船舶结构有限元建模与分析02

1、船舶结构有限元建模与分析有限元分析的目的及各种的结构模型 有限元分析对应有一定的有限元分析对应有一定的分析目的分析目的，比如，比如静力响应静力响应是求取是求取应力应力还是求取还是求取变变形形？动力响应动力响应是要得到是要得到疲劳强度疲劳强度还是还是振动响应振动响应？等等？等等 对应于不同的分析目的，就有结构和机械的模型化问题存在。对应于不同的分析目的，就有结构和机械的模型化问题存在。所谓所谓模型化模型化就是将结构按照分析目的进行理想化处理和简化处理。就是将结构按照分析目的进行理想化处理和简化处理。 对应分析目的，有从初步设计到详细设计的好几个阶段。对应分析目的，有从初步设计到详细设计的好几个阶

2、段。对应于这些分析目的，即使同一个结构，其模型化处理也有不同的地方。对应于这些分析目的，即使同一个结构，其模型化处理也有不同的地方。 把把“不同的目的不同的目的”用用“视点的变化视点的变化”来表现就会很容易弄明白。来表现就会很容易弄明白。 在分析结构整体变化时的情况在分析结构整体变化时的情况把视点放置于远方时的场合；把视点放置于远方时的场合； 在分析结构局部变化时的情况在分析结构局部变化时的情况把视点拉近时的场合。把视点拉近时的场合。1 1、 铁塔铁塔组合框架结构的例子组合框架结构的例子在铁塔是细长的零部件在铁塔是细长的零部件( (梁梁) )组合而成的结构，我们把这称为组合而成的结构，我们把这

3、称为框架结构框架结构。铁塔受横向的大风的工况：铁塔受横向的大风的工况： 让我们来考虑一下台风袭来时，铁塔受到强风的袭击几乎要歪倒的状态。让我们来考虑一下台风袭来时，铁塔受到强风的袭击几乎要歪倒的状态。 这种情况下，铁塔受到因横向的大风而引起的巨大的水平方向的载荷的作用。这种情况下，铁塔受到因横向的大风而引起的巨大的水平方向的载荷的作用。一、有限元法的发展 观察位置和模型化观察位置和模型化 对于把对于把CAE用于分析模型而言，重要的是用用于分析模型而言，重要的是用结构单元结构单元来表现铁塔的来表现铁塔的结构模型结构模型和用来表现横向风力的和用来表现横向风力的载荷的类型载荷的类型。 对于铁塔的对于

4、铁塔的结构模型化过程结构模型化过程，我们将以我们所考虑的方法作为例子，结合对它，我们将以我们所考虑的方法作为例子，结合对它的分析目的，用改变观察铁塔的位置来很好地加以说明。的分析目的，用改变观察铁塔的位置来很好地加以说明。 使用CAE进行分析，即使对于粗略分析也好，对于精细分析也好，都能自由地进行。重要的是要建好与分析目的相一致的模型 从远处眺望铁塔从远处眺望铁塔 如果我们想大概知道铁塔的整体强度的情况？如果我们想大概知道铁塔的整体强度的情况？ 这种情况下，我们从远处眺望铁塔，将铁塔当作一个整体，把握其强度情况。这种情况下，我们从远处眺望铁塔，将铁塔当作一个整体，把握其强度情况。 可以把铁塔看

5、做一个部件，继而把整个铁塔转化成一个可以把铁塔看做一个部件，继而把整个铁塔转化成一个梁梁的材料力学的材料力学模型模型。 垂向铁塔的狂风，可以转换成作用在水平方向的分布载荷。垂向铁塔的狂风，可以转换成作用在水平方向的分布载荷。 悬臂梁模型悬臂梁模型 这个模型，利用材料力学知识就能较好解决。这个模型，利用材料力学知识就能较好解决。 梁模型的转换梁模型的转换 等价的剖面特性等价的剖面特性 风载荷的等效风载荷的等效 利用材料力学或者规范设计手册的公式利用材料力学或者规范设计手册的公式 从远处眺望铁塔从远处眺望铁塔 稍微走近点，来眺望铁塔看看。稍微走近点，来眺望铁塔看看。 可以看出铁塔是由许多细长的构件

6、组成的框架结构。可以看出铁塔是由许多细长的构件组成的框架结构。 这样的结构一经确认，我们就想要知道随着框架的整体变形那些一根一根的构件这样的结构一经确认，我们就想要知道随着框架的整体变形那些一根一根的构件 它们的位移和应力的情况。它们的位移和应力的情况。 稍微靠近点眺望铁塔稍微靠近点眺望铁塔 在有限元模型里，只需要在有限元模型里，只需要把各个构件换成供有限元模型所用的梁单元，这样把把各个构件换成供有限元模型所用的梁单元，这样把 所有单元集合起来就形成了铁塔的整体模型。所有单元集合起来就形成了铁塔的整体模型。 稍微靠近点眺望铁塔稍微靠近点眺望铁塔 梁单元的转换梁单元的转换 等价的剖面特性等价的剖

7、面特性 风载荷的等效风载荷的等效 转换成节点上的集中载荷转换成节点上的集中载荷 再走近点眺望铁塔再走近点眺望铁塔 甚至连接合处的接头状态也能清晰地看见。那么让我们把目光集中在接头附近吧甚至连接合处的接头状态也能清晰地看见。那么让我们把目光集中在接头附近吧如果再走近一点来眺望铁塔，我们就会看清楚铁塔是由细长的板条状的构件构成的如果再走近一点来眺望铁塔，我们就会看清楚铁塔是由细长的板条状的构件构成的。 对于接头构件那样的形状，在局部起了变化，即使只有一点点力起作用，对于接头构件那样的形状，在局部起了变化，即使只有一点点力起作用， 由于应力集中的原因也会产生很大的应力。由于应力集中的原因也会产生很大

8、的应力。 再走近点眺望铁塔再走近点眺望铁塔在把接头周围的强度作为分析目的时，要将铁塔的接头构件以及与接头连接的构在把接头周围的强度作为分析目的时，要将铁塔的接头构件以及与接头连接的构件切出来，并且把这些构件用小块的板状有限单元模型（把它称为板单元）来处件切出来，并且把这些构件用小块的板状有限单元模型（把它称为板单元）来处理，再把它们集合起来形成一个结构模型。理，再把它们集合起来形成一个结构模型。 这种场合下，载荷的模型化处理是不能把风作为直接载荷来施加的，而是要用这种场合下，载荷的模型化处理是不能把风作为直接载荷来施加的，而是要用“从遥远处眺望铁塔从遥远处眺望铁塔”中使用的分析模型而得到的结果

9、。中使用的分析模型而得到的结果。 也即，要和现在作为分析对象而切出的范围一样（接头和它周围的部件）把也即，要和现在作为分析对象而切出的范围一样（接头和它周围的部件）把“从遥远处眺望铁塔从遥远处眺望铁塔”使用的分析模型也切出来，并把这些切口处产生的应力和位使用的分析模型也切出来，并把这些切口处产生的应力和位移作为载荷施加上去。移作为载荷施加上去。 再走近点眺望铁塔再走近点眺望铁塔这种模型化过程，就和使用放大镜来放大物体时的要领一样，放大希望进行详细这种模型化过程，就和使用放大镜来放大物体时的要领一样，放大希望进行详细分析的区域，所以把这种模型化的过程称为分析的区域，所以把这种模型化的过程称为“局

10、部放大局部放大”。对铁塔用板单元来模拟。对铁塔用板单元来模拟。这种分析，因为能够求出部件接头等处的局部应力和应变，所以要比前面的这种分析，因为能够求出部件接头等处的局部应力和应变，所以要比前面的“从遥远处眺望铁塔从遥远处眺望铁塔”中用梁单元而求出的有更高的精度。中用梁单元而求出的有更高的精度。 再更近一点眺望铁塔再更近一点眺望铁塔这个时候，就可以看清这个时候，就可以看清构成铁塔的细长的构件是用电焊焊接装配起来的。构成铁塔的细长的构件是用电焊焊接装配起来的。焊接部分形成了复杂的形状，这部分因为会产生应力集中，所以在设计时特别要焊接部分形成了复杂的形状，这部分因为会产生应力集中，所以在设计时特别要

11、进行强度校合。进行强度校合。像像焊接部分的强度以焊接部分的强度以3维应力集中区域的强度作为分析目的时，我们使用在维应力集中区域的强度作为分析目的时，我们使用在“再再走近走近点眺望铁塔点眺望铁塔”中所説的局部放大的办法来进行模型化处理。中所説的局部放大的办法来进行模型化处理。 切出合适的区域，对它们采用细小的立体形状的有限单元（把它称为块体单元），切出合适的区域，对它们采用细小的立体形状的有限单元（把它称为块体单元），并组合起来形成结构的模型。并组合起来形成结构的模型。载荷也同样使用载荷也同样使用“再稍微靠近点眺望铁塔再稍微靠近点眺望铁塔”所得的结果。所得的结果。把铁塔用把铁塔用3维实体单元来作

12、模型化维实体单元来作模型化 再更近一点眺望铁塔再更近一点眺望铁塔这种分析，因为能够求出构成细长构件的这种分析，因为能够求出构成细长构件的3维应力流和变形，所以能求得比用梁单维应力流和变形，所以能求得比用梁单元和板单元形成的结构模型更加详细的结果。元和板单元形成的结构模型更加详细的结果。在考虑模型化时，首先要考虑的是分析究竟要做到什么地步？另外，必须作出满足这种要求的模型。 考虑电车考虑电车(板架结构板架结构)的模型化的模型化2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子电车是用薄板制成的箱形状的结构，这样的结构一般称为电车是用薄板制成的箱形状的结构，这样的结构一般称为板架结构。板架结构。优化设

13、计优化设计Description of the companys sub contents 遥远处眺望电车遥远处眺望电车2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子想要粗略地知道电车的强度时可以从远处眺望电车想要粗略地知道电车的强度时可以从远处眺望电车，对于窗户和门之类的结构可对于窗户和门之类的结构可以不必在意以不必在意。我们看到电车是一根杆，也可以看到它的前轮和后轮正支撑着这根杆的模样。我们看到电车是一根杆，也可以看到它的前轮和后轮正支撑着这根杆的模样。这正和材料力学中所见到的一个样，是一个这正和材料力学中所见到的一个样，是一个两端自由支持的梁模型两端自由支持的梁模型。载满乘客的电车行驶在

14、轨道上载满乘客的电车行驶在轨道上两端自由支持的梁模型两端自由支持的梁模型 遥远处眺望电车遥远处眺望电车2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子载满乘客的电车行驶在轨道上载满乘客的电车行驶在轨道上它的载荷是车厢和乘客重量的总和。它的载荷是车厢和乘客重量的总和。乘客中有妇女和小学生，或者作为例外也可能乘有出去巡回表演的相扑力士，然乘客中有妇女和小学生，或者作为例外也可能乘有出去巡回表演的相扑力士，然而因为是从远处眺望，一个一个没法判断，只能知道是客满了的电车了。而因为是从远处眺望，一个一个没法判断，只能知道是客满了的电车了。从而把客满时的重量作为分布载荷进行模型化处理。从而把客满时的重量作为

15、分布载荷进行模型化处理。车厢重量车厢重量分布载荷分布载荷车厢重量乗客重量车厢重量乗客重量分布载荷分布载荷将电车作为一根梁而模型化将电车作为一根梁而模型化 遥远处眺望电车遥远处眺望电车2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子电车（板架结构）的情况和铁塔（框架结构）的景况一样，也必须给出材料力学电车（板架结构）的情况和铁塔（框架结构）的景况一样，也必须给出材料力学梁模型中与电车结构等效的剖面特性，这个计算也是相当费工夫的，但是能从材梁模型中与电车结构等效的剖面特性，这个计算也是相当费工夫的，但是能从材料力学公式中立即求出应力和变形。料力学公式中立即求出应力和变形。 从近处眺望电车从近处眺望电

16、车2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子我们可以看清我们可以看清电车象个箱子的形状电车象个箱子的形状，另外，窗户和门也可以看得清清楚楚的。另外，窗户和门也可以看得清清楚楚的。这里处理模型时，窗户和门基本上对强度不起作用而不作为模型化的对象，把它这里处理模型时，窗户和门基本上对强度不起作用而不作为模型化的对象，把它排除在外，这样做成有开口部分的模型。排除在外，这样做成有开口部分的模型。根据这样的处理，可以使强度具有余度，使设计者能立足于安全的立场来进行设根据这样的处理，可以使强度具有余度，使设计者能立足于安全的立场来进行设计。计。载满乘客的电车行驶在轨道上载满乘客的电车行驶在轨道上将电车

17、用板单元形成的模型将电车用板单元形成的模型 从近处眺望电车从近处眺望电车2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子一般来说，具有开口的结构，它的角上要产生应力集中。一般来说，具有开口的结构，它的角上要产生应力集中。象电车这种情况，在设计的时候也应该充分注意这种应力集中的现象。象电车这种情况，在设计的时候也应该充分注意这种应力集中的现象。这时如果使用板单元将结构进行模型化的话就能掌握应力集中的现象。这时如果使用板单元将结构进行模型化的话就能掌握应力集中的现象。开口的角落部分，因为是应力急剧变化的地方，这些地方要用相当小的板单元来开口的角落部分，因为是应力急剧变化的地方，这些地方要用相当小的板

18、单元来模拟，这一点很重要。模拟，这一点很重要。 考虑载荷的模型化考虑载荷的模型化2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子对于板单元，根据给出的板厚和重量密度，它具有算出单元重量的功能。对于板单元，根据给出的板厚和重量密度，它具有算出单元重量的功能。使用了这个功能的话，就能够自动地确定电车外板部分相应的重量载荷。使用了这个功能的话，就能够自动地确定电车外板部分相应的重量载荷。 考虑载荷的模型化考虑载荷的模型化2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子还有，还有，座位座位等等的附属设备，定义成它们所安装范围内的集中载荷或板单元的分等等的附属设备，定义成它们所安装范围内的集中载荷或板单元的

19、分布载荷就行了。而乘客的重量考虑到种种型式，把它们处理成分布载荷中的一种布载荷就行了。而乘客的重量考虑到种种型式，把它们处理成分布载荷中的一种均匀面载荷。均匀面载荷。作为板单元的功能，作为板单元的功能，可以把载荷定义成压力载荷。可以把载荷定义成压力载荷。 考虑载荷的模型化考虑载荷的模型化2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子支撑电车部分的模型化支撑电车部分的模型化。重要的是，全部重量都由前后车轮支撑着。重要的是，全部重量都由前后车轮支撑着。这里因为车轮的强度没有作为校合对象故不对车轮部分进行模型化处理，而只作为这里因为车轮的强度没有作为校合对象故不对车轮部分进行模型化处理，而只作为支持

20、条件来处理。支持条件来处理。用这个分析模型可以求出考虑了开口后的电车的应力，变形和应变，可以得到比用这个分析模型可以求出考虑了开口后的电车的应力，变形和应变，可以得到比“从遥远处眺望电车从遥远处眺望电车”所用的模型具有更高精度的力学状态。所用的模型具有更高精度的力学状态。 再更近一点来观察电再更近一点来观察电车车2 2、 电车电车板架结构的例子板架结构的例子再近一点来观察电车看看。再近一点来观察电车看看。这一回我们来考虑先前作为支持条件而作模型化的车轮的有关情况。这一回我们来考虑先前作为支持条件而作模型化的车轮的有关情况。因为支撑着电车的全部重量，可以说对于确保乘客安全及高速运送是个重要的高因

21、为支撑着电车的全部重量，可以说对于确保乘客安全及高速运送是个重要的高强度的零部件。强度的零部件。在校核车轮的强度时，把车轮用实体单元组合起来进行模型化处理。在校核车轮的强度时，把车轮用实体单元组合起来进行模型化处理。用实体单元来作模型化的车轮用实体单元来作模型化的车轮另外，把电车和乘客的另外，把电车和乘客的重量作为载荷起作用就行了。重量作为载荷起作用就行了。如果必要时，也要把电车启动如果必要时，也要把电车启动时或紧急停车时的动态因素考时或紧急停车时的动态因素考虑为载荷起作用。虑为载荷起作用。3 3、 火箭火箭壳结构的例子壳结构的例子火箭、压力容器或室内球场的屋顶等等都做成薄壳的圆筒形火箭、压力

22、容器或室内球场的屋顶等等都做成薄壳的圆筒形或球形结构。这样的结构称为或球形结构。这样的结构称为壳结构壳结构。类似的结构还有飞机类似的结构还有飞机、石油储油罐石油储油罐和潜水器耐压壳，潜艇等。和潜水器耐压壳，潜艇等。Description of the companys sub contents3 3、 火箭火箭壳结构的例子壳结构的例子Description of the companys sub contents 火箭火箭的模型化的模型化横风吹向发射以后的火箭，火箭就边控制方向边向着目的地飞去。我们称这为姿横风吹向发射以后的火箭，火箭就边控制方向边向着目的地飞去。我们称这为姿态控制。态控制。姿

23、态控制中的火箭，受到很大的弯曲载荷的作用。姿态控制中的火箭，受到很大的弯曲载荷的作用。这里，为了分析受到横风作用的火箭的强度，来讨论一下这里，为了分析受到横风作用的火箭的强度，来讨论一下CAE分析所用的模型的分析所用的模型的转换过程。转换过程。象以前所做的一样，结合分析目的，试试变换眺望火箭的位置。象以前所做的一样，结合分析目的，试试变换眺望火箭的位置。(1)、从远处来眺望火箭，则是在看到整个火箭而进行简略的模型化处理时的情况。从远处来眺望火箭，则是在看到整个火箭而进行简略的模型化处理时的情况。(2)、在近处来眺望火箭，则是在进行局部的详细的模型化处理时的情况。在近处来眺望火箭，则是在进行局部

24、的详细的模型化处理时的情况。3 3、 火箭火箭壳结构的例子壳结构的例子 从远处来眺望火箭从远处来眺望火箭以搞清火箭的似近强度为目的，就从远处来眺望火箭。如此，可以把火箭转化成以搞清火箭的似近强度为目的，就从远处来眺望火箭。如此，可以把火箭转化成一支铅笔那样。从铅笔的样子，容易想像到作为近似的模型把整个火箭转换成梁一支铅笔那样。从铅笔的样子，容易想像到作为近似的模型把整个火箭转换成梁单元的一个集合体。单元的一个集合体。把火箭处理成梁单元模型的集合体把火箭处理成梁单元模型的集合体梁单元的剖面特性，从适当位置处的火箭的横剖面结构中计算出来。梁单元的剖面特性，从适当位置处的火箭的横剖面结构中计算出来。

25、3 3、 火箭火箭壳结构的例子壳结构的例子 从远处来眺望火箭从远处来眺望火箭吹向火箭的横风可以转换成作用在梁单元节点上的水平方向上的载荷，而惯性力吹向火箭的横风可以转换成作用在梁单元节点上的水平方向上的载荷，而惯性力可以转化成对应于它所在方向上的作用在节点上的载荷。可以转化成对应于它所在方向上的作用在节点上的载荷。作用于火箭的水平载荷作用于火箭的水平载荷 将火箭模型化处理成梁将火箭模型化处理成梁3 3、 火箭火箭壳结构的例子壳结构的例子 在近处眺望火箭在近处眺望火箭在近处眺望火箭，可以认清火箭的壳体是圆筒形状的，在近处眺望火箭，并且因在近处眺望火箭，可以认清火箭的壳体是圆筒形状的，在近处眺望火

26、箭，并且因为加强而用了板条状和环状样的骨架（称为加强筋）为加强而用了板条状和环状样的骨架（称为加强筋） 。在圆筒形的外壳和加强它们的加强构件相结合的部位容易产生应力集中，是进行在圆筒形的外壳和加强它们的加强构件相结合的部位容易产生应力集中，是进行强度校核时的重点部位。强度校核时的重点部位。为此来考虑一下比用铅笔那样太粗糙地模型化处理再稍微详细一点来进行模型为此来考虑一下比用铅笔那样太粗糙地模型化处理再稍微详细一点来进行模型化处理。化处理。这种情况下，结构的模型化这样来做，将外壳部分用这种情况下，结构的模型化这样来做，将外壳部分用壳单元，那么板条和骨架等的加强构件用梁单元怎样？壳单元，那么板条和骨架等的加强构件用梁单元怎样？作作用用在在节节点点上上的的水水平平载载荷荷将火箭处理成壳单元和梁单元模型将火箭处理成壳单元和梁单元模型3 3、 火箭火箭壳结构的例子壳结构的例子 再近一点眺望火箭再近一点眺望火箭再近一点眺望火箭，则从火箭本身到助推发动机结构的细节处都可以看得到。再近一点眺望火箭，则从火箭本身到助推发动机结构的细节处都可以看得到。例如，壳体部分和助推发动机的连接部分