为中心的 三舱段全宽模型 ,且端部需根据实际结构包括完整的舱壁、凳结构 ,见图 图 舱段有限元全宽模型 x 沿船长方向 , 向

10、首为正 ; y 沿横向 , 从纵中剖面向左舷为正 ; z 沿垂向 ,基线向上为正。 (1 承受侧向载荷的扶强材使用梁单元 ,不承受侧向载荷的扶强材可使用杆单 元。 (2船体的内外壳板、强框架、纵桁、肋板、平面舱壁桁材、肋骨等的高腹板 以及槽 型舱壁和壁凳用板单元模拟。 建模中应尽可能使用少使用三角形单元 , 特别 是高应力区域和 开孔周围、肘板连接处和折角连接处等应力梯度大的区域 ,应避免 使用三角形单元。 (3 板单元长宽比应不超过 3,在可能产生高应力或高应力梯度的 区域 ,板单元的长 宽比应尽可能接近 1。 , 以表示骨材之间的实际板 格 ,具体划分时应按照以下原则 : (1 船底板、舷

11、侧外板、甲板、纵舱壁、内底板 ,横向每相邻两个纵骨之间为一 个单 元,沿纵向 ,单元长度应不大于纵骨间距的两倍 ;对于边舱横舱壁、制荡舱壁 ,每 相邻垂直 扶强材之间为一个单元 ; 横框架、垂直桁材、 撑材和水平桁材上 , 每相邻 腹板加强筋之间为 一单元。 (2双层底纵桁和肋板、甲板强横梁、边舱强框架及其水平桁、边舱横撑材沿 腹板高 度至少划分 3个网格。 如果腹板高度较小 , 则可以划分两个网格 , 但在腹板 每两个相邻加强 筋之间至少为一个网格 ,且与相邻构件的网格匹配。 (3 边舱强框架的网格应描述强框架上开孔的实际形状 ;对主要支撑构件的大肘 板自 由边的曲率应准确描述 ,以避免由于

12、几何不连续导致不真实的高应力。 (4 槽形舱壁和壁凳应用壳单元建模 ,模型应包括壁凳隔板和壁凳板上的内部纵 向、 垂向加强筋 ,槽条面板、腹板的壳单元网格应遵循壁凳的骨材间距。 (5 以梁单元建模的骨材 ,应与实际结构位置匹配 ,弯曲中心或者剪切中心偏移方 向 与带板法线方向一致 , 并与板单元协调。 在前后端面中和轴与纵中剖面相交处各建一个独立点 ,端面各纵向构件节点自 由度与独立点相关。 , 应充分反应基于强度原因的加强 , 但对于船东的特 殊设计要求的尺寸或加强 不予考虑。 , 即 :弯曲板单元的中面应力。 梁单元采用 的是轴向应力。 2.5 进行详细应力评估的有限元模型中高应力区域的网

13、格细化应满足本 条要 求。 高应力区域细化分析模型使用以下两种方法 : (1细化区域可直接包含在整船分析的有限元模型中。 (2细化区域的详细应力可用单独的子模型分析。 (1细化区域的单元尺寸应为相应区域普通扶强材间距的四分之一左右或八分 之一左 右。 (2 单元的长宽比不超过 3, 四边形单元的角应尽可能为 90 ,或者在 45和 135 之间, 应尽量避免三角形单元的使用。 (3 细化网格区域内所有板材应以板单元表示 ,包括扶强材。 4 章要求进行疲劳分析的热点应力评估的有限元模型的热点区域精细网 格细 化应满足本条要求。 , 热点区域应采 用精细网格建模 , 见图 图 精细网格的整体舱段模

14、型的部分 , 单元长宽比应接近 1,过渡网格应从热点位置向外所有方向至少四分之一肋骨 范围。 图 精细网格过渡区域示意图 ,过渡区域如图 区域内所有构件 ,包括肘板、扶强材、纵骨、横框架面板凳 ,应 使用板单元建模。焊接的几 何形状不必建模。 ,按照建造厚度减去 0.5t c 求得。主要 构件腐蚀增量 t c 见表 船体主要构件腐蚀增量 表 注: (1 干散货舱上部对应于货舱高速的上三分之一区域。 9文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 . 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 . (2 纵舱壁为整体倾斜 ,则为内底向上 1/3区域。纵舱壁为上部

15、垂直下部倾斜 ,则 为下部倾斜区域。 2.3 屈服强度评估 ，多港口 1(MP1、多港口 2(MP2、多港口 3(MP3、多港口 4(MP4、多港口 5(MP5、多港口 6(MP6可不校核。 , 还应考虑装载手册中其他特殊装载工况。 对于拟取得 EL100 附加标志的船舶 ,应补充下述快速装载过程中的港内 工况; 如快速装载手册中存在更为严重的其它装载工况 , 也应进行结构强度直接计算。 屈 服强度计算工况 表 注: T SC :结构吃水 ; T NB :正常压载吃水 ; T HB :重压载吃水。压载吃水以该压载 工况船中最大吃水为准。M SW,S :中垂许用静水弯矩 ; M SW,H :中拱

16、许用静水弯矩 M SW,P,S :中垂许用港内静水弯矩 ; M SW,P,H :中拱 许用港内静水弯矩 M Full :均匀装载工况下 ,货舱内货物去虚拟密度 (载货量 /舱容,最小取 1.0t/m3 装至舱口围顶部时 的载货量 , t ; M H : 最大吃水时 ,均匀装载下货舱内实际载货量 , t 。 重货密度按装载手册中最大货物密度取值。 EL100 标志,应计算港内 3-8 工况。 如边舱中存在永久性的空舱 ,在计算中作为空舱处理。 (1 满载工况 舷外水压力由静水压力和波浪水动压力两部分组成 在基线处 : w b C d P 5. 110+= kN/m2 在水线处 : w w C P

17、 3= kN/m2 在舷侧顶端处 : 03P P s = kN/m2 甲板上的水动压力 : 04. 2P P d = kN/m2 式中: (67. 00d D C P w -= 300m L 90m 100300(75. 105. 1 *L C w 350m L 300m 75. 10 = 500m L 350m 150350(75. 10 5. 1 -=L (2 其他状态 在基线处 : a b d P 10= kN/m2 在水线处 : 0. 0=w P kN/m2 , 舷侧其他部位的舷 式中: d a 对应装载工况下的实际吃水 , m 。 上述给出了基线、 水线、 舷侧顶端处的水动压力计算公

18、式 外水压力 按线性插值确定。 (1 矿砂产生的压力按下式计算 11 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 . 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 . d b b c i h k C a P 35. 01(100 += p kN/m2 式中: c p 货物密度, t/m3; 067. 0 100300(75. 103 5. 10L V L L a +-= (90m L 300 m 2. 025. 321 L V L += (300m L 500 m aSa 222cos 5. 045(tan s=o b k a 板与水平面之间的夹角(如,舱壁、

19、舷侧板为90o，内底板为0o ; S 货物的休止角(矿石为35o ; ,船长方 h d 计算点至货物顶面的垂直距离 , m 。货物顶面的横向形状如图 向 认为是均匀分布的。 货物顶面 ,沿纵向均布 ;沿横向,为抛物线方程 : 1(22 b s y h z s -? = b =B 1/2, B 1为抛物线顶面与舱壁相交处连线宽度 (S =35o 抛物线部分的面积为A = S tan 322 b z h h z h db s d -+=0 式中: h d 货物顶面至计算点的距离 , m ; z s 货物顶面至连线的距离 , m ; h db 双层底高度 , m ; z 计算点的垂向坐标 , 从基线

20、量起 , m ; h 0 应根据该舱的载货量、货物密度以及横剖面形状计算 图 货物顶面形状 (2 液体压力 压载舱内液体产生的压力通过下式确定 : 0(2.5 P g h p =+ kN/m2 式中: p 0舱内液货的密度 ,不小于 1.025t/m3; h 舱顶到计算点的垂直距离 , m 。 端面弯矩施加在模型前后端面的独立点上 ,按照下式计算 : r w s M M M M -+= 式中: M s 静水弯矩 ,取许用静水弯矩 ,当采用半宽模型时 ,取 1/2 值; M w 波浪弯矩,按 (1计算,当采用半宽模型时 ,取 1/2值; M r 局部载荷产生的附加弯矩 ,按 (2计算; (1船体

21、梁各横剖面的中拱波浪弯矩 (+ 和中垂波浪弯矩 (- 应按下列公式计算 W M (+=1902 M w B F C L BC 310 W M (-=-1102M w F C L B (B C +0.7 3 X 10 式中: F M 弯矩分布系数 ,见图 F FE AE 图 弯矩分布系数 L 规范船长 , m ; B 船宽, m ; C B 方形系数 ,但计算取值不小于 0.60; 15 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 . 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 . C w 系数 , 按 (2弯矩 M r 是由于局部载荷引起的附加弯矩 ,按以下

22、方法计算。 (a当如图L 1L 20.5L时 记中间舱段模型的线性均布压力为 Q m , 两端舱段的线性均布压力为 Q e , 沿 Z 轴正向为 正 : m mcagro b m L W b P Q /-? = e ecagro b e L W b P Q /?- = 式中: P b 船底外压 ,见 , kN/m2; W mcargo 中间货舱的货物重量 (含压载水的重量 ,当采用半宽模型时 ,取舱 内总重 量的一半 , kN ; 第 13页 W ecargo 端部货舱的货物重量 (含压载水的重量 ,当采用半宽模型时 ,取舱 内总重 量的一半 , kN ; L e 与 W ecargo 对应的

23、端部货舱长度 , m ; L m 中间货舱长度 , m ; L 0 段模型的总长度 , m ; b 模型的宽度,当采用半宽模型时等于 B/2, B 为型宽, m ; 321323L Q L Q M e m r ?+? = kN m （b当如图L 1工L 2工0.5L时i ,可用梁弯曲理论进行计算,压力采用（a中建议 的值 , M r 取模型中目标舱区域中拱时最大值或中垂时最小值。 。 2.3.4 边界条件 如果载荷左右对称 , 则纵中剖面内节点的横向线位移为 0, 绕纵中剖面内两个坐 标轴的角位移为0,即：S y = 0 x = 0;z = 如果载荷左右反对称 ,则纵中剖面内节点沿纵中剖面内两

24、个坐标轴方向的线位 移为0,绕垂直于纵中剖面的坐标轴的角位移为0,即：S x = S z = 0 y =0; 端面约束：一端独立点约束S x , S y , S z，另一端独立点纟勺束S y , S z , 0 z如表； 图 端面约束 边界条件施加表 （载荷对称半宽模型 表 注： cons. 表示对应的位移约束 ; Link 面内相关点位移与独立点连接 ; BM 端面所受的总体弯矩。 采用全宽模型 ,无纵中剖面约束 ,在表 ,端面 A 、 B 须关联 y 位移。 2.3.5 许用 应力 对应于标准工况主要构件的应力一般不超过表 对于舱壁 ,槽型端部的应力可以通过舱壁板内的平均应力外推得到。 平

25、均剪应力T系指主要构件的腹板深度范围内的平均剪应力。 对于应力集中和形状很差的单元应力可以不采纳。 最大许用应力 表 第 14 页 2.4 屈曲强度评估 采用有限元方法评估货舱区主要构件的平板屈曲强度应按照本节要求进行。 屈曲强度评估有限元模型按照本章 2.2节要求进行 , 计算工况与载荷按照 2.3节 屈 服强度要求进行。 货舱区主要构件下列区域在进行屈曲强度评估是应引起注意 : (1 双层底肋板 ,特别在舱段中间部位 (2双层底纵桁和舷侧纵桁 ,特别是 : 临近舱壁或凳的舱的两端 从舱壁或底凳算起的第一个开孔板 在舱中部 (3顶舱,甲板和舷侧内外板 (4船底板和内底板 ,特别是: 临近舱壁

26、或凳的舱的两端 舱中部 (5舱壁和凳板 ,特别是 : 17 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 . 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 . 在跨中和邻近凳的部位 凳的外侧板 ，所必需的最小屈曲安全系数入如表 第 15页 入表 标准减缩厚度 ,用来计算临界屈曲应力 表平板屈曲所需要的安全因子 2.4.2 计算方法 2.2节结构建模要求 ,网格按照基本网格建模。 2.3节要求进行。 ,一般情况下板内的中面应力用来计算屈曲计算。 ,按以下要求进行 ： (1由有限元计算得到的应力 ,按表 (T A =(T t /-t r 式中： (T A曲计算中的工

27、作应力； (T由有限元计算得到的应力； t 有限元计算中所使用的原始板厚值 ； t r 表 (2临界屈曲应力及弹塑性修正 短边受压板格弹性临界屈曲应力(T xcr_(定义如下： 第 16 页 第 17页 22_12( 12(1 xcr e x E t k C s no -N/mm2 式中： k x 短边受压屈曲系数 ,见表 ; C 1 边界约束系数 ,见表 ,同时还应考虑以下情况 ： C =1.3,由肋板或高腹板梁扶强的板格 ; C =1.21,加强筋是角钢或 T 型材 ; C =1.10,加强筋是球扁钢 ; C =1.05,加强筋是扁钢 ; t 板格厚度 , mm ; 定义为板 s 板格的短

28、边长度 , mm 。取纵骨、加强筋或扶强材间距 ; x 格长边轴向。 板格屈曲系数 表 第 18 页 3232 l sls 板格边界约束系数 C 1、 C 2 表 长边受压板格弹性临界屈曲应力o ycr_(定义如下： 22 21文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑. 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 . _22 ( 12(1 ycr e y E t k C s no -N/mm2 式中： k y 长边受压屈曲系数 , 按表 C 2 边界约束系数 ,按表 ; y 定义为 板格短边轴向。 其余符号同 受剪切板格弹性临界屈曲应力t cr_定义如下： 22

29、 _22 ( 12(1 ycr e y E t k C s nT -vN/mm2 式中： 第 19 页 2 434. 5l s k t (+= 其余符号同、。 应对板格的临界弹性屈曲应力进行修正 ,弹塑性修正公式如下 ： _(_ (_ ( _(_ (_ 2 (1 42 eH xcr e xcr e ycr e ycr e xcr eH eH yer eH xcr e xcr e yer e yer e R R R Rccc CT (? ? ? 当当 ? ? - (T ycr_e t cr_e别为板格在单轴应力作用下的 X轴、丫轴的弹 性临界屈曲压应力 和临界屈曲剪应力，见、；R eH 材料屈服

30、强度, N/mm2; t S 3 S Ob (3屈曲强度校核 按表入应不小于表。 ox o y、t xy在计算时取绝对值计入。若 X轴、丫轴的工作应力为拉应 力时 ,该应力 分量取为零。 入计算值表 第 20 页 式中: xcr x yer y 1 cccc二 k , xcr x er xy 2 (ttt = k , yer y er xy 3(ttt = k 注: (Tx (T y、t xy分别为板格中板单元所受的 X轴、丫轴的工作压应力和剪 应力。 (Txer (Tyer、t e分别为板格在单轴应力作用下的 X轴、丫轴的弹塑性修 正后的临界屈曲压 应力和临界屈曲剪应力。 2.5 详细应力评

31、估 2.5.1 一般要求 (1 规定的部位应进行细化网格有限元分析 (2 规定的部位 ,如果在舱段模型分析中相当应力超出 90%许用应力时 ,则应进行 细 化网格有限元分析。细化的部位为 : (a 纵舱壁与内底板相交处 ; (b 纵舱壁折角处 ; (c 纵舱壁与甲板相交处 ; (d 槽型横 舱壁与底凳相交处 ; (e 底凳与内底相交处 ; (f 舱口角隅处 ; (g 平面横舱壁水平桁的趾端 ; (h 平面横舱壁垂直扶强材与甲板纵骨、外底纵骨相交处 ; (i 高应力区域开孔 处。 2.5.3 有限元模型 2.2节要求进行 ,细化网格模型应满足 , 子模型的最小范围是 :子模型的边界对 应于相邻主

32、要支 撑构件所在的位置。 2.5.2 (2中 e h 部位,如果细化网格尺寸不足以模拟结构细部 ,则可采用 更小的 网格尺寸。 2.5.4 细化网格强度标准 1/4 骨材间距时 ,以粗网格应力衡准的 1.2 倍为许用应力。 当按 , 单元相当的 区域中所包含的所有单元的平均应力。 第 3 章 整船结构强度直接计算 3.1 一般规定 3.1.1 对于船长在 350米及以上的矿砂船 ,应进行整船结构强度直接计算。对于 船长在 300米及以上的矿砂船 , 一般应采用整船结构直接计算方法对其货舱区主要 结构的强度进行 评估。 3.1.2 对拟采用直接计算法进行整船主要结构总体强度 (不包括扭转强度评估

33、的 矿砂 船 ,其计算模型、载荷工况及载荷计算、强度衡准可按本指南的规定。 图 3.1.3 整船结构直接计算流程图 第 21 页 3.2 结构有限元建模 3.2.1 有限元模型范围 整船三维有限元模型应覆盖整个船长、 船宽范围的船体结构 , 包括所有的船体 主要构件 , 如甲板结构、舷侧结构、双层底结构、横舱壁、内壳纵舱壁、艏艉结构 等 ;机舱内主机、上 层建筑、尾轴等可以作适当简化处理 ;小肘板、小开口或开孔可 忽略。 典型矿砂船整船有限 元模型如图 3.2.2 坐标系 整船模型的总体坐标系采用右手直角坐标系 , 原点设在目标船纵中剖面内尾垂 线和基线 相交处 : x 轴 : 纵向轴 ,从船

34、艉指向船艏为正 ; y 轴:横向轴 ,从中心线向左舷为正 ; z 轴 :垂向轴 , 从基线向上为正。 图 典型矿砂船整船有限元模型 , 可采用集中质量单元建 模。轴向受拉压作用的支柱可采用杆单元建模。 ,应符合以下 要求 : (1 货舱以外区域 ,若采用横骨架式的甲板、平台、外板 ,以相邻两个横骨之间为 一 个网格 , 宽度方向不能大于两个横骨间距 , 并且与相邻构件网格协调 ; 其他主要构 件板单元 的网格划分 ,参照货舱区网格划分方法 , 以骨材、 加强筋的实际位置作为 网格划分依据 ,对 构件连接区域、型线变化大的区域 ,可适当进行局部调整。 (2 艏尖舱、艉尖舱及机舱 ,以简化或等效处

35、理方式建模 ,须满足计算精度要求。 并 且考虑剪切工况中最大剪力位置出现在艏艉区域时 , 须保证该区域网格与货舱区 具有相同的 精度。 第 22 页 95%时 , 则应予 以细化网格分析 : (1 应力最大的横向主要支撑构件 :双层底、边舱、纵舱壁 ; (2 横舱壁及相关底凳 :槽条与底凳的连接部分应力最大处、底凳与内底的连接 部应 力最大处 ; (3 内底与斜纵舱壁的连接部应力最大处 :内底、斜纵舱壁、肋板、纵桁 ; (4应力最大的舱口角隅处的甲板。 细化分析模型可采用 3.2.5 空船重量、重心调整 整船模型以舱段进行属性定义 , 保证整船质量分布应与船舶静水浮态相匹配。 总重力与 总浮力

36、的误差不超过排水量的 0.0001 倍。 且质心与浮心的纵坐标误差不 大于 0.0025L , 横向 坐标误差不大于 0.001B 。 (1 对于舾装、建模引起的差异 ,可以通过修改材料密度进行调整 ; (2对于大型设备 ,如主机等 ,可采用虚拟梁单元或集中质量单元等方法进行调 整。 3.3工况及载荷 3.3.1 每一计算工况由装载工况和波浪载荷工况组成。一般应计算的装载工况 见表 3.3.1,如有隔舱装载、多港等工况 ,也应考虑作为计算工况。 作为装载工况。 27文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 . 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 .

37、 3.3.3 在上述装载工况基础上叠加相应的波浪载荷工况见表 采用波浪载荷预报 直 接计算程序计算波浪载荷 ( 参见附录 1 ,主要控制参数应为垂向波浪弯矩、垂向波 浪剪力, 概率水平一般取 10-8。 矿砂船的载荷包括外部水压力、 货舱内货物载荷和液舱内部的载荷。 各载荷 分量计算如 下。 外部水压力包括外部静水压力和波浪水动压力。 (1 外部静水压力 ( S S LC p g T z - p = 式中: p S水密度，取 1.025 t/m3; g 重力加速度 ,取 9.81 m/s2; T LC 所考虑装载工况下的吃水 , m ; z 载荷点的垂向坐标 , m ,且应不大于 T LC ,

38、见图 图 舷外海水静压力 按计算工况的吃水 ,作用在船体外部湿表面。 (2波浪水动压力 用波浪载荷直接计算方法求得湿表面单元上的波动压力 , 施加于船体外壳单元 上 (参见 附录 1 。 货舱内矿砂载荷包括由矿砂引起的静压力、惯性压力和剪切载荷。 (1 矿砂引 起的静压力 货舱内矿砂的静压力由下式计算 (CS C C C DB p gK h h z - p =+ (2矿砂引起的惯性力 货舱内矿砂由于船体运动产生的惯性力 ,由下式计算 : (C X G Y G C Z C DB p a x x a y y K a h h z -+-+-? ? ?p?= (3矿砂引起的剪切载荷 静水中矿砂由于重力

39、引起的剪切载荷P CS-S向下至内底板为正值,kN/m2,由 下式得 出: (sin cos sin CS S C C DB P g h h z -=+- paa 波浪中矿砂由于垂向加速度引起的剪切载荷 P CW-S-V (向下至内底板为正值 , kN/m2, 由下式得出 : (si n cos sin CW S V C Z C DB P a h h zp=+-aa 波浪中矿砂由于纵向加速度引起的剪切载荷P CW-S-L (向前为正值,kN/m2,由 下式得 出: (0.75cos 0.75C X C DB CW S L C X C DB a h h z P a h h z -+-? a=?

40、+-? 货舱内纵向构件 货舱内横向构件 波浪中矿砂由于横向加速度引起的剪切载荷P CW-S-T (上风 舷为正值,kN/m2,由下式 得出： (Y Y C C DB CW S T C C DB a h h z P a h h z-+-?a=?+-? 货舱内纵向 构件 货舱内横向构件 式中: p c 砂密度,t/m3; g重力加速度，取 9.81 m/s2; ( aa 22sin s-n 1cos +=C K a板与水平面之间的夹角，度；书一-砂的休止角，取为35 ; a X 、 a Y 和 a Z 分别是所考虑货舱的纵向加速度、横向加速度和垂向加 速度, m/s2, 由载荷预报直接计算得到 ,

41、具体参见附录 1; x G 、 y G 所考虑货舱形心在全局坐标系中的 X , Y 坐标, m ; x , y , z 计算点在总坐标系下的船长、船宽和垂向坐标 , m ; h DB 双层底高度 , m ; h C 所考虑装载工况下矿砂上表面距离内底板的高度 , m ; 分别按以下装载 形式计算 : (a 矿砂密度使货舱未装载至上甲板时 ,矿砂货物顶面的横向形状如图 ,船 长方向认为均匀分布、沿横向为抛物线方程 : 0C s h z h =+ h 0 货物连线至内底的距离 , 根据该舱的载货量、 货物密度以及横剖面形 状计算 , m ; z s 货物顶面至连线的距离 , m ; 2 2(1 s

42、 y z h b =? - b =B 1/2, B 1 为抛物线顶面与舱壁相交处连线宽度 ; 顶面至连线的最大距离为 : h =tan 2 b 31文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑. 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 . 抛物线部分的面积为 : A =22 tan 3 b书 图 货物顶面形状 (b 矿砂密度足以使货舱装载到舱口围板顶部时,矿砂上表面应以舱壁为界限的 货舱 内 ,按相同货物体积所确定的等效水平表面,矿砂货物顶面的横向等效形状如图 12C h h h =+ 式中: h 1 顶凳斜板下沿至内底的距离 , m ; h 2 顶凳斜板下沿至

43、货物等效水平面的高度, m ,根据该舱的顶凳、甲板、 舱口围形 状计算 : C HC L B V h 22= V HC 顶凳斜板下沿以上至舱口围上沿的货舱体积 , m 3; B 2 顶凳斜板下沿至货物等效水平面的平均宽度, m ,可近似取顶凳斜板中 点处货 舱宽度 ; C L 货舱长度 , m ; 图 货物顶面等效形状 液舱内液体载荷包括液体如压载舱内压载水和油舱内燃油等液体引起的静水压 力和惯 性压力。 (1 液体引起的静水压力 : (BS L top air p g z h z - p =+ (2 液体引起的惯性压力 液体由于运动引起的对船体的惯性压力由下式进行计算 : ( z h z a

44、 y y a x x a p air TOP z y x L BW -+-+-=00p 式中: L p 液体密度, t/m3; TOP z 正浮工况下液舱顶点的 Z 坐标, m ; air h 空气管或溢流管高度 m ; a x 、 a y 和 a z 分别是所考虑液舱的纵向加速度、横向加速度和垂向加 速度, m/s2, 由载荷预报直接计算得到 ,具体参见附录 1; x , y , z 计算点在总坐标系下的坐标 , m ; x 0, y 0, z 0 参考点坐标 , m , 见图 ; 注:对于非平行液舱 ,参考点取加速度方向上液舱顶点位置。 图 垂向加速度产生的液舱内部压力 图 横向加速度产生

45、的液舱内部压力 注:压载舱设计为径流法作为压载水交换的方法 ,则参考点 z 0 应取在舱室空气 管 /溢流 管的顶点位置处。 图 纵向加速度产生的液舱内部压力 3.4 惯性平衡及边界条件 3.4.1 空船惯性力指仅由船体结构质量 （不包括货物、压载水等质量组成的质量 模型 与节点运动加速度相乘求得的惯性力。 3.4.2 各节点上惯性力的施加及整船有限元模型的外力动态平衡可以通过加载 及动平衡 调整来实现。整船动平衡调整的一般处理流程如图 ,在完成外部水压力、 空船惯性力和货物载荷加载工作后 , 船体梁模型应处于动平衡状态 , 此时的外部水动 压力应 与空船惯性力和货物载荷相平衡。对每一种载荷工

46、况 ,应计算和检查模型在 x 、 y 和 z 轴三 个方向上的不平衡力的大小。 在迎浪工况下 , 各个方向上的不平衡 力应不超过排水量的 1%; 对于横浪和斜浪工况 , 不平衡力的大小应不超过排水量的 2%。 在进行结构有限元分析以前 , 不平衡力将通过惯性释放方法予以消除。 图 3.4.2 整船动平衡调整的一般处理流程 3.4.3 惯性释放约束条件 整船动态平衡调整后 , 计算模型已处于自由动态平衡状态 , 为消除刚体位移 , 须 对模型 施加边界约束。 采用惯性释放功能进行结构强度分析时 , 需要对一个节点进 行 6 个自由度的 约束 （虚支座 。针对该支座 ,程序首先计算在外力作用下每个

47、节点 在每个方向上的加速度 , 然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上 ,由此构 造一个平衡的力系 （支座反力等 于零 。求解得到的位移描述所有节点相对于该支 座的相对运动。 在 MSC.Nastran 和 ANASYS 软件中 ,可通过设定参考点进行边界约束。选择模 型中一 个节点作为惯性释放参考点 ,如图 图 3.4.3 参考点位置示意图 33文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 . 文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持. 一般在船底平板龙骨 （纵中剖面处在船艏 （节点 1末端处选取为“参考点”或, 在 船底平板龙骨 （纵中剖面处在船中 （节点

48、 2处选取为“参考点”。 3.5 应力衡准 板材（包括桁材腹板的许用应力为 ： K e /2359. 0? = c N/mm2 梁单元的许用应力为 ： K a /2359. 0? =c N/mm2 3.5. 2局部有限元细化的应力衡准 1/4骨材间距时 , 细化网格模型的应力衡准应取为整船有限元许用应力的 1.2 倍。 1/8骨材间距时 , 细化网格模型的应力衡准应取为整船有限元许用应力的 1.4 倍。 第 4章疲劳强度评估 4.1 一般要求 4.1.1 本章要求适用于船长 150m 及以上,设计寿命为 25年的矿砂船进行疲劳强 度评估。 CCS 船体结构疲劳强度指南 的要求进行名义应力法 的

49、疲劳强度评估。 评估部位为纵舱壁与内底连接处。 4.1.4 舱口角隅疲劳强度评估按照本章 4.6节要求进行。 4.2 有限元建模 2.2节要求,模型范围应满足 4.2.4 边界条件 端部两剖面的纵向构件节点 应与位于中心线上中和轴处的独立点刚性关联 见表两端独立点应按表 两端的刚性关联表 独立点的支撑条件表 4.3 工况与载荷 ,应于考虑的载荷工况为 H1和“ H2迎浪 F1和“F2”随浪 R1和“ R2横浪 P1和“P2”横很 (a与EDV“ H对应的 (b与EDWF”对应的 (c与EDV“ R对应的 (d与EDWP”对应的 ,见表 第 33页 疲劳强度评估的计算工况 表 注:a T :型吃

50、水;T NB :正常压载工况下吃水；T HB :重压载工况下吃水 备注：1 计算干货压力时 ,货物密度应取 M H / V H 2 仅当中间舱不被指定为压载舱时 ,该工况才要求。 3 仅当中间舱被指定为压载舱时 ,该工况才要求。 35文档来源为 ：从网络收集整理 .word 版本可编辑 . 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 . 4空舱位置应根据实际装载情况确定。 第 34 页 第 35 页 4.3.2 载荷计算 ,按下式计算 ( B a f C L L ? =-? 方形系数。 式中: f p 与概率水平对应的系数 , 疲劳强度评估取 0.5。 C T R ,

51、 s ,和横摇单幅值 , deg ,由下式得出 : GM k T r R 3. 2= (n 9 75025. 025. 19000= B k f T b p R 式中: k b 系数 ,取: k b = 1.2 ,无舭龙骨的船舶 ; k b = 1.0 ,有舭龙骨的船舶 ; k r 横摇回转半径 , m , 没有确切数值时 , 按下式计算 : k r =0.35B 轻货均匀满 载 k r =0.42B 重货均匀满载 k r =0.45B 正常压载 k r =0.40B 重压载 GM 所考虑装载工况的稳性高度 , m 没有确切数值时 ,按下式计算 : GM =0.12B 轻货均匀满载 GM =0

52、.25B 重货均匀满载 GM =0.33B 正常压载 GM =0.25B 重压载 T P , s和横摇单幅值 ,deg由下式得出： g T P n 入 2= 4 960B p C V L f = 式中：0.6(1 LC S T L T 入=+ ,m/s2,由下式得出： 第 36 页 g a a heave 0= ,m/s2,由下式得出： g a a sway 03. 0= ,m/s2,由下式得出： g a a surge 02. 0= 纵向 x pitch XP surge XS XG X a C a C g C a += 横陥 sinoll YR sway YS YG Y a C a C g

53、 C a +=0垂向 z pitch ZP z roll ZR heave ZH Z a C a C a C a += 式中:C XG , C XS , C XP , C YG , C YS , C YR , C ZH , C ZR 和 C ZP 为载荷组 合因子 ,见表 载荷组合因子 表 a pitch x 纵摇引起的纵向加速度 , m/s2 第 37 页 R T a P x pitch 2 2180? ? =nn a roll y 横摇引起的纵向加速度 , m/s2 R T a R y roll 2 2180? ? = nn0 a roll z 横摇引起的垂向加速度 , m/s2 39文档

54、来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 . 文档来源为 :从网络收集整理 .word 版本可编辑 .欢迎下载支持 . y T a R z roll 2 2180? ? = nn0 a pitch z 纵摇引起的垂向加速度 m/s2 ( L x T a P z pitch 45. 021802 -? ? ? = nn 其中 (0.45 x L -应取不小于 0.2L ; min( , 422 LC T D D R z =-+ , kN m ;如由设计者规定，可考虑更大的 值。 ?中拱工况: 23, , 175(0.710SW H W B WV H M C L B C M -=+- ?中

55、垂工况: 23, , 175(0.710SW S W B WV S M C L B C M -=+- 式中:H W V M ,和S W V M ,是垂向波浪弯矩,kN m，定义见,kN m，按下式 公式得到 : ?中拱工况 : 23 , 19010WV H M P W B M F f C L BC -= ?中垂工况 : 23 , 110(0.710WV S M P W B M F f C L B C -=+ 式中: 第 38页 F M 分布因子(见图 , kN , 按下式公式得到 : 230(0.710WV Q P W B Q F f C LB C -=+ 式中: F Q 表 。 分布因子 Q

56、 F 表 7 图 分布因子 F Q ,kN m，按下式公式得到： 第 39 页 2(0.3 2000WH M P W LC B L M F f C L T C =+ , kN m，按下式公式得 到： (21W T W T P W T M M f M += 式中: 2 110.4WT W B T M C B DC F = 2220.22WT W B T M C LB C F = F T1, F T2 分布因子 , 定义如下 : 2sin(1L x F T n = (sin 22L x F T n = p , kN/m2，应由下式得出，且不应为负值： W S p p p += 式中： p S 静水

57、压力 , 定义见 (1; p W 视具体情况而定 ,与(2 , (3 或(4所定义的水动压力相等的波浪压力 , 并 按(5修正。 (1 静水压力, 对各装载工况 , 外板上任何一点对应于静水中吃水的静水压力 S p , kN/m2,由表。 静水压力 p S 表 第 40 页 图 静水压力 p S (2对于载荷工况H1、H2、F1和F2,水线以下外板上任何一点的水动压力H p和F p , kN/m2,应按表p F2分布示意图见图 载荷工况H1、H2、F1和F2的水动压力 表 式中： 12(1253+-+=i LCi nl p HF B y T z L L C f f p 且 0. 12 后 i

58、B y , z 应取不大于 LCi T nl f ：考虑非线性影响的系数 ,取： nl f = 0.9,对 10-8概率水平 nl f = 1.0,对 10-4概率水平 k 沿船舶纵向的幅值系数 ,取： 3 5. 0 21(121-+=L x B y C k B ,对 5. 0/0. 0 L x 3 5. 0 43(6 1-+=L x B y C k B ,对 0. 1/5. 0 式中: W L W p , 所考虑载荷工况下在水线处的正水动压力 g p h W L W W P ,= 对于水线处的负水动压力(载荷工况H1、H2、F2、R1、R2和P2水线以下 的水动 压力 C W p , , kN/m2 ,由下式得出 (见图 W C W p p =, ,取不小于 (LCi T z g -P 式中: W p 所考虑载荷工况下在水线以下的负水动压力 ; 第 44 页 当水动压力为正值时 当水动压力为负值时 图 (1静水中的矿砂压力,kN/m2,按下式计算： (CS C C C DB p gK h h z - P =+ (2矿砂引起的惯性压力,kN/m2,按下式计算： ?载荷工况 H ： ( (25. 0z h h a K x x a p DB C Z C G X C CW -+-=P ?