船體結(jié)構(gòu)有限元分析專題

船體結(jié)構(gòu)有限元分析專題概述船體是由板梁組成的三維空間結(jié)構(gòu)，是在水中漂浮的自由體，在重力和浮力作用下處于自平衡狀態(tài)。根據(jù)這些特點(diǎn)，進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)，各國(guó)船級(jí)社都有一些要求和規(guī)定。我國(guó)船級(jí)社〔CCS〕的以下標(biāo)準(zhǔn)可供參考：船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算指南〔海船〕鋼質(zhì)內(nèi)河船舶船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算指南〔內(nèi)河〕散貨船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南油船船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算指南集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南雙舷側(cè)散貨船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南應(yīng)用ANSYS程序進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)遵照這些指南或標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，比方單元選取，網(wǎng)格劃分要求，邊界條件，載荷等。然后才能選用它們規(guī)定的許用應(yīng)力衡準(zhǔn)。編輯課件1.船體結(jié)構(gòu)模型通?？梢詣澐殖梢韵骂愋停?a)船體梁整體模型〔圖1〕圖1船體梁整體模型圖2艙段模型(b)艙段模型〔圖2〕編輯課件(c)交叉梁系模型〔板架〕〔圖3〕(d)肋骨框架模型〔圖4〕(e)局部結(jié)構(gòu)模型〔圖5〕圖3交叉梁系模型

圖4肋骨框架模型圖5局部結(jié)構(gòu)模型編輯課件2.單元類型選取艙段及整船分析主要應(yīng)用板梁組合結(jié)構(gòu)模型。骨架采用梁?jiǎn)卧?，板采用殼單元，?duì)于高腹板梁的腹板用殼單元離散，面板用桿單元，支柱及撐材等用桿單元。此外為處理特殊邊界條件可能還需要應(yīng)用一些特殊單元。3.本專題我們將重點(diǎn)介紹艙段和整船有限元分析方法，包括以下內(nèi)容：板梁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算艙段有限元分析－建模、施加邊界條件、施加波浪載荷方法全船有限元分析局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析以上內(nèi)容，用ANSYS程序?qū)崿F(xiàn)編輯課件第一章板梁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算§1概述ANSYS中梁?jiǎn)卧愋陀卸喾N，在船體結(jié)構(gòu)計(jì)算中主要應(yīng)用Beam44和Beam188單元。Beam44是3D帶斜度的非對(duì)稱梁元，節(jié)點(diǎn)i，j，k〔k為定位點(diǎn)〕，它的理論模型是:Euler-Bernolli梁－包括軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)變形，橫向剪切變形不包括在單元公式中，即假設(shè)梁的剪切變形被忽略。這只有當(dāng)梁的截面尺寸h與典型軸向尺寸L之比h/L≤1/15時(shí)才能給出合理的結(jié)果。編輯課件Beam44采用3次形函數(shù)，單剛為精確解，所以劃分單元時(shí)，在梁的跨度范圍〔即每個(gè)構(gòu)件〕只用一個(gè)單元即可。所以在連續(xù)梁、剛架、板架以及空間剛架計(jì)算中多采用Beam44單元。Beam188單元為Timoshenko梁－包括彎曲、軸向、扭轉(zhuǎn)和橫向剪切變形，適合于剪切變形為主的深梁和剪切變形為次的細(xì)長(zhǎng)梁。當(dāng)梁的截面尺寸h與典型軸向尺寸L之比h/L≤1/10時(shí)可以給出合理的結(jié)果，因?yàn)樗?jì)及了剪切變形的影響。如果h/L＞1/10為高腹板梁，此時(shí)需將梁的腹版用shell63單元離散，面板用桿元link8離散〔圖1-1〕。圖1-1編輯課件Beam188單元可以直接輸剖面尺寸而不需輸入實(shí)常數(shù)，用/eshape,1命令顯示梁的實(shí)體形狀時(shí)，可顯示剖面真實(shí)形狀；而Bean44單元那么只能顯示截面為矩形形狀，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)輸入的實(shí)數(shù)顯示剖面形狀的。此外在后處理中，Beam188單元非常方便，像shell63單元一樣顯示應(yīng)力云圖；而Beam44單元只能通過(guò)定義單元表顯示梁的彎矩，應(yīng)力等。Timoshenko梁〔Beam188/Beam189〕采用一次/二次形函數(shù)，所以梁需要?jiǎng)澐肿銐蚨嗟膯卧拍鼙平鎸?shí)解。編輯課件·梁的定位點(diǎn)〔方向點(diǎn)〕〔圖1-2〕定位點(diǎn)k在x-Z平面〔也可以在x-y平面〕。例：如果給定一條線，指定了一個(gè)方向點(diǎn)(關(guān)鍵點(diǎn)KB)，那么沿線按一定方向生成梁?jiǎn)卧矆D1-3〕圖1-2定位點(diǎn)圖1-3編輯課件§2交叉梁系〔板架〕計(jì)算通常采用Beam44單元〔圖2-1〕計(jì)算。(1).DX1=0,DY1=0,DZ1=0以CG點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)。(2).如果忽略扭轉(zhuǎn)影響，IX1可填小值，如IX1=1.0e-10；如果忽略IZ1影響，IZ1可填小值，如IZ1=1.0e-10。注意：IX1,IZ1不能填任意值，它對(duì)結(jié)果有影響。實(shí)常數(shù)：R，1，Area1，,IZ1，IY1，TKZB1，TKYB1，IX1，Rmore，Area2，,IZ2，IY2，TKZB2，TKYB2，,IX2，如果J點(diǎn)剖面與I點(diǎn)相同Area2，IZ2，填0或空白R(shí)more，DX1，DY1，DZ1，DX2，DY2，DZ2，Rmore，SHEARZ，SHEARY，TKZT1，TKYT1，TKZT2，TKYT2剖面特性可以用ANSYS的SECTIONS計(jì)算得到。圖2-1

編輯課件例：計(jì)算圖2-2所示交叉梁系用ANSYS中SECTION計(jì)算，剖面特性如下：A=0.0112m2Iy=0.319*e-3m4TKZB1=0.13679mTKZT1=0.2832mh/L=1/15,可用Beam44計(jì)算,以CG為節(jié)點(diǎn)(DZ1=0)圖2-2叉梁系〔用kN-m單位〕

編輯課件計(jì)算要點(diǎn)：(1)忽略IZ,IX,取IZ=1.e-10,IX=1.e-10(2)全部板架梁都用一個(gè)定位點(diǎn)K,100,0,4,3*1000(3)繪縱梁彎矩圖(4)顯示面板、帶板應(yīng)力材料：E=2.06e8kN/m2,MU=0.3圖2-3編輯課件本例命令流文件：Gird44.dat

fini/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,8,11FLST,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編輯課件/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編輯課件etable,SMAXi,NMISC,1etable,SMAXj,NMISC,3plls,SMAXi,SMAXJ,-0.3,0etable,SMINi,NMISC,2etable,SMINj,NMISC,4etable,SMINi,SMINj,-0.3,0fini

編輯課件§3板梁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算例如板梁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算需考慮梁的偏置。當(dāng)梁?jiǎn)卧鳛闅卧募訌?qiáng)部件時(shí)，梁?jiǎn)卧c殼單元應(yīng)共享一個(gè)節(jié)點(diǎn)。殼單元節(jié)點(diǎn)位于殼中面上，而梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)位于梁橫截面形心處，因此，如果殼和梁共享節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)梁與殼將重疊〔圖3-1a〕，這與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符，所以必須將梁截面從節(jié)點(diǎn)位置處偏置〔圖3-1b〕圖3-1a圖3-1b編輯課件圖3-2為一板梁組合結(jié)構(gòu)〔板架〕?？紤]梁的偏置應(yīng)用Beam188單元和Shell63單元計(jì)算板架的變形與應(yīng)力。圖3-2編輯課件板架承受均布載荷q=0.01N/mm2本例：h/L=1/20所以可用梁來(lái)模擬。計(jì)算要點(diǎn)：〔1〕Beam188為線性2節(jié)點(diǎn)單元與Shell63〔無(wú)中間節(jié)點(diǎn)〕相匹配(2)考慮Beam188/189偏心影響用下面的方法〔圖3-3〕梁的偏置應(yīng)用以下命令：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圖3-3〔3〕Beam188為一次形函數(shù)所以需劃分足夠多的單元，它與殼單元網(wǎng)格密度一致〔4〕定位點(diǎn)：取遠(yuǎn)點(diǎn)定位K,1000,4000,8e10,0編輯課件文件:Shell_B188.dat

fini/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,-3000L,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編輯課件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,2,47FITEM,2,49FITEM,2,51LOVLAP,P51XNUMCMP,LINE/PNUM,KP,1/REPLOTElementtype,1real,1esize,500amesh,all編輯課件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,5,66FITEM,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編輯課件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編輯課件/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云圖縱桁的X方向云圖

編輯課件橫梁的X方向云圖編輯課件第二章艙段有限元分析各國(guó)船級(jí)社現(xiàn)行直接計(jì)算法都要求進(jìn)行艙段有限元分析，并要求在艙段兩端施加總縱彎矩與切力，這種模型實(shí)質(zhì)上是一種簡(jiǎn)化的整船分析模型〔圖1〕，它相當(dāng)于梁的初參數(shù)法。圖1艙段計(jì)算模型編輯課件在艙段兩端施加總縱彎矩與切力編輯課件§1CCS散貨船、油船直接計(jì)算指南有關(guān)規(guī)定1.結(jié)構(gòu)模型化(1)模型范圍取船中貨艙區(qū)的1/2貨艙＋1個(gè)貨艙＋1/2貨艙，以減少邊界條件的影響。橫向取船寬范圍，如果結(jié)構(gòu)和載荷對(duì)稱于縱中剖面，可僅模型化船體的右舷〔或左舷〕，垂向取型深范圍。有限元網(wǎng)格·沿船體橫向和垂向以縱骨間距為一個(gè)單元·沿船體縱向以肋位間距〔或參照縱骨間距〕為一個(gè)單元·沿主要構(gòu)件〔如橫向框架、雙層底縱桁、實(shí)肋板、橫艙壁的垂向和橫向桁材等〕的腹板高度方向劃分為三個(gè)單元。這一規(guī)定主要適用于大型貨船，其構(gòu)件腹板較高劃分三個(gè)單元，對(duì)一般貨船沿腹版高度方向劃分的單元數(shù)由實(shí)際情況來(lái)定。編輯課件網(wǎng)格盡量接近正方形，少用三角形單元。殼板、強(qiáng)框架、縱桁、艙壁桁材、肋板等的高腹板用4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬。強(qiáng)框架、桁材、肋板等構(gòu)件的面板用桿單元模擬縱骨、艙壁扶強(qiáng)材等用梁元模擬并考慮梁的偏置。肋板上的加強(qiáng)筋、肘板的面板等用桿單元。肋骨可以用板元或梁元，當(dāng)肋骨腹板的高度與舷側(cè)網(wǎng)格尺寸之比小于1/3時(shí)可用梁元。強(qiáng)框架、強(qiáng)肋骨以及桁材等構(gòu)件視其腹板高度h與跨度L之比來(lái)決定采用板元或梁元，當(dāng)h/L<=1/10那么可用Timoshenko梁元離散，當(dāng)h/L<=1/15時(shí)也可用Euler-Bernolli梁離散。如不能滿足梁的條件那么采用板元〔腹板〕＋桿元〔面板〕離散。編輯課件主要構(gòu)件上的減輕孔、人孔等可以用等效板厚的殼元來(lái)代替這些開孔的影響。CCS集裝箱船計(jì)算指南規(guī)定：“一般強(qiáng)框架腹板及雙層底肋板上的開孔可用刪除對(duì)應(yīng)位置的單元來(lái)表示〞〔圖1-1〕。這一規(guī)定更合理一些。對(duì)梁腹板上的開孔，可在梁剖面特性計(jì)算中扣除。圖1-1編輯課件2.邊界條件〔圖1-2〕·縱中剖面上節(jié)點(diǎn)－施加對(duì)稱邊界條件(坐標(biāo)系見(jiàn)圖1-2)：Uy＝０Rotx＝０Rotz＝０·端面約束：在端面形心處建立－剛性點(diǎn)〔主節(jié)點(diǎn)〕在端面Ａ的剛性點(diǎn)約束：Ux，Uy，Uz，Rotx，Rotz〔不能約束Roty，因?yàn)镽oty上施加總縱彎矩ML〕在端面B的剛性點(diǎn)約束：Uy，Uz，Rotx，Rotz〔不約束Roty，因施加彎矩MR〕圖1-2編輯課件邊界條件施加表 約束位置 線位移約束 角位移約束

中縱剖面－ 約束 — 約束 — 約束 端面A 連接 — 連接 — 連接 連接 端面B 連接 — 連接 — 連接 連接 剛性點(diǎn)A 約束 約束 約束 約束 約束 剛性點(diǎn)B — 約束 約束 約束 約束 連接－面內(nèi)相關(guān)點(diǎn)位移與獨(dú)立點(diǎn)〔主節(jié)點(diǎn)〕連接。編輯課件此邊界條件利用端面建立的剛性區(qū)能方便的施加總縱彎曲力矩。由于對(duì)端面上的剛性點(diǎn)施加了上述約束，排除了剛體位移。這個(gè)邊界條件存在的問(wèn)題是不能施加切力NL和NR，因?yàn)樗粍傂渣c(diǎn)在Z方向的約束平衡了，切力加不到結(jié)構(gòu)上去。通過(guò)實(shí)船計(jì)算證明切力不能忽略。利用慣性釋放方法在剛性點(diǎn)上不加約束，那么可施加切力，而且能夠像無(wú)剛體位移一樣進(jìn)行靜力求解。3.計(jì)算載荷·艙內(nèi)貨物壓力·舷外水壓力·端面彎矩〔加在兩端剛性點(diǎn)上〕，因計(jì)算模型取半邊，彎矩取一半。計(jì)算載荷中還應(yīng)包括空船艙段重量〔即不計(jì)自重是不合理的〕。編輯課件§2CCS集裝箱船艙段直接計(jì)算指南的有關(guān)規(guī)定模型化要求與散裝貨船規(guī)定根本一致，但計(jì)算方法和邊界條件規(guī)定不一致。集裝箱船艙段計(jì)算目的主要校核局部強(qiáng)度，但對(duì)雙層底縱桁、內(nèi)底板和外底板還要考慮船體梁受到總縱彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力，與局部載荷產(chǎn)生的沿船長(zhǎng)方向的應(yīng)力合成的強(qiáng)度校核。這種做法相當(dāng)于σ1+σ2的強(qiáng)度校核而散貨船、油船的做法是一次將總縱彎曲與局部彎曲應(yīng)力一起求出，構(gòu)件中的應(yīng)力已經(jīng)是總縱應(yīng)力與局部的合成應(yīng)力，而不再做了?；诩b箱船的上述算法，其艙段計(jì)算分兩種情況：編輯課件局部強(qiáng)度計(jì)算模型(a)邊界條件〔圖2-1〕·中縱剖面約束條件－計(jì)算半個(gè)剖面取對(duì)稱邊界條件：坐標(biāo)系見(jiàn)圖2-1

圖2-1編輯課件·模型端面A和B內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的約束：端面A:Ux=0,Roty=0,Rotz=0

端面B:Roty=0,Rotz=0

·為消除剛體位移，在端面A、B的頂點(diǎn)K、L處施加垂向線位移邊界條件：·在交線LH、KG上的其余節(jié)點(diǎn)施加兩組垂向力，以減少支點(diǎn)處由約束產(chǎn)生的應(yīng)力集中，此垂向力的總和等于整個(gè)模型受到貨載與舷外水壓力之和，方向相反〔矢量和〕。(b)計(jì)算載荷·空船重量·貨物載荷·舷外水壓力編輯課件2．船體梁總縱彎曲應(yīng)力計(jì)算模型計(jì)算總縱彎矩引起的艙段縱向構(gòu)件的縱向應(yīng)力，仍然用上述艙段的有限元模型，但邊界條件與上述局部強(qiáng)度計(jì)算模型的邊界條件不同。(a)邊界條件與散貨船艙段計(jì)算類似：·在中縱剖面〔對(duì)稱面〕各節(jié)點(diǎn)上施加對(duì)稱邊界條件·在端面A和B的形心〔全剖面的形心點(diǎn)〕上建立剛性點(diǎn)D〔主節(jié)點(diǎn)〕A、B面上的其它節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)。編輯課件·在A、B面的剛性點(diǎn)D上施加如下約束：端面A上D點(diǎn)端面B上D點(diǎn)Ux=0,Uy=0,uz=0Uy=0,Uz=0Rotx=0,Rotz=0Rotx=0,Rotz=0

注意：兩端面的剛性點(diǎn)D都不約束Roty，以便施加總縱彎矩〔取一半〕。端面A、B的從節(jié)點(diǎn)與剛性點(diǎn)D的連接約束條件是：Ux連接Roty連接Rotz連接但Uz未規(guī)定連接〔這與散貨船的邊界條件不同〕，為消除剛體位移規(guī)定：在端面內(nèi)中和軸與舷側(cè)外板相交F點(diǎn)，沿垂向施加Uz=0約束實(shí)際上船體梁總縱彎矩應(yīng)力計(jì)算模型的邊界條件可與散貨船的邊界條件完全一樣，不需要在F點(diǎn)上再加約束，只要使從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)Uz連接即可，并規(guī)定主節(jié)點(diǎn)Uz=0。編輯課件(b)計(jì)算載荷·靜水彎矩·波浪彎矩，按?鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造標(biāo)準(zhǔn)?第2篇第2章規(guī)定計(jì)算。在端面A和B的剛性點(diǎn)D上施一半彎矩〔因計(jì)算半邊模型〕。編輯課件§3施加舷外水壓力的方法施加舷外水壓力是很費(fèi)時(shí)的工作，因?yàn)樾枰诖w外外表的各單元上施加線性變化的水壓力載荷，如果手工作業(yè)需每個(gè)單元逐一加載，而且載荷大小是變化的。利用ANSYS的APDL語(yǔ)言編寫一個(gè)加載程序〔命令流〕那么可自動(dòng)加載。圖3-1所示船體外表上施加波浪載荷，波面高度為d。圖3-1編輯課件首先選擇要加載的單元。為此，在建模時(shí)將船體外外表用一種單元類型來(lái)定義，以方便選取外外表單元et,1,shell63!船體外外表et,2,shell63!內(nèi)底板e(cuò)t,3,shell63!甲板板…Esel,S,Type,,1!選擇外外表單元〔圖3-1〕再用鼠標(biāo)拾取吃水d以下的所有單元：圖3-2UtilityMenu>Select>Entities…選ElementByNum/Pick⊙Reselect【OK】將船體外外表單元用正視圖顯示〔圖3-2〕，在拾取菜單中選⊙Box，用鼠標(biāo)拉出矩形，選擇舷外水壓力作用的所有單元。圖3-2編輯課件§4計(jì)算剖面形心為定義艙段兩端面的剛性點(diǎn)需找到剖面形心位置。例如下例大開口艙段的質(zhì)心坐標(biāo)如下：輸入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編輯課件應(yīng)該指出，上面介紹的CCS關(guān)于艙段計(jì)算的有限元模型規(guī)定適用于船長(zhǎng)L>190m的大型貨船及B≥32.2m的大型集裝箱船。對(duì)于一般尺度的船舶艙段計(jì)算模型可參照上述規(guī)定而不需要照搬規(guī)定。只要建模、分網(wǎng)、邊界條件、加載合理，符合實(shí)際情況即可。下面給出一個(gè)大開口船舶艙段計(jì)算例如，它的邊界條件按CCS散貨船的方法施加。編輯課件7500DWT成品油輪

貨艙艙段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算7500DWT成品油輪航行于遠(yuǎn)洋無(wú)限航區(qū)，裝載燃油，采用雙底、雙殼、單甲板、縱骨架式結(jié)構(gòu)，設(shè)置一道縱艙壁。船舶主尺度如下：總長(zhǎng)LOA 124.34m 結(jié)構(gòu)吃水ds 7.80m兩柱間長(zhǎng) LBP 115.20m 壓載吃水 db 5.154m型寬 B 16.80m 縱骨間距 S 0.65m型深 D 9.20m 肋距 0.65m編輯課件二、有限元計(jì)算模型1．取中部貨油艙#76－#96進(jìn)行分析，為了減少邊界條件影響，計(jì)算范圍在貨油艙的前、后各加1/2艙段，即計(jì)算范圍從#66－#106。采用三維有限元模型進(jìn)行分析。坐標(biāo)系：X正方向向左舷，Y向上，Z沿船長(zhǎng)方向，右手法那么。由于結(jié)構(gòu)和載荷不對(duì)稱于中縱剖面，故模型化左、右整個(gè)艙段結(jié)構(gòu)。按?計(jì)算指南?6.2.3規(guī)定進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分：沿船體縱向按肋距劃分，沿船體橫向按縱骨間距劃分。船底板、內(nèi)底板、船側(cè)板、內(nèi)舷板、甲板板、平臺(tái)板、縱橫艙壁板及縱桁材等高腹板用Shell63單元離散，縱桁材面板及開口加強(qiáng)材等用Link8單元離散，縱骨、艙壁扶強(qiáng)材等用Beam188單元離散，共劃分成13121個(gè)節(jié)點(diǎn)，19328個(gè)單元，有78726個(gè)自由度。有限元離散圖見(jiàn)圖1。編輯課件編輯課件實(shí)肋上開孔按CCS?集裝箱船結(jié)構(gòu)直接計(jì)算指南?〔2004〕的規(guī)定，用刪除開孔區(qū)單元的方法處理。2、邊界條件按?計(jì)算指南?6.3規(guī)定,在模型端面#66和#106的縱中剖面各節(jié)點(diǎn)上施加UZ=0、UX=0、ROTX=0和ROTY=0。為排除剛體位移，在橫艙壁與船側(cè)交線頂點(diǎn)垂向位移UY=0，并沿橫艙壁與舷側(cè)板交線各節(jié)點(diǎn)上施加垂向力以減小支點(diǎn)處的應(yīng)力集中。邊界條件，見(jiàn)圖1。編輯課件三、計(jì)算工況按?計(jì)算指南?6.4,有1道水密縱艙壁的油船取如下7種工況進(jìn)行計(jì)算(圖2)。、計(jì)算載荷按?計(jì)算指南?6.5規(guī)定公式計(jì)算各工況的計(jì)算載荷。下面對(duì)工況2的載荷分布做詳細(xì)計(jì)算，其余各工況載荷計(jì)算同工況2。將計(jì)算結(jié)果匯總在表1中。四

編輯課件編輯課件工況2：載荷分布如圖3所示。編輯課件1．.貨艙內(nèi)液貨壓力kN/m2式中:：－液貨密度，不小于0.85t/m3,實(shí)取=0.85t/m3；h－艙頂?shù)接?jì)算點(diǎn)的垂直距離，對(duì)內(nèi)底板h=D－h(huán)b=9.2－1.2=8.0m。內(nèi)底處Pi=0.859.18×(8.0+2.5)=87.554kN/m2=87.55410－3N/mm2。2、舷外水壓力基線處：PB=10ds+1.5CwkN/m2式中:：Cw=10.75－()1.5當(dāng)90m≤L≤300m時(shí)=10.75－〔〕1.5＝8.238PB=107.8+1.58.238=90.36kN/m2=90.3610－3N/mm2水線處：PW=3CW=38.238=24.714kN/m2=24.71410－3N/mm2P0=Cw－0.67(D-ds)=8.238－0.67×(9.2-7.8)=7.3kN/m2舷側(cè)頂端處：Ps=3P0=37.3=21.9kN/m2=21.910－3N/mm2甲板上水壓力:Pd=2.4P0=2.47.3=17.52kN/m2=17.5210－3N/mm2舷側(cè)、內(nèi)舷和縱艙壁、橫艙壁上的水壓力按線性分布。編輯課件艙段載荷分布

編輯課件編輯課件編輯課件編輯課件許用應(yīng)力?計(jì)算指南?6.6.3：＝110N/mm2〔船長(zhǎng)方向正應(yīng)力〕；=175N/mm2〔VonMises應(yīng)力〕；＝145N/mm2〔橫向正應(yīng)力〕；[]=93N/mm2(剪應(yīng)力)。本船貨艙區(qū)主要構(gòu)件〔縱向，橫向〕的強(qiáng)度滿足?計(jì)算指南?規(guī)定的許用應(yīng)力。編輯課件編輯課件第三章全船有限元分析§1全船有限元分析的目的(1)評(píng)估船舶總體強(qiáng)度(2)為局部結(jié)構(gòu)細(xì)化應(yīng)力分析提供邊界條件，如－機(jī)艙前端甲板開口角隅的詳細(xì)應(yīng)力分析－包括艙口圍板的上甲板開口角隅的詳細(xì)應(yīng)力分析對(duì)局部結(jié)構(gòu)非常規(guī)布置區(qū)域的詳細(xì)分析提供邊界條件總體強(qiáng)度分析后，從整體結(jié)構(gòu)中取出需要細(xì)化局部的結(jié)構(gòu)，用細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行有限元二次解析，這是一種經(jīng)濟(jì)的分析技術(shù)。細(xì)化局部結(jié)構(gòu)的邊界條件為整體分析時(shí)得到的邊界上的節(jié)點(diǎn)位移。在ANSYS程序中利用子模型方法二次解析是非常方便的。編輯課件·全船分析的計(jì)算結(jié)果－主要構(gòu)件應(yīng)力數(shù)值結(jié)果－變形的數(shù)據(jù)結(jié)果－結(jié)構(gòu)變形圖及縱向應(yīng)力與VonMises應(yīng)力云圖編輯課件§2有限元計(jì)算模型1.有限元模型范圍全船三維有限元模型包括整個(gè)船長(zhǎng)、船寬范圍的船體結(jié)構(gòu)，包括左右舷結(jié)構(gòu)在內(nèi)船體舯段、首尾結(jié)構(gòu)、機(jī)艙、上層建筑內(nèi)所有有效的縱向受力構(gòu)件：甲板結(jié)構(gòu)、舷側(cè)及縱艙壁結(jié)構(gòu)、雙層底結(jié)構(gòu)。模型中還包括橫向主要結(jié)構(gòu)，如橫艙壁、肋骨框架及橫向甲板條等。對(duì)局部的支撐構(gòu)件，如肘板等不計(jì)入模型中，桁材、肘板的開孔忽略不計(jì)。對(duì)于結(jié)構(gòu)及載荷為左右對(duì)稱時(shí)，整船模型可只計(jì)入左舷〔或右舷〕，并在中縱剖面施加左右對(duì)稱條件。對(duì)于大開口船舶需要考慮扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)取整船模型計(jì)算。編輯課件2.單元模型根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)將模型中的各類結(jié)構(gòu)按建造厚度離散為以下幾種類型·殼元〔四節(jié)點(diǎn)和三節(jié)點(diǎn)元〕：甲板、舷側(cè)外板及船底板、內(nèi)底板、船底縱桁、縱艙壁及橫艙壁、肋板、邊艙腹板、舷側(cè)縱桁等?！ち涸v桁、橫梁及水密艙壁扶強(qiáng)材等。·桿元支柱、強(qiáng)構(gòu)件的面板等?？v桁、強(qiáng)框架等用殼元還是用梁元依據(jù)h/L≤1/10來(lái)決定。h/L≤1/10可用Beam188單元離散，而不需用殼元離散，可減少節(jié)點(diǎn)數(shù)目。編輯課件3.單元網(wǎng)格尺寸控制·縱向：雙層底肋板間距為一個(gè)單元?！M向：縱桁間距為一個(gè)單元?！ご瓜颍捍瓜蜩觳幕蚣装彘g距為一個(gè)單元。整船有限元分析時(shí)，網(wǎng)格尺寸取強(qiáng)構(gòu)件間距，這比艙段分析取骨材間距要大，否那么整船分析規(guī)模太大。在船中部區(qū)域單元的長(zhǎng)寬比大致可控制在1:3，其它部位大致可控制在1:2。編輯課件4.板材上的小骨材可以合并歸入板單元網(wǎng)格邊界，化為等效梁元，其截面積為合并的骨材面積之和，其剖面特性應(yīng)計(jì)入等效梁與板連接的偏置。圖2-1給出一典型集裝箱船全船有限元模型。

圖2-1一典型集裝箱船全船結(jié)構(gòu)有限元模型編輯課件5.邊界條件見(jiàn)圖2-2CCS集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南〔2003〕規(guī)定整體分析的邊界條件如下：在尾端節(jié)點(diǎn)1:Uy=0尾封板距中縱剖面距離相等的左〔節(jié)點(diǎn)3〕、右〔節(jié)點(diǎn)4〕約束：Uz=0首端節(jié)點(diǎn)2約束：Ux=Uy=Uz=0圖2-2編輯課件上述邊界條件約束了船舶在空間的6個(gè)自由度，即排除了剛體位移，所以可以進(jìn)行總縱彎曲變形與應(yīng)力計(jì)算。對(duì)于大開口集裝箱船，在斜浪中同時(shí)發(fā)生彎曲與扭轉(zhuǎn)變形，并伴隨有水平位移，此邊界條件限制了船體扭轉(zhuǎn)與水平位移，所以對(duì)集裝箱船彎扭計(jì)算是不妥的。如果將邊界條件改為圖2-3所示約束，在首端艙壁剖面扭心處施加約束，那么可不約束船體扭轉(zhuǎn)和伴隨的水平位移，又可計(jì)算彎曲變形，比圖2-2所示邊界條件好。圖2-3船舶彎扭計(jì)算邊界條件編輯課件船舶是漂浮在水中的自由體，在重力，浮力及慣性力作用下處于平衡狀態(tài)，施加任何約束都會(huì)影響其變形狀態(tài)，上述邊界條件是為排除剛體位移施加的。編輯課件6.載荷可