730TEU集裝箱船艙段有限元分析畢業(yè)論文.doc

江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 I 730TEU 集裝箱船艙段有限元分析畢業(yè)論文集裝箱船艙段有限元分析畢業(yè)論文 目錄目錄 第第 1 1 章章 緒論緒論 1 1 1 研究背景 1 1 2 研究目的及意義 1 1 3 本文研究?jī)?nèi)容 1 1 4 集裝箱船簡(jiǎn)介 2 1 4 1 集裝箱船的分類 2 1 4 2 集裝箱船的特點(diǎn) 3 1 4 3 本文研究集裝箱船特點(diǎn) 3 1 5 集裝箱運(yùn)輸簡(jiǎn)介 5 1 6 集裝箱船發(fā)展歷史概述 6 1 6 1 集裝箱船大型化發(fā)展趨勢(shì) 7 1 7 集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核發(fā)展趨勢(shì) 8 第第 2 章章 有限元分析軟件簡(jiǎn)介有限元分析軟件簡(jiǎn)介 11 2 1 Patran 簡(jiǎn)介 11 2 2 Nastran 簡(jiǎn)介 12 第 3 章 艙段有限元模型的建立 14 3 1 概述 14 3 1 1 評(píng)估依據(jù) 14 3 1 2 圖紙資料 14 3 2 船體總體概述 14 3 2 1 主尺度和主要參數(shù) 14 3 2 2 主要構(gòu)件尺寸 15 3 2 3 其它概述 15 3 3 結(jié)構(gòu)有限元模型 15 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 II 3 3 1 模型范圍 15 3 3 2 坐標(biāo)系 21 第第 4 章章 載荷施加及強(qiáng)度校核載荷施加及強(qiáng)度校核 22 4 1 計(jì)算工況 22 4 2 邊界條件 22 4 2 1 對(duì)稱邊界條件 22 4 2 2 局部載荷工況邊界條件 23 4 2 3 橫傾工況邊界條件 23 4 3 計(jì)算載荷 24 4 4 許用應(yīng)力 26 4 5 應(yīng)力衡準(zhǔn)以及結(jié)論 27 結(jié)論結(jié)論 32 致謝致謝 33 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 34 附錄附錄 35 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 1 第第 1 1 章章 緒論緒論 1 1 研究背景研究背景 隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷加深 國(guó)與國(guó)之間在生產(chǎn)上的分工變得越來(lái)越明確 從而加速了相互之間的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易 因此未來(lái)對(duì)于集裝箱船的需求會(huì)繼續(xù)加大 與此同 時(shí) 在發(fā)達(dá)國(guó)家 隨著技術(shù)的進(jìn)步 很多原來(lái)并不適宜由集裝箱運(yùn)輸?shù)呢浳镆查_始集 裝箱化 從而增加了箱柜裝運(yùn)的貨種 而且 許多原來(lái)用散貨船和液貨船運(yùn)輸?shù)墓任?液化氣體等 也開始實(shí)現(xiàn)部分集裝箱運(yùn)輸 不僅如此 隨著發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā) 展和工業(yè)實(shí)力的不斷成熟 原來(lái)主要以出口工業(yè)半成品為主 現(xiàn)如今 發(fā)展中國(guó)家工 業(yè)成品的出口也開始不斷增多 且大部分都適用于集裝箱運(yùn)輸 這樣以來(lái) 會(huì)使得集 裝箱船可以裝載的貨物種類數(shù)目增多 從而加大集裝箱船在全球貨運(yùn)總量中的比例 為了降低集裝箱船的運(yùn)輸成本 增加其運(yùn)輸?shù)囊?guī)模經(jīng)濟(jì)效益 集裝箱船開始向大型化 發(fā)展 已近從最初的幾百箱增加到目前由韓國(guó)船企正在建造的兩萬(wàn)箱超大型集裝箱船 集裝箱船的大型化可以大幅度的降低單個(gè)集裝箱的運(yùn)輸成本 與此同時(shí)港口使用費(fèi)用 和人工費(fèi)都不會(huì)有明顯增加 與此同時(shí) 為了深入腹地 增大大型集裝箱船的輻射能 力 實(shí)現(xiàn)大型港口向內(nèi)河之間的轉(zhuǎn)運(yùn) 內(nèi)河支線型集裝箱船顯得越來(lái)越重要 1 2 研究目的及意義研究目的及意義 隨著全球氣候環(huán)境的不斷惡化 各行各業(yè)紛紛開始作出自己的改變 從而船舶設(shè) 計(jì)在追求高經(jīng)濟(jì)型性的同時(shí)也開始注重節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境 與此同時(shí) 各種新生效 的規(guī)范 也在不斷影響著船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 例如壓載艙的新涂層標(biāo)準(zhǔn) 壓載水處理 燃 油艙保護(hù)等綠色環(huán)保要求 因此原來(lái)老舊的船舶已經(jīng)不符合新的發(fā)展形勢(shì)要求 必須 對(duì)其進(jìn)行更新?lián)Q代 使得對(duì)于新船型的研究變得更有意義 1 3 本文研究?jī)?nèi)容本文研究?jī)?nèi)容 本文的主要研究?jī)?nèi)容就是通過(guò)研究 730TEU 集裝箱的性能特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 布置 特點(diǎn)等 對(duì)船中艙段進(jìn)行模型建造 載荷施加 校核計(jì)算 從而得出其應(yīng)力分布圖 從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出合理的指導(dǎo)意見 其主要內(nèi)容如下 1 研究集裝箱船及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核發(fā)展歷史 并對(duì)未來(lái)可能的發(fā)展方向做出合理 的預(yù)測(cè) 2 根據(jù)提供的基本結(jié)構(gòu)圖 中橫剖面圖 研究船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 對(duì)于如艙 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 2 口角隅 橫艙壁結(jié)構(gòu)等應(yīng)力比較集中的地方進(jìn)行單獨(dú)研究 3 參照集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南中的相關(guān)規(guī)范 運(yùn)用 Patran 軟件建立船 中艙段強(qiáng)度校核的有限元模型 然后對(duì)于結(jié)構(gòu)單元施加響應(yīng)的材料屬性 最后運(yùn)用 Nastran 軟件進(jìn)行載荷施加 通過(guò)計(jì)算得出應(yīng)力分布圖 1 4 集裝箱船集裝箱船簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 1 4 1集裝箱船的分類集裝箱船的分類 1 4 1 1 按照裝運(yùn)集裝箱情況集裝箱船可以分類如下按照裝運(yùn)集裝箱情況集裝箱船可以分類如下 1 部分集裝箱船 2 全集裝箱 3 可變換集裝箱船 1 4 1 2 集裝箱船按照裝箱量的多少劃分如下 集裝箱船按照裝箱量的多少劃分如下 表 1 1 集裝箱船分類 集裝箱船型分類裝箱數(shù) TEU 小型集裝箱船 1000 中型集裝箱船1000 2500 中型集裝箱船2500 8000 超大型集裝箱船8000 1 4 1 3 按照巴拿馬型的船舶劃分 按照巴拿馬型的船舶劃分 表 1 2 集裝箱船分類 集裝箱船型分類裝箱數(shù) TEU 中超巴拿馬型集裝箱船8000 超巴拿馬型集裝箱船 小超巴拿馬型集裝箱船5500 6500 巴拿馬極限性集裝箱船5000 巴拿馬型集裝箱船 巴拿馬型集裝箱船4200 1 4 1 4 按照集裝箱船的發(fā)展情況劃分 按照集裝箱船的發(fā)展情況劃分 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 3 表 1 3 第一代 第五代集裝箱船代表船型表 船舶情況船長(zhǎng) m 船寬 m 吃水 m 載箱量 TEU 載重量 t 備注 第一代 170 258700 1000 10000 第二代 225 29 111000 200015000 20 000 第三代 275 32 122000 3000 30000 第四代 295 32 123000 400040000 50 000 第五代28039 8 設(shè)計(jì)吃 12 5 結(jié)構(gòu)吃水 14 4000 500068950 總載 重噸 以魯河號(hào) 為例 第六代39556 156000 8000170890愛(ài)瑪 馬 士基 1 4 2 集裝箱船的特點(diǎn)集裝箱船的特點(diǎn) 隨著越來(lái)越高的裝卸效率 集裝箱船對(duì)于港口的占用時(shí)間大幅度縮短 使得港口 使用費(fèi)用大幅縮減 由于集裝箱船是定時(shí) 定港 定航線運(yùn)營(yíng) 為了不耽誤航運(yùn)時(shí)間 故集裝箱船的航速相對(duì)于散貨船來(lái)講比較高 通常為二十幾節(jié) 為了增加船舶的運(yùn)量 以增加其經(jīng)濟(jì)效益 所以通常在甲板以上也需要裝載集裝箱 這對(duì)于集裝箱的穩(wěn)性來(lái) 講 要求就比較高 故其船體形狀和船體結(jié)構(gòu)與普通貨船有很大的不同 通常集裝箱 船比較瘦長(zhǎng) 只在頂部設(shè)置一層寬敞平整的甲板以存放集裝箱 為了裝卸方便 集裝 箱船的甲板開口的范圍都比較大 集裝箱船一般都是尾機(jī)型 上層建筑在機(jī)艙的上部 從而可以留出更多的甲板空間來(lái)裝載集裝箱 在甲板以上可以堆放 2 6 層集裝箱 為 了穩(wěn)性起見 在甲板及貨艙口上都設(shè)有固定的綁扎設(shè)備 貨倉(cāng)內(nèi)部的裝置有導(dǎo)軌架 格柵等 集裝箱船由于甲板大開口 總縱強(qiáng)度 局部強(qiáng)度 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的損失都比較大 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為了彌補(bǔ)強(qiáng)度的不足 故通常船體為雙層底和雙層舷側(cè) 在頂部也設(shè)置 有效的抗扭箱結(jié)構(gòu)以增加總縱強(qiáng)度 集裝箱船一般都?？吭谟刑厥庋b卸設(shè)施的港口 因此不需要在船上設(shè)置裝卸設(shè)施 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 4 1 4 3 本文研究集裝箱船特點(diǎn)本文研究集裝箱船特點(diǎn) 1 4 3 1 型及航區(qū)型及航區(qū) 為了方便裝卸集裝箱 提高裝卸效率 因此與大多數(shù)集裝箱船一樣也有寬大的貨 倉(cāng)開口 船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有很大損失 故集裝箱船一般都為雙層底 雙殼 并在舷側(cè) 頂部設(shè)置抗扭箱 同時(shí)為了增加船舶的總縱強(qiáng)度 雙層底 甲板都采用縱骨架式 而 為了增加橫向強(qiáng)度 在雙層舷側(cè)采用橫骨架式 船型特點(diǎn)有 寬大艙口 無(wú)艙口蓋 裝卸靈活 停港時(shí)間短等特點(diǎn) 船舶的航區(qū)為沿海航線 1 4 3 2 船體總體布置船體總體布置 在整個(gè)船廠范圍內(nèi)總共有七對(duì)十四個(gè)壓載水艙 中間平行中體部分設(shè)置了六對(duì) 由于向首位延伸線性的變化 在首部的一對(duì)壓載水艙比較小 集裝箱船滿載出港的時(shí) 候通常也需要把壓載水艙注滿 原因在于甲板上裝載了許多集裝箱 這樣做可以降低 船舶的重心 增加適航性能 當(dāng)船舶處于壓載狀態(tài)時(shí) 浮力在船中部比較大 而重量 分布在船長(zhǎng)范圍內(nèi)分布都比較均勻 這樣會(huì)導(dǎo)致船舶處于中拱狀態(tài) 因此把首尾兩端 的艙室設(shè)置成了空倉(cāng)以降低首尾重量 機(jī)艙布置在尾部 由于甲板集裝箱裝載層數(shù)比 較高 為了不影響駕駛員的視野 提高船舶的操縱性 同時(shí)也為了減小了機(jī)艙振動(dòng)和 噪聲對(duì)船員的影響 因此該船舶的駕駛甲板和居住甲板位于船首 總布置圖如圖 1 1 所 示 圖 1 1 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 5 1 4 3 3 船體結(jié)構(gòu)布置船體結(jié)構(gòu)布置 該船的中橫剖面圖如圖 1 2 所示 圖 1 2 為了增加穩(wěn)性 故船寬比較大 從而船的寬度吃水比較大 形式上看船的中橫剖 面比較扁平 從而導(dǎo)致甲板和船底板距中和軸的距離先對(duì)較小 由于中垂彎曲和中拱 彎曲的影響 從而船的中部遭受總縱彎曲應(yīng)力比較大 因此 貨艙段主船體結(jié)構(gòu)采用 縱骨架式 以提高總縱強(qiáng)度度和屈曲強(qiáng)度 由圖中可以看出 左側(cè)為弱肋位 右側(cè)為 強(qiáng)肋位 并且為橫骨架式 船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是按照最大的設(shè)計(jì)彎矩來(lái)校核相應(yīng)的構(gòu)件 的 但是 在選取靜水彎矩時(shí) 要綜合考慮經(jīng)濟(jì)型和適航性兩方面 取得過(guò)大過(guò)小都 不合適 1 5 集裝箱運(yùn)輸簡(jiǎn)介集裝箱運(yùn)輸簡(jiǎn)介 為了提高貨物的裝卸效率 降低運(yùn)營(yíng)成本 人們開始考慮采用集裝箱裝卸貨物 這樣也可以減少貨損 最早是在陸地上采用這種形式 后來(lái)才普及到船舶運(yùn)輸上 1957 年 美國(guó)船企第一次將散貨船改裝成為集裝箱船 并在第一次運(yùn)營(yíng)中驚奇的發(fā)現(xiàn) 其裝卸效率比散貨船高出很多倍 集裝箱船停港時(shí)間短 大大降低了港口的使用費(fèi)用 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 6 增加了經(jīng)濟(jì)效益 從那以后 集裝箱船開始迅猛發(fā)展 逐漸成為貨件運(yùn)輸?shù)闹髁?集裝箱運(yùn)輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)有 1 裝卸效率高 目前港口裝備的集裝箱起重機(jī)起重能力都比較大 裝卸速度也 比較快 平均每小時(shí)可以裝卸大約 30 到 40 箱 按照每個(gè)集裝箱裝載 11 噸計(jì)算 每小 時(shí)可以裝卸 350 400 噸 然而 假如采用傳統(tǒng)的船舶吊桿或者門式起重機(jī) 由于雜貨 船的堆放比較散亂 裝卸不便等原因 效率較低 例如起重能力為 10 噸左右的門式起 重機(jī)平均每小時(shí)只能裝卸 30 35 噸雜貨 很明顯 集裝箱船的運(yùn)輸效率比雜貨船高出 很多倍 因此集裝箱船正在逐步取代雜貨船 2 安全可靠 集裝箱作為一個(gè)密閉金屬制的箱體 它對(duì)于裝載的貨物起到了很 好的保護(hù)作用 使得在運(yùn)輸過(guò)程中貨損大為降低 而假如用傳統(tǒng)的裝卸雜貨件出現(xiàn)約 1 2 的貨損是在所難免的 對(duì)于易碎品 如瓷器 玻璃品等 貨損可能高達(dá) 10 3 全天候作業(yè) 以前裝卸雜貨 為了減少貨損 遇到下雨天就必須停止作業(yè) 使得作業(yè)時(shí)間大為折減 使得裝卸效率低下 假如采用集裝箱裝卸 由于箱體是金屬 密閉的 不受雷雨天氣的影響 可以全天候作業(yè) 使得裝卸效率大為提升 4 集裝箱可重復(fù)使用 雜貨件的運(yùn)輸必須有包裝 成組的貨物還需要大包裝 假如使用集裝箱的話 可以省去包裝 而且還可以重復(fù)使用 降低了成本費(fèi) 5 縮短了貨物運(yùn)輸時(shí)間 集裝箱運(yùn)輸有定航線 定港 定時(shí) 定船等特點(diǎn) 運(yùn) 輸 航線比較固定 定期定港的運(yùn)輸方式極大地方便了運(yùn)輸商 可以使得他們對(duì)于自己 產(chǎn)品的售賣做出經(jīng)濟(jì)合理的安排 這樣可以提升這個(gè)運(yùn)輸鏈的經(jīng)濟(jì)效益 當(dāng)今的集裝 箱航速高達(dá) 28 節(jié) 使得單次航運(yùn)時(shí)間與傳統(tǒng)雜貨船大為縮減 使得商品和資金的周轉(zhuǎn) 速度大為提升 6 運(yùn)輸成本低 綜上所述 由于裝卸效率提高 碼頭利用率高 運(yùn)轉(zhuǎn)周期短等 特點(diǎn)使得集裝箱的運(yùn)輸成本大為縮減 提高了經(jīng)濟(jì)效益 隨著集裝箱運(yùn)輸在總的運(yùn)輸 量中所占的比例的提升 其低廉的運(yùn)營(yíng)成本促進(jìn)了世界各國(guó)之間的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易 使得全 球經(jīng)濟(jì)一體化的步伐進(jìn)一步加快 綜上所述 集裝箱船運(yùn)輸可以大幅度提高裝卸效率 從而降低港口使用費(fèi)和運(yùn)輸周 期 與此同時(shí) 全天候作業(yè)提高了港口的利用率 這些都使得集裝箱運(yùn)輸成本的降低 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 7 1 6 集裝箱船發(fā)展歷史概述集裝箱船發(fā)展歷史概述 1956 年 美國(guó)泛大西洋航運(yùn)公司 Pan Atlantic Steamship Company 也就是后來(lái) 的海陸服務(wù)公司 Sea Land Service Inc 將其擁有的油輪 蓋特威城 GATEWAY CITY 號(hào)散貨船改裝 并在其甲板上轉(zhuǎn)載了一部分集裝箱 第一次試航是從美國(guó)諾 瓦克港口出發(fā)到休斯頓去卸貨 然而結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)與散貨船相比 停港的時(shí)間由原來(lái)的 7 天縮減為 15 小時(shí) 裝卸費(fèi)也降為原來(lái)的 1 37 獲得了巨大的成功 從那以后 世界 各大運(yùn)輸公司紛紛開始建造自己的集裝箱船 掀起了集裝箱船建造的新浪潮 隨著建 造速度的加快 各大船東開始確定最適宜運(yùn)輸?shù)募b箱船型 并于上世紀(jì)七十年代末 確定了第一代實(shí)用船型 現(xiàn)如今 歐美國(guó)家如美國(guó) 英國(guó) 德國(guó)等 它們的雜貨物基 本都是依靠集裝箱運(yùn)輸 集裝箱船發(fā)展至今已經(jīng)有六代 現(xiàn)簡(jiǎn)介如下 第一代集裝箱船 上世紀(jì)六十年代 第一代集裝箱船基本定型 其裝箱量為 700 到 1000 箱左右 總噸位在 2 萬(wàn)噸左右 它的航行區(qū)域包括大西洋 太平洋等 第二代集裝箱船 到上世大幅度提升 已經(jīng)達(dá)到 2000 箱 總噸位也已經(jīng)達(dá)到 5 萬(wàn) 噸 與此同時(shí)航速也有了進(jìn)一步的提升 已經(jīng)提高到了 26 27 節(jié) 第三代集裝箱船 受 1973 年石油危機(jī)的影響 各種船型都開始考慮經(jīng)濟(jì)性的問(wèn)題 集裝箱船的發(fā)展也不例外 第二代集裝箱船裝箱量少 使得其經(jīng)濟(jì)效益不佳 各大船 企基于規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的思想繼續(xù)加大船型 于是第三代集裝箱船應(yīng)運(yùn)而生 然而其航 速卻降低了 凸顯了其經(jīng)濟(jì)性 第四代集裝箱船 上世紀(jì)八十年代后期 為了進(jìn)一步凸顯集裝箱船運(yùn)輸?shù)囊?guī)模經(jīng) 濟(jì)效益 世界各大造船廠加快了集裝箱船大型化發(fā)展的步伐 然而船型的劃分開始以 能否通過(guò)巴拿馬運(yùn)河為準(zhǔn)繩 開始出現(xiàn)巴拿馬型 超巴拿馬型船舶 裝箱數(shù)量也已經(jīng) 超過(guò) 4000 箱 隨著船舶的大型化發(fā)展 高強(qiáng)度鋼的采用范圍和比例也開始不斷加大 這使得船舶的重量開始大幅度減輕 船舶的屈曲強(qiáng)度應(yīng)該引起足夠重視 與此同時(shí) 新型的柴油機(jī)的功率不斷加大 而燃油費(fèi)大大降低 伴隨著科技的進(jìn)步 船舶的自動(dòng) 化程度也不斷提高 降低了人力需求 從而船舶的經(jīng)濟(jì)型進(jìn)一步提高 第五代集裝箱船 為了增大集裝箱船的穩(wěn)性 從而增大其復(fù)原力臂 德國(guó)船企率 先開建了幾艘 APLC 10 型集裝箱船 其長(zhǎng)寬比略有縮小 裝箱量也有了進(jìn)一步的提升 達(dá)到了 4800 箱 第六代集裝箱船 二十世紀(jì)末 為了加快集裝箱船大型化發(fā)展的步伐 船企開建 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 8 大型集裝箱船 其中為代表的就是馬士基公司建造的 Rehina Maersk 號(hào)集裝箱船 從此 大家紛紛開始建造以馬士基為代表的六代集裝箱船 近年來(lái) 可裝載 10000 個(gè)集裝箱的巨輪已經(jīng)在歐洲問(wèn)世 而裝箱量高達(dá)兩萬(wàn)箱的 超大型集裝箱船在韓國(guó)已經(jīng)開建 1 6 1集裝箱船大型化發(fā)展趨勢(shì)集裝箱船大型化發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)代集裝箱船的發(fā)展趨勢(shì)及所面臨的問(wèn)題 進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái) 集裝箱船大型化發(fā)展的步伐越走越快 裝箱量已經(jīng)從最初的幾 百箱到幾千箱 現(xiàn)如今已經(jīng)超過(guò)兩萬(wàn)箱 集裝箱船呈現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)化 環(huán)?；?節(jié)能化的 新特點(diǎn) 船長(zhǎng)也已經(jīng)超過(guò) 350 米 有的超大型的集裝箱船已經(jīng)接近 400 米 根據(jù)經(jīng)濟(jì) 學(xué)中的規(guī)模效益理論 一次航行過(guò)程中的運(yùn)輸量越大 其規(guī)模性越明顯 單件產(chǎn)品的 運(yùn)營(yíng)成本也就越低 經(jīng)濟(jì)效益也就越明顯 近年來(lái) 隨著焊接技術(shù)的快速發(fā)展以及高 強(qiáng)度鋼的采用 未來(lái)集裝箱船大型化的發(fā)展趨勢(shì)還會(huì)進(jìn)行下去 也就意味著主尺度還 會(huì)進(jìn)一步增大 然而船舶大型化發(fā)展也帶來(lái)了一系列的問(wèn)題 比如應(yīng)力集中 穩(wěn)性不 足 總縱強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度不夠等 隨著 EEDI 的全面生效 以及近年來(lái)石油等燃料價(jià)格的不斷攀升 航與企業(yè)開始 加大對(duì)于低成本 節(jié)能環(huán)保的關(guān)注度 因此 如何設(shè)計(jì)出一艘能源消耗少 載箱量大 節(jié)能環(huán)保的新船型成為了國(guó)際集裝箱船舶設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn) 現(xiàn)如今 主流的集裝箱船 舶的航速已將較原來(lái)的船型大大的降低了 由最初的 25 節(jié)降為現(xiàn)如今的 18 節(jié)甚至更 低 這樣的發(fā)展趨勢(shì)下 為了改善船舶低航速時(shí)的阻力性能同時(shí)也是為了增加船舶的 載箱量 目前主流設(shè)計(jì)思想都是采用豐滿的型線設(shè)計(jì) 這樣做使得首尾艙室的裝箱量 增加 增加了首尾重量 同時(shí)肥大的首尾線型使得首尾的排水量增加 從而靜水彎矩 也有所增加 使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題變得越來(lái)越突出 現(xiàn)代超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 伴隨著船舶的大型化發(fā)展 為了減輕結(jié)構(gòu)重量增加船舶的裝貨量以增加經(jīng)濟(jì)效益 在船舶的設(shè)計(jì)和建造中 對(duì)于高強(qiáng)度鋼的使用范圍和比例越來(lái)越大 其強(qiáng)度等級(jí)也有 所提高 這樣可以大大減輕結(jié)構(gòu)重量 從而載貨量增加 進(jìn)一步增加船舶的經(jīng)濟(jì)效益 以前大型的集裝箱船由于首尾型線比較瘦削 結(jié)構(gòu)重量比較小 因此 重量分布 比較均勻 而浮力主要集中在船中 因此船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要考慮中拱帶來(lái)的總縱強(qiáng)度 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 9 問(wèn)題 然而超大型集裝箱船采用的肥大船型設(shè)計(jì) 首尾的裝箱量和結(jié)構(gòu)重量的增加使 得局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題變得愈加突出 因此 在超大型集裝箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中 要兼顧總 縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度 并且對(duì)于扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度也要引起足夠的重視 1 7 集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核發(fā)展趨勢(shì)集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核發(fā)展趨勢(shì) 傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)分析分為兩部分 一是船體局部強(qiáng)度分析 二是全船總縱強(qiáng)度的 簡(jiǎn)化分析 對(duì)局部強(qiáng)度分析 目前通用的方法是采用有限元分析 對(duì)于所要研究的結(jié)構(gòu)運(yùn)用 相關(guān)軟件進(jìn)行建模 然后根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)對(duì)模型施加載荷 接著運(yùn)用相關(guān)軟件 進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 得出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告 近些年來(lái) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 采用有限元模型分析法對(duì)所要考慮部分進(jìn)行校核的方法已經(jīng)各大設(shè)計(jì)公司采用 這種 做法在業(yè)界也獲得了普遍的認(rèn)可 在總體強(qiáng)度分析中 初始的研究方法是采用船體梁理論 采用簡(jiǎn)化方法 將船體 看成一根梁 復(fù)雜構(gòu)件如肋骨 肋板 縱骨 縱桁等 被簡(jiǎn)化成一條一條直線 在結(jié) 構(gòu)計(jì)算中為了體現(xiàn)出其材料屬性 所以通過(guò)單元模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 并把外界傳遞過(guò) 來(lái)的各種載荷施加在這些簡(jiǎn)化直線上 為了計(jì)算出強(qiáng)力構(gòu)件所受到的應(yīng)力 將構(gòu)件的 內(nèi)力分為總彎曲應(yīng)力和板架彎曲應(yīng)力 各自進(jìn)行計(jì)算 最后再采用應(yīng)力合成法得到構(gòu) 件的內(nèi)力 整個(gè)船體是一個(gè)整體 其受力也具有整體性 單純?yōu)榱擞?jì)算方便 強(qiáng)行的將兩種 有著互相聯(lián)系的力分開 這種方法本身的理論依據(jù)就不足 由于受力計(jì)算的不準(zhǔn)確 在設(shè)計(jì)時(shí)為了保證船舶的安全性 單純的用調(diào)高安全系數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 然而 這也 必然造成了結(jié)構(gòu)材料的浪費(fèi)和施工費(fèi)用的增加 降低船舶的經(jīng)濟(jì)型 因此 船體梁理 論是粗略的計(jì)算 并不完善 由于各種受力之間的互相影響 人為的將它們分開缺乏 理論依據(jù) 并不合理 大型的集裝箱船結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 為了實(shí)現(xiàn)不同的功能 設(shè)計(jì)者對(duì)于船體內(nèi)部空間 做出了合理的規(guī)劃 同時(shí)船舶的橫剖面積沿著船長(zhǎng)方向變化也比較大 這樣以來(lái) 對(duì) 于把船體剖面看成基本不變的船體梁理論顯然已經(jīng)不適用 針對(duì)大型集裝箱船的這種 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 必須采用一種考慮到非等值結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)問(wèn)題的新型的船體梁設(shè)計(jì)方法 現(xiàn)如今 國(guó)際上的主流思想是采用基于薄壁梁理論的有限薄壁梁理論 Wide 最先開始 相關(guān)研究船 在校核扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度時(shí) 為了計(jì)算簡(jiǎn)便 他將船中的平行中體部分看成是等 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 10 斷面的 而將兩端線性變化比較大的首尾結(jié)構(gòu)看成是中部平行段的約束 由于當(dāng)時(shí)認(rèn) 識(shí)的局限性 并未考慮到非棱柱的三維效應(yīng)問(wèn)題 從而導(dǎo)致他的計(jì)算結(jié)果誤差比較大 由于船體的非棱柱性 現(xiàn)在普遍的計(jì)算思路都是采用有限梁的計(jì)算方法 即把變 斷面的船體梁看成是階梯形狀的 并采一維的有限元法或者是遷移矩陣法 在計(jì)算時(shí) 由于彎矩之間的耦合作用 上述計(jì)算理論也不盡完善 但是 在初步設(shè)計(jì)階段 薄壁 梁理論還可以起到一定的指導(dǎo)作用 薄壁梁理論采用的是確定性的研究方法 但是對(duì) 于波浪載荷這樣的隨機(jī)性變量 按照上述方法就很難得出很好的計(jì)算結(jié)果 也得不出 各個(gè)部位的詳細(xì)應(yīng)力分布 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 針對(duì)全船的有限元分析已經(jīng)變?yōu)榱丝赡?目前可以 采用模型法 用膜 桁 梁 殼等單元模擬表達(dá)船體的各個(gè)部位的主要構(gòu)件 這樣可 以較為真實(shí)的模擬表達(dá)船舶各個(gè)部位的剛度特性 最后施加載荷 并通過(guò)有限元分析 軟件得出應(yīng)力分布圖 從上世紀(jì)九十年代開始 世界造船界針對(duì)大開口的集裝箱船開始普遍采用有限元 分析法 使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核上升到一個(gè)新的階段 隨著技術(shù)的進(jìn)步 基于概率性計(jì) 算的直接計(jì)算法開始代替確定性計(jì)算方法 例如美國(guó) ABS 船級(jí)社就推薦采用 DLA 設(shè) 計(jì)方法 目前國(guó)外前進(jìn)的船級(jí)社都開始采用動(dòng)態(tài)載荷對(duì)大型集裝箱船的總縱強(qiáng)度進(jìn)行 直接計(jì)算 主要研究思路如下 首先采用流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算程序?qū)Υ斑\(yùn)營(yíng)所處的海況 進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào) 運(yùn)用載荷參數(shù)法 對(duì)鎖預(yù)報(bào)的波動(dòng)進(jìn)行參數(shù)化處理 得出一種概率性 的均勻波 并測(cè)量出其具有的波長(zhǎng) 波高 相位等基本參數(shù) 然后將得到的等效規(guī)則 波施加在已建立好的有限元模型上 從而得出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布 目前在海洋工程領(lǐng)域 已經(jīng)提出基于載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均采用概率性分析方法的 LRFD 方法 伴隨著科技的進(jìn) 步 船舶結(jié)構(gòu)領(lǐng)域也會(huì)逐漸采用此先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 11 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 12 第第 2 章章 有限元分析軟件簡(jiǎn)介有限元分析軟件簡(jiǎn)介 2 1 Patran 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 MSC Patran 集成的并行框架式有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng) 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展 CAE 仿真技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛 由于 CAD 系統(tǒng)間各有各的特色 并且產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能的仿真也具有多樣性的特點(diǎn) 因此 急 需一款軟件能將 CAE 仿真的各個(gè)集成塊融合到一個(gè)統(tǒng)一完善的 易學(xué)易用的平臺(tái)上 MSC Patran 應(yīng)運(yùn)而生 設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己本行業(yè)的實(shí)際需要 可以在此開放式平臺(tái) 上進(jìn)行多好學(xué)科間的數(shù)據(jù)交換 工程分析等 目前 MSC Patran 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于 航空 航天 鐵道 制造業(yè) 船舶 機(jī)械 電子 建筑 教學(xué)研究 生物力學(xué)等各個(gè) 行業(yè) MSC Patran 特點(diǎn)如下 1 擁有友好的 條理清晰的 簡(jiǎn)潔易懂的用戶界面 正符合目前主流的 CAE 操 作流程 也有利于軟件應(yīng)用的推廣 用戶界面分人菜單分級(jí)不超過(guò)三個(gè)并且按照時(shí)間 的先后順序一一激發(fā) 使得用戶可以快速的介入任何分析任務(wù) 并自由切換 2 豐富的電子表格工具 為了給用戶提供更多的服務(wù)功能 在其下拉菜單中有諸 如圖形編輯 移動(dòng)條碼 視圖等快捷按鈕 如果用戶想要管理或者輸入自己想要的數(shù) 據(jù)可以通過(guò)單擊 單擊和拖動(dòng) 或者 多功能屏幕拾取選擇 按鈕 方便簡(jiǎn)潔 通俗 易懂 軟件中提供的各類表格全部采用的是普通的工程界最基本的術(shù)語(yǔ) 整個(gè)界面簡(jiǎn) 潔易懂 3 對(duì)大模型的操作響應(yīng)極快 本軟件由于其構(gòu)架的優(yōu)越性 在處理結(jié)構(gòu)模型時(shí) 能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行快速優(yōu)化 對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行合理有效的劃分 使得軟件在處理模型時(shí)能夠 快速準(zhǔn)確的得出結(jié)果 4 MSC Patran 軟件服務(wù)商為我們提供了在線的全文服務(wù)系統(tǒng) 使得我們的問(wèn) 題可以及時(shí)得到解決 除此之外 在軟件中執(zhí)行相關(guān)命令時(shí) 所有的操作都會(huì)自動(dòng)保 存或者恢復(fù)編輯修改 有助于我們避免在執(zhí)行錯(cuò)誤操作后及時(shí)恢復(fù) 方便了用戶的使 用 5 強(qiáng)大的幾何建模功能 MSC Patran 提供了一系列的幾何建模功能 包括幾 何元素的創(chuàng)建 Create 刪除 Delete 編輯 edit 變換 Transform 顯示 show 檢查 Verify 關(guān)聯(lián) Associate 取消關(guān)聯(lián) Disassociate 重新標(biāo)號(hào) 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 13 Renumber 6 幾何模型直接訪問(wèn)技術(shù) 除了本身建模外 本軟件還可以直接從 CAD 等大 型建模軟件中直接導(dǎo)入模型 方便了廣大用戶 7 分析求解器集成 作為一款優(yōu)秀的有限元模型分析前后置處理器 它提供了 按照 事件分類 分析求解器的選擇功能 使得 MSC Patran 的分析集成系統(tǒng)達(dá)到了一 個(gè)嶄新的水平 因此 用戶可以根據(jù)自己后期的計(jì)算需要 自助選擇不同的分析軟件 8 有限元建模功能 本軟件中集成了自動(dòng)實(shí)體網(wǎng)格單元格劃器 可靠的映射網(wǎng) 格劃分器 掃成網(wǎng)格生成器等多種網(wǎng)格生成器 軟件還集成了一些獨(dú)特的網(wǎng)格處理功 能 2 2Nastran 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 為了方便各行各業(yè)處理工程問(wèn)題分析 美國(guó)宇航局開發(fā)出了適應(yīng)于多種用途的有 限元分析軟 這個(gè)系統(tǒng)稱為 NASA Structural Analysis System 命名為 Nastran 上世紀(jì)六十年代初 為了能早日登上月球 美國(guó)宇航局希望開發(fā)一款大型的有限 云結(jié)構(gòu)分析軟件 并且其兼容性要好 能夠在幾乎所有的大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行 當(dāng)時(shí) MacNeal Scherndler Corporation 即 MSC 公司 參與了這一開發(fā)過(guò)程 Nastran 程序最 早在 1969 年通過(guò) COSMIC Computer Software Management and Information Center 對(duì) 外發(fā)行 一般稱為 COSMIC Nastran 隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的飛速發(fā)展 Nastran 程序的版 本更新速度也開始加快 其中被用戶廣泛使用的當(dāng)屬 MSC 公司所開發(fā)的 MSC Nastran 程序 MSC Nastran 的應(yīng)用極大地方便了各行各業(yè)的對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的需要 進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái) MSC Software 公司為結(jié)合新的計(jì)算方法 對(duì)于 MSC Nastran 進(jìn) 行了改進(jìn) 尤其是對(duì)其進(jìn)行 MD 技術(shù)特新開發(fā) 并于 2006 年發(fā)布了 MD Nastran 新 的軟件能處理多種學(xué)科的仿真 能處理顯式非線性 高級(jí)非線性 熱分析 外噪聲分 析等問(wèn)題 從而增大軟件的應(yīng)用范圍 MSC Nastran 軟件功能介紹 1 靜力分析 在模型的結(jié)構(gòu)校核中 為了計(jì)算在受靜力載荷下的應(yīng)力 Nastran 軟件為大家提供 了靜力分析功能 可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)的受力 位移 約束力等 2 屈曲分析 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 14 在船舶結(jié)構(gòu)校核中 除了要計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外 還要校核穩(wěn)定性 也就是屈曲問(wèn)題 本軟件中的屈曲分析包括線性和非線性兩種 3 動(dòng)力學(xué)分析 為了校核結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下得受力響應(yīng) MSC Nastran 軟件為我們提供了應(yīng)對(duì)動(dòng)變 載荷的響應(yīng)分析 為了綜合性考慮 在分析中也包含了對(duì)于慣性和阻尼的響應(yīng) 4 非線性分析 為了使得分析計(jì)算更趨于合理性 在校核中必須考慮結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng) 其包含 材料 幾何 以及接觸等的非線性問(wèn)題 5 熱傳導(dǎo)分析 當(dāng)所研究的結(jié)構(gòu)模型處于帶有熱量變化的環(huán)境中時(shí) 結(jié)構(gòu)校核必須把這一部分變 化包含進(jìn)來(lái) 因此 MSC Nastran 可以有效的分析出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量分布 并以直觀的 顏色分布顯示出來(lái) 加大的方便了工作者的結(jié)構(gòu)熱力分析 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于產(chǎn)品的熱力 性能改善 6 流 固耦合分析 當(dāng)所研究的結(jié)構(gòu)模型與流體有力的相互作用時(shí) 受力還比較復(fù)雜 MSC Nastran 軟件中提供了許多求解流 固耦問(wèn)題的方法 包括虛質(zhì)量法 流 固耦合法等 極大地方便了船舶設(shè)計(jì)工作者在水環(huán)境下對(duì)于船體結(jié)構(gòu)的分析 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 15 第第 3 章章 艙段有限元模型的建立艙段有限元模型的建立 3 1 概述概述 3 1 1 評(píng)估依據(jù)評(píng)估依據(jù) 根據(jù)中國(guó)船級(jí)社 國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范 2012 及其 2014 修改通報(bào)第 2 篇第 7 章附錄 2 集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算 以及 集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南 第 3 章 貨艙區(qū)域主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算 的規(guī)定 對(duì) 730TEU 集裝箱船貨艙區(qū)域的主要 構(gòu)件應(yīng)用直接計(jì)算方法進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算 3 1 2 圖紙資料圖紙資料 1 總布置圖 2 基本結(jié)構(gòu)圖 3 典型橫剖面圖 4 貨艙段結(jié)構(gòu)圖 3 2 船體總體概述船體總體概述 3 2 1 主尺度主尺度和主要參數(shù)和主要參數(shù) 總 長(zhǎng) 127 60 m 水 線 長(zhǎng) 122 50 m 垂線間長(zhǎng)120 20 m 型 寬21 40 m 型 深 10 40 m 設(shè)計(jì)吃水6 70 m 肋 距 0 60 m 設(shè)計(jì)航速11 2 kn 航 區(qū) 沿 海 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 16 3 2 2 主要構(gòu)件尺寸主要構(gòu)件尺寸 表 3 1 主要構(gòu)件尺寸 構(gòu)件名稱構(gòu)件尺寸 mm 內(nèi)底縱骨L160 100 10 外底縱骨L160 100 10 舷側(cè)縱骨L160 100 10 平臺(tái)縱骨L125 80 10 舭部強(qiáng)肋骨T 型材 10 400 12 120 舷側(cè)強(qiáng)肋骨T 型材 10 400 14 180 弦頂強(qiáng)肋骨T 型材 10 400 12 120 甲板縱骨T 型材 16 400 16 240 3 2 3 其它概述其它概述 1 本船共裝載集裝箱 730 只 集裝箱尺寸 長(zhǎng) 寬 高 6058mm 2438mm 2591mm 2 本船裝載狀態(tài)如下 A 配箱裝載時(shí) 共裝載集裝箱 730 只 平均每只集裝箱重 11 56t B 裝載 14t 箱時(shí) 重箱 1 每只集裝箱重 14t C 裝載 28t 箱時(shí) 重箱 2 每只集裝箱重 28t 3 3 結(jié)構(gòu)有限元模型結(jié)構(gòu)有限元模型 3 3 1 模型范圍模型范圍 運(yùn)用 MSC Patran Nastran 軟件進(jìn)行建模及計(jì)算 采用三維有限元模型 模型寬度 范圍 1 邊界條件類型為對(duì)稱時(shí)選取為半寬模型 取左舷 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 17 2 邊界條件類型為非對(duì)稱時(shí)選取全寬模型 艙段模型的縱向范圍從 49 肋位到 107 肋位 垂向范圍為從船體基線到艙口圍板 上緣 其中甲板等平板結(jié)構(gòu)用板單元模擬 肋板 底縱桁 甲板縱桁 甲板強(qiáng)橫梁 舷側(cè)強(qiáng)肋骨 艙壁垂直桁等腹板用板單元模擬 面板用梁?jiǎn)卧M 其它小的骨材用 梁?jiǎn)卧M 模型長(zhǎng)度單位 m 有限元模型有 半寬模型節(jié)點(diǎn) 27139 個(gè) 單元 40763 個(gè) 全寬模型節(jié)點(diǎn) 53706 個(gè) 單元 81065 個(gè) 材料屬性 彈性模量 E 2 06 105 MPa 泊松比 0 3 密度 7 85 t m3 有限元模型如圖 3 2 圖 3 11 所示 圖 3 2 半寬結(jié)構(gòu)有限元模型 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 18 圖 3 3 半寬結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖 隱去內(nèi)底板和內(nèi)舷板 圖 3 4 半寬舷側(cè)結(jié)構(gòu)有限元模型局部放大圖 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 19 圖 3 5 全寬結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖 圖 3 6 全寬船底結(jié)構(gòu)有限元模型局部放大圖 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 20 圖 3 7 半寬結(jié)構(gòu)有限元模型板厚示意圖 圖 3 8 半寬結(jié)構(gòu)有限元模型板厚示意圖 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 21 圖 3 9 半寬結(jié)構(gòu)有限元模型板厚示意圖 隱去內(nèi)底和內(nèi)舷 圖 3 10 全寬結(jié)構(gòu)有限元模型板厚示意圖 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 22 圖 3 11 全寬結(jié)構(gòu)有限元模型板厚示意圖 隱去內(nèi)底和內(nèi)舷 3 3 2 坐標(biāo)系坐標(biāo)系 坐標(biāo)系見圖 3 11 所示 原點(diǎn) 0 位于 49 號(hào)船底中線處 X 軸指向船艏為正方向 Y 軸指向左舷為正方向 Z 軸向上為正方向 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 23 第第 4 章章 載荷施加及強(qiáng)度校核載荷施加及強(qiáng)度校核 4 1 計(jì)算工況計(jì)算工況 根據(jù) 國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范 2012 及其 2014 修改通報(bào)第 2 篇第 7 章附錄 2 集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算 中 2 3 計(jì)算工況 的要求 選取工況如下 1 LC1 中間 40ft 箱位空艙 2 LC4 船舶橫傾 中間 40ft 箱位空艙 3 LC5 船舶橫傾 4 LC6 船舶縱蕩 5 LC7 根據(jù)穩(wěn)性計(jì)算書 選取滿載出港貨艙浸水 依據(jù)以上五種工況對(duì)本船進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算 而其中每種工況又分別 包含三種情況 如表 4 1 所示 表 4 1 裝載工況表 工況配箱 730TEU 重箱 1 14t 重箱 2 28t LC1 LC4 LC5 LC6 LC7 4 2 邊界條件邊界條件 根據(jù) 規(guī)范 LC1 LC6 和 LC7 為邊界類型對(duì)稱工況 LC4 和 LC5 為邊界類型 非對(duì)稱工況 4 2 1 對(duì)稱邊界條件對(duì)稱邊界條件 縱中剖面對(duì)稱邊界條件 對(duì)于結(jié)構(gòu)形式 設(shè)計(jì)載荷均左右對(duì)稱的工況 LC1 LC6 和 LC7 縱中剖面內(nèi)節(jié) 點(diǎn)的橫向線位移 繞縱中剖面內(nèi)兩個(gè)坐標(biāo)軸的角位移約束 即 y x z 0 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 24 4 2 2 局部載荷工況邊界條件局部載荷工況邊界條件 1 此邊界條件適用于載荷對(duì)稱的計(jì)算工況 見表 4 2 2 端面 A 與 B 施加對(duì)稱面邊界條件 端面內(nèi)節(jié)點(diǎn)的縱向線位移 繞端面內(nèi)兩個(gè)坐 標(biāo)軸的角位移約束 即 x y z 0 3 舷側(cè)外板 內(nèi)殼板與前后橫艙壁交線上節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置垂向彈簧單元 彈簧單元彈性 系數(shù)均勻分布 彈性系數(shù)按下式計(jì)算 6456 N mm 5 6 H GA K l n 66348006 22468010792 0 5 5 式中 材料的剪切彈性模量 對(duì)于鋼材 N mm2 G 5 0 792 10G 前后艙壁處舷側(cè)外板 內(nèi)殼板的剪切面積 取 224680mm2 A 中部貨艙長(zhǎng)度 取 34800mm H l 舷側(cè)外板 內(nèi)殼板上垂向交線節(jié)點(diǎn)數(shù)量 取 n 66 n 表 4 2 局部載荷邊界條件 線位移約束角位移約束 位置 x y z x y z 方向縱向橫向垂向繞 X 軸轉(zhuǎn)繞 Y 軸轉(zhuǎn)繞 Z 軸轉(zhuǎn) A B 端固定 固定固定 CL 固定 固定 固定 交線 EG FH 彈簧 4 2 3 橫傾工況邊界條件橫傾工況邊界條件 1 此邊界條件適用于載荷非對(duì)稱的橫傾工況 應(yīng)采用全寬模型 見表 4 3 2 端面 A 與 B 施加對(duì)稱面邊界條件 即 x y z 0 3 舷側(cè)外板 內(nèi)殼板與前后橫艙壁交線上節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置垂向彈簧單元 彈簧單元彈性 系數(shù)均勻分布 彈性系數(shù)參見 4 2 2 即 k 6456 N mm 4 船底板 內(nèi)底板與前后橫艙壁交線上節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置水平彈簧單元 彈簧單元彈性系 數(shù)均勻分布 彈性系數(shù)按下式計(jì)算 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 25 7236N mm 4 1 5 6 H GA K l n 114348006 43500010792 0 5 5 式中 材料的剪切彈性模量 對(duì)于鋼材 N mm2 G 5 0 792 10G 前后艙壁處船底板 內(nèi)底板的剪切面積 取 435000mm2 A 中部貨艙長(zhǎng)度 取 34800mm H l 船底板 內(nèi)底板上水平交線節(jié)點(diǎn)數(shù)量 取 n 114 n 表 4 3 不對(duì)稱邊界條件 線位移約束角位移約束 位置 x y z x y z 方向縱向橫向垂向繞 X 軸轉(zhuǎn)繞 Y 軸轉(zhuǎn)繞 Z 軸轉(zhuǎn) A B 端固定 固定固定 交線 EG FH 彈簧 交線 IK JL 彈簧 邊界條件各符號(hào)見圖 4 1 圖 4 1 計(jì)算工況的邊界條件符號(hào)示意圖 4 3 計(jì)算載荷計(jì)算載荷 局部載荷計(jì)算工況中考慮的載荷分量如下 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 26 1 空船重量 2 集裝箱載荷 將集裝箱重量加到內(nèi)底板上對(duì)應(yīng)箱角位置上 3 吃水引起的靜水壓力 基線處 2 1 025 9 8110 055 static PgzzzkN m 水線處 2 0 static PkN m 其中 z 相應(yīng)工況下計(jì)算吃水 m 4 局部波浪載荷引起的附加壓力 水線處 27 519 www CkP3 W C31 1 339 8 3 3 2 mkN 基線處 18 763 wBB CkP5 1 w C5 15 1 339 825 2 2 mkN 其中 PW和 PB之間線性插值 1 1 1 5 WB kk CW 波浪系數(shù) 339 8 w C L 船長(zhǎng) 120 20m 5 橫傾工況中 LC4 LC5 模型處于一靜橫傾狀態(tài) 計(jì)算各載荷分量 貨艙內(nèi) 集裝箱隨船舶橫傾產(chǎn)生的橫向載荷分量 按其在縱艙壁對(duì)應(yīng)的箱角分布位置為作用點(diǎn) 以一組集中力作用在縱艙壁上 6 由船舶縱向加速度作用在集裝箱上產(chǎn)生的縱向載荷 貨艙內(nèi)每一集裝箱縱向運(yùn)動(dòng)加速度產(chǎn)生的力按各集裝箱的物理位置由集裝箱對(duì)應(yīng) 箱角位置傳遞到橫艙壁的主要結(jié)構(gòu)上 縱向合成加速度應(yīng)按下式計(jì)算 4 2 2 sin10 mrppxl zzaaa 2 sm 2 式中 1 z 計(jì)算點(diǎn)到基線的垂向距離 m 2 橫搖轉(zhuǎn)動(dòng)軸和縱搖轉(zhuǎn)動(dòng)軸到基線的垂向距離 應(yīng)按下列兩式計(jì) rp z 算 取小值 取 5 2m 2 5 2 94 5 24 2 1 m D z m dD z rp rp rp z 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 27 其中 D 型深 m d 吃水 m 3 縱蕩加速度 應(yīng)按下式計(jì)算 x a 0 783 bx Caa 0 2 式中 方形系數(shù) b C 加速度系數(shù) 應(yīng)按下式計(jì)算 0 a 432 0 3 0 L C L C a vw 其中 219 0 50 2 120 50 L Cv L 船長(zhǎng) 120 2m V 航速 11 2kn 波浪系數(shù) 8 339 W C 4 縱搖角加速度 應(yīng)按下式計(jì)算 p a 2 2 28 6 srad T a p mp 式中 縱搖周期 s 按下式計(jì)算 p T s L TP240 6 10 80 1 5 最大縱搖角 rad 按下式計(jì)算 但不得大于 0 14 m rad C a b m 131 0 25 0 0 7 工況 LC7 中由于貨艙浸水使得舷側(cè)內(nèi)殼 內(nèi)底板和橫艙壁上所受的浸水壓力為 18 1 8 9025 1 81 9 025 1 11 zdzhdgzPstatic 2 mkN 其中 浸水表面距內(nèi)底板的距離 6 618m 1 d 1 d h 雙層底高 1 18m 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 28 4 4 許用應(yīng)力許用應(yīng)力 本船貨艙區(qū)全部結(jié)構(gòu)都采用低碳鋼 其材料換算系數(shù) k 為 1 0 本船評(píng)估區(qū)域?yàn)?從 49 肋位到 107 肋位的貨艙區(qū)主要結(jié)構(gòu) 各主要構(gòu)件對(duì)應(yīng)校核工況下最大許用應(yīng)力 如表 4 4 所示 根據(jù)中國(guó)船級(jí)社 國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范 2012 及其 2014 修改通報(bào)第 2 篇第 7 章附錄 2 集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算 中 2 6 2 的要求 局部載荷工況下 各主要 構(gòu)件的許用應(yīng)力見表 4 4 表 4 4 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力 2 mmN 構(gòu)件名稱計(jì)算工況 l W e 船底板 內(nèi)底板LC1 2 3 100 K140 K 舷側(cè)板 縱艙壁LC1 2 3 4 5 140 K 90 K LC1 2 3 100 K 175 K90 K 船底縱桁 雙層 底肋板 橫向強(qiáng) 框架 LC1 2 3 4 5 175 K90 K 邊艙縱向平臺(tái)LC1 2 3 4 5 100 K 175 K90 K 橫艙壁板LC1 2 3 140 K175 K90 K LC1 2 3 4 5 140 K175 K 橫艙壁桁材 LC6 85 K LC4 5 140 K175 K90 K 甲板橫向抗扭箱 LC6 85 K 縱骨及加強(qiáng)筋LC1 2 3 4 5 6 220 K 表中 e 合成應(yīng)力 l 船長(zhǎng)方向正應(yīng)力 W 船寬或船深方向正應(yīng)力 腹板總高度 或總深度 內(nèi)的平均剪應(yīng)力 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 29 4 5 應(yīng)力衡準(zhǔn)以及結(jié)論應(yīng)力衡準(zhǔn)以及結(jié)論 本船貨艙區(qū)全部結(jié)構(gòu)都采用低碳鋼 其材料換算系數(shù) k 為 1 0 本船評(píng)估區(qū)域?yàn)?從 49 肋位到 107 肋位的貨艙區(qū)主要結(jié)構(gòu) 各主要構(gòu)件對(duì)應(yīng)校核工況下最大許用應(yīng)力 如表 4 4 所示 根據(jù)表 4 5 可見 對(duì)應(yīng)校核工況各主要構(gòu)件應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求 表 4 5 各主要構(gòu)件應(yīng)力匯總及應(yīng)力衡準(zhǔn)表 構(gòu)件名稱校核工況 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 配箱 83 791 1 重箱 1 76 977 2 LC1 重箱 2 80 991 9 配箱 21 019 7 重箱 1 31 134 6 船底外板 LC7 重箱 2 38 339 0 配箱 77 4117 重箱 1 71 087 5 LC1 重箱 2 74 8112 配箱 24 066 8 重箱 1 35 252 3 內(nèi)底板 LC7 重箱 2 44 365 1 配箱10978 6 62 3 重箱 110272 6 58 4LC1 重箱 212177 3 69 4 配箱84 824 2 43 5 重箱 111134 2 55 8 船底縱桁 LC7 重箱 214844 8 74 8 配箱167 83 0 重箱 1134 73 9 LC1 重箱 2166 81 7 配箱157 83 3 雙層底肋板 橫向強(qiáng)框架 LC4 重箱 1142 71 5 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 30 構(gòu)件名稱校核工況 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 重箱 2157 83 9 配箱157 83 3 重箱 1141 70 8LC5 重箱 2158 83 3 配箱138 78 6 重箱 188 6 48 2LC7 重箱 2126 69 4 配箱 26 731 5 重箱 1 16 933 4LC1 重箱 2 22 744 5 配箱 21 425 5 重箱 1 23 343 7LC4 重箱 2 23 443 7 配箱 21 425 5 重箱 1 24 627 8LC5 重箱 2 23 621 3 配箱 26 035 3 重箱 1 26 330 6 舷側(cè)外板 LC7 重箱 2 34 544 8 配箱 95 847 7 重箱 1 74 647 3LC1 重箱 2 92 057 3 配箱 88 344 6 重箱 1 61 241 2LC4 重箱 2 73 050 1 配箱 88 344 6 重箱 1 38 653 8LC5 重箱 2 49 581 9 內(nèi)舷側(cè)板 LC7配箱 31 639 1 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 31 構(gòu)件名稱校核工況 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 重箱 1 30 735 3 重箱 2 49 746 2 配箱61 424 2 33 6 重箱 140 724 7 22 4LC1 重箱 274 329 4 40 4 配箱77 140 5 42 7 重箱 160 430 4 32 7LC4 重箱 285 135 1 40 9 配箱77 140 5 42 7 重箱 174 027 4 39 0LC5 重箱 286 240 5 42 3 配箱14668 2 78 3 重箱 110849 5 57 6 邊艙縱 向平臺(tái) LC7 重箱 213774 8 72 7 配箱146 11578 0 重箱 1113 87 659 5LC1 重箱 2139 11272 6 配箱133 10665 6 重箱 184 8 87 544 1 橫艙壁板 LC7 重箱 2126 13063 5 配箱61 5 50 3 重箱 157 7 51 8 LC1 重箱 260 1 57 7 配箱50 3 51 9 重箱 142 1 45 5 LC4 重箱 230 3 30 5 配箱50 3 51 9 重箱 122 3 23 5 橫艙壁桁材 LC5 重箱 219 3 19 6 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 32 構(gòu)件名稱校核工況 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 配箱118 122 重箱 188 0 91 0 LC7 重箱 2137 130 配箱39 3 重箱 143 5 LC6 重箱 279 1 配箱118 36 732 3 重箱 171 6 19 628 4 LC4 重箱 287 4 19 622 3 配箱111 36 732 3 重箱 1117 16 219 1LC5 重箱 270 8 19 218 4 配箱26 9 重箱 129 4 甲板橫向 抗扭箱 LC6 重箱 251 5 配箱220165220169 重箱 1220