【《某养殖工船的船体结构强度计算过程案例》3800字】

某养殖工船的船体结构强度计算过程案例1.1船体结构强度概述船体结构强度是指在不同工况作用的条件下船舶结构材料在各种外力的共同作用下抵抗破坏和断裂的能力，保证结构不被破坏。研究船体结构强度的目的是使船舶在满足规范设计要求和满足良好的经济性的前提下，保证船舶在工作或自存状态下都能安全的进行作业。船体结构直接强度计算主要由以下三部分内容组成：船体结构上外力的确定。按其是否随时间变化分为不变载荷和动载荷。前者作用力大小和方向不会随时间变化，包括船体自身重量、内部液体压力载荷、货物压力载荷以及船体受到的静水压力等。后者作用力的大小和方向会变，具体变化情况应根据实际情况看，主要包括压载水压，作用于船体的波浪载荷，船体受到的舷外水压，波浪弯矩、扭矩以及由于船体运动引起的液体惯性压力。船体结构上内力和变形的确定。这主要是指船体构件在外力作用下引起的构件内部各种变化，包括内力及变形等。船体会由于外载荷的作用发生整体的弯曲变形，也会因为局部载荷而发生局部的变形甚至断裂。所以，根据船体结构整体或某一局部的受力状态，船体强度可分为总纵强度、横向强度和局部强度，此外船体结构强度的计算还应该保证船体构件的稳定性和必要的刚度。确定合适的强度标准。通过查阅现行规范，找到对应不同材料的安全系数，得到对应的许用应力确定结构出现破坏时的临界状态，并在其他不确定因素影响下，考虑一定的安全裕量，确定合适的强度标准，最后对强度条件进行对比检验，判断船体结构是否满足要求。1.2船体结构强度的直接计算方法船舶结构强度方面的分析与计算的发展历史很久远，在有限元方法出现以前，一般是通过人工手动计算的。首先需要利用相关的经典力学理论，对船体的加筋板、板材和梁系等几大部分，建立对应准确的理论计算公式，由此形成手工计算方法，船舶结构力学应运而生。船体强度的直接计算方法是将船体结构理想化为一根变截面的梁，在总体弯矩、静水压力和重力联合作用下发生弯曲变形，根据梁的弯曲理论计算船体梁不同截面上的内力，并与其要满足的许用应力进行比较从而判断船体强度是否满足要求。然而，其实际受力及其船体结构相当复杂，例如有不确定的波浪荷载、货舱大开口而导致的船体局部结构应力过于集中的现象、以及会产生各种不连续构件等，这样就导致近似处理方法存在很大的误差。另外在进行局部结构强度计算时，通常也需要将整体结构中简化分离出一部分，把结构模型及荷载理想化后再进行计算。因此，在船体的结构强度计算中，局部强度和总纵强度是单独进行的，两者的强度计算结果需要通过线性叠加的方法合成为一最终结果。但实际中，在船舶的运营过程中，其局部强度、横向强度和总纵强度问题是同时进行的，将其分开计算并不是真实的计算结果。在船舶设计计算过程中，设计者需要满足的规范要求往往利用的是大量实船的统计资料、经验公式以及传统的船体结构强度计算理论，所以各船舶强度需求不能精确表达。因而设计建造单位为了保证船舶安全，多数情况下采用比较大的安全系数，这样也不可避免的导致建造过程中材料的浪费和营运成本的增加。随着计算机的出现和快速发展，大大提高了数据处理能力，巨大的结构强度直接计算工作量变成了可以解决的问题。同时随着研究人员不断探索和创新，计算理论和方法也在日新月异的发生着改变，这也同样推动着船体强度直接计算方法的改进[11]。1.3有限元方法1.3.1有限元法的发展随着时代的发展，经过人们的不断努力和实践，例如数学和物理问题等很多科学领域里难题，都已得到对应的基本方程和相应的定解条件，但很少问题能够通过解析法求出精确解，大多数问题因为非线性的方程以及不规则的几何形状等，难以得到解析解。所以当我们处理这类问题时，一般有两种方法，一是需要进行深层次的探究计算前提出假设，简化方程和特定形状下求得对应假设的定解；另一种是采用数值法求解问题的近似解，有限元分析法应运而生。有限元方法的发展历史悠久，国外的发展历程（如下表2所示）。表2国外有限元方法的发展众所周知，有限元法由静力问题发展到了动力问题、波动问题和稳定问题；从确定性分析发展到了随机有限元，从线弹性发展到塑性（物体变形的能力）和非线性（不成比例，不成直线的关系，一阶导数不为0）有限元法的理论和公式在不断的完善。目前有限元法已被公认为是处理力学、物理和土木问题的有效工具。随着计算机技术的高速发展，有限元法的应用越来越广泛。有限元法的应用起始于上世纪六十年代，有限元法作为一种数值计算方法，以计算机技术为基础广泛应用于船舶结构强度分析领域。1969年，罗林对“有限元法对船舶结构设计的影响”展开深入研究。随着科技不断进步，有限元软件不断更新和强化，相继问世了如MSC.Patran、Ansys、Abaqus等软件，在船舶结构研究领域已广泛应用此类软件代替手工计算进行船舶结构应力的计算，高精度，高效率。面对新船型或部分超出规范要求的船舶，无法应用规范对其进行理论上的计算与分析，但如今通过有限元法可以解决。如今应用有限元方法计算船舶结构问题并已经被大多数的国内外学者所广泛认可，并且已有国内外众多学者应用此方法解决了多项工程实际问题。研究有限元方法相关学者思想发展进程（如下表3所示）。表3国内有限元方法的发展由上可得，国内外许多学者应用有限元方法在船体结构强度分析方面做了许多研究，具有很大的参考价值，本文将基于有限元软件Patran对某养殖水体为32000立方米的养殖工船局部结构设计的安全性及合理性进行直接强度计算分析和校核。1.3.2有限元方法在船舶结构强度校核中的应用当前，随着陆地资源不断枯竭，海洋资源的不断开发和船舶大型化不断发展的趋势，船舶造型日新月异，新型结构和功能的船舶不断涌现，这就要求我们寻找更高效的船体结构计算分析方法，有限元方法应运而生。随着强度计算理论的不断完善和有限元软件的发展，船体局部结构以及整船结构的相关计算可以通过建立船舶有限元模型实现，有限元方法为船体结构强度分析带来了巨大飞跃。有限元方法的计算流程如下：首先需要将连续的船体分割为有限元单元，这些单元可以准确模拟船体外力载荷和变形，其次利用有限元软件对船体模型进行分析求解，就可以得到船体结构各构件的应力响应，最后就可以判别及评价船体强度。对于组成有限元模型中的每一个单元，都可以采用节点位移和设定的插值函数（是利用函数在某区间中插入若干点的函数值,作出适当的特定函数）模拟或逼近单元内部的连续位移场函数，然后基于弹性理论的基本力学关系或变分原理建立单元的节点力和节点位移的平衡方程，将所有单元的平衡方程依照自由度的次序组和起来，即可得到整个结构的平衡方程，对于线性静力问题，它是一个以节点位移为未知量的代数方程组。最后通过求解可以得到船体有限元模型中各个离散节点位移值的近似解，从而将一个连续的无限空间场（或平衡方程）的问题，近似为一个离散的有限自由度问题来求解[12]。总而言之，通过有限元方法，一个复杂问题被分解为简单的问题得到了解决。如今，有限元方法是解决船舶工程问题的重要研究方法，主要应用于下面几个方面：固体学问题目前，船体结构的有限元应力计算已作为船舶安全规范的重要依据。结构静力分析也不仅仅局限于简单的线性问题分析，现在已逐渐拓展到材料非线性和几何非线性的研究，从以往的小变形问题计算拓展到大变形问题的分析计算。流体学问题有限元程序的不断研究发展，解决了困扰着研究船舶结构领域的动力分析的学者多年的难题。利用水弹性理论和流固耦合方法，可以对船舶结构进行动力响应分析。使用非线性动态响应程序可对船舶舷侧结构的碰撞响应进行计算，同时也可解决瞬态响应问题。稳定性问题船舶研究工作者使用有限元方法对加强板格和板架的稳定和极限强度问题做了大量研究。研究人员对于变截面梁元的稳定矩阵和刚度矩阵进行计算推导，对结构稳定性特征值的问题给出有效的求解方法。疲劳与应力集中船舶在航行的过程中，船体外部会遭受各种随机交变载荷，很容易会使船体结构产生疲劳，会影响船舶的使用寿命。船体不连续构件上的应力集中也会影响船体结构的安全，此外应力集中现象还会导致船体上出现裂纹，这些裂纹延伸至舷侧和甲板等重要结构，严重时甚至会使整艘船体结构发生破坏或断裂。因此，使用有限元方法对船体疲劳强度分析和应力集中影响的研究也是船舶结构分析领域的重要课题[13]。参考文献康森，徐皓，薛长湖，等．开拓我国深远海养殖新空间的战略研究［J］．中国工程科学，2016，18(3):90-95．徐琰斐，刘晃．深蓝渔业发展策略研究［J］．渔业现代化，2019，46(3):1-6．徐皓，谌志新，蔡计强，等．我国深远海养殖工程装备发展研究［J］．渔业现代化，2016，43(3):1-6．CELIKKOLB，LANGANＲ．Open-oceanaquacultureengineering［J］．SeaTechnology，2007，48(8):23-28．韩冰,谌志新,崔铭超,王庆伟,王一帆,高瑞.基于三维势流理论的深远海养殖工船耐波性能分析[J].渔业现代化,2020,47(06):58-65.张琳桓,张青亮,孟广玮.基于可移动式养殖工船的新型深远海养殖产业链分析[J].船舶工程,2020,42(S2):40-44.王靖,张彬,张怡.某大型养殖工船船体结构设计方法[J].船舶工程,2020,42(S2):14-18.潘滢,陈新,田其.海上可移动养殖工船设计要求浅析[J].中国船检,2020(08):60-64.徐晓丽,郑一铭.后疫情时代深远海渔