（工程力学专业论文）基于ABAQUS的散货船舱段有限元强度分析.pdf

中文摘要 摘要 基于有限元理论的计算机辅助工程技术( c a e ) 在船舶结构仿真和设计领域 有着广泛的应用。伴随c a e 技术的发展，船舶结构工程师可以在计算中更加全面 地考虑不同类型载荷对船舶的影响。在船舶结构计算的发展过程中，最初的计算 方法是经典薄壁梁理论，现在已经发展成为以船舶舱段及整船为建模对象的有限 元分析方法。由于计算机软硬件的限制，整船的有限元建模方式并没有得到广泛 应用，而目前在船舶结构计算中占有主导地位的是船舶舱段模型的有限元仿真方 法。 本文结合大开口型干散货运输船舶的结构特点，依据国际船级社协会( 队c s ) 制定的散货船共同结构规范，基于通用c a e 软件a b a q u s ，对某船长为1 5 0 1 m ( 2 0 0 0 0t 级) 的散货船进行舱段有限元建模。模型的建造范围为1 2 + 1 + 1 2 舱位， 共8 8 个肋位。在模型建造过程中对船舶结构的细部构件进行了简化，主要是忽略 了肋板上的小尺寸减重孔。 根据规范规定，在满载条件下，分别针对迎浪中垂( h 1 ) 、随浪中垂( f 1 ) 、 横浪最大横摇( r 1 ) 和横浪最大外部压力( p 1 ) 四种船舶设计工况，在模型上施 加了相应的载荷及边界条件。工况中考虑的载荷包括：船体梁载荷、静水压力、 水动压力、货物压力和船舶自重。利用有限元程序分析四种工况下该船舶舱段的 位移、应变及应力的分布情况。 根据分析的结果，可得出以下结论：( 1 ) 舱段模型中的较大应力主要分布在 中间舱室上部舷侧、甲板和舱口围板；( 2 ) 在四种工况下，舱段模型的中间舱室 舱口角隅附近都产生应力集中：( 3 ) 在船舶的内、外壳上，较大的应力发生在甲 板和船底处；( 4 ) 对于四种工况，中间舱室舱口围板都有较大的变形；( 5 ) 在h 1 工况下，船首方向舱室围板的变形比中间舱室大，船首方向端面上部有应力集中 和较大的变形；( 6 ) 横浪工况r 1 、p l 下，左舷侧为上风舷，中间舱室右舷侧位移 较大。 关键词：舱段模型：有限元法；设计工况；应力分布：变形分布 英文摘要 a b s t r a c t t h ec o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ( c ，w h i c hi sb a s e do nt h ef i n i t e e l e m e n tt h e o r y , h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h es i m u l a t i o na n dd e s i g no fs h i ps t r u c t u r e s a c c o m p a n y i n g 、析mt h ed e v e l o p m e n to fc a et e c h n o l o g y , s h i ps t r u c t u r ee n g i n e e r sc a l l c o n s i d e rt h ee f f e c t so fv a r i o u st y p e so fl o a d so nt h es i m u l a t i o no fs h i ps t r u c t u r e sm o r e c o m p r e h e n s i v e l y o nt h es t r e n g t ha n a l y s i so fs h i ps t r u c t u r e s ，t h ee a r l ym e t h o d sw e r e b a s e do nt h ec l a s s i c a lt h i n - w a l l e db e a mt h e o r y ；i ti sd o m i n a t e dt o d a yh o w e v e rb yf i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n so f c a r g oh o l d so rw h o l es h i p s l i m i t e db yt h ea b i l i t i e so fc o m p u t e r h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i ti sd i f f i c u l tt oc o n d u c taf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no faw h o l e s h i p ，c u r r e n ts h i ps t r u c t u r es i m u l a t i o n sa r ea c c o m p l i s h e dm a i n l yo nt h er e p r e s e n t a t i v e c a r g oh o l d s a c c o r d i n gt ot h e c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e sf o rb u l kc a r r i e r s s e tb yt h e i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no fc l a s s i f i c a t i o ns o c i e t i e s ( n c s ) af i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa d r yb u l kc a r g oh o l dw a se s t a b l i s h e dw i t ht h eg e n e r a l p u r p o s ec a es o f t w a r ea b a q u s i nt h et h e s i s ，、) l ，i mt h ep r o p e r t i e so fl a r g eo p e n - t y p ed r yb u l kc a r g ot r a n s p o r ts h i p c o n s i d e r e d t h er a n g eu s e dt ot h em o d e lc o v e r sl 2 + 1 + 1 2h o l d s ，谢廿l8 8p l a tf l o o r s i n t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e ls o m e u n i m p o r t a n ts t r u c t u r e so f t h er e l a t e ds h i pc o m p o n e n t sa r e s i m p l i f i e d ，e g t h el i g h t e n i n gh o l e so nt h ep l a tf l o o r sa r ei g n o r e d a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o n , t h el o a d sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n sc o r r e s p o n d i n gt o f o u r w o r k i n gc o n d i t i o n sh 10 a e a ds e a , s a g g i n g ) ，f 1 ( f o l l o w i n gs e e ，s a g g i n g ) ，r 1 ( m a x i m u mr o l l ) a n dp 1 ( m a x i m u me x t e r n a lp r e s s u r e ) a l es e to nt h ef e - m o d e lu n d e rt h e f u l l - l o a d i n gc o n d i t i o n t h el o a d sa p p l i e do nt h em o d e li n c l u d e ：t h eh u l lg i r d e ri o a d , h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，h y d r o d y n a m i cp r e s s u r e ，a n dc a r g op r e s s u r ea sw e l l 鼬t h es h i p w e i g h t t h ed i s p l a c e m e n t , s t r a i na n ds t r e s sf i e l d so ft h ec a r g oh o l da r en u m e r i c a l l y s i m u l a t e db yu s i n ga b a q u s f r o mt h en u m e r i c a lr e s u l t st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a l lb ed r a w n ：( 1 ) t h el a r g e r s t r e s s e sm a i n l ya r i s e0 1 1t h es h i p b o a r da tt h em i d s h i ps e c t i o n , t h em a i nd e c ka n dt h e h a t c hc o a m i n g ；( 2 ) f o ra l lf o u rl o a dc a s e ss t r e s sc o n c e n t r a t i o no c c u r sa tt h ec o r n e r so f t h eh a t c hs e a l t h em i d s h i ps e c t i o n ；( 3 ) o nt h ei n n e ra n do u t e rh u l l s ，t h el a r g e rs t r e s s e s a r i s en e a rt h em a i nd e c ka n dt h es h i pb o t t o m ；( 4 ) u n d e rt h ef o u rl o a dc a s e s ，l a r g e 英文摘要 d e f o r m m i o nc a nb ef o u n do nt h eh a t c hc o a m i n gn e a rt h em i d s h i ps e c t i o n ；( 5 ) f o rl o a d c a s eh 1 ，t h eh e a ds e ac o m p a r t m e n t sd e f o r mm o r et h a nt h em i d s h i pc o m p a r t m e n t s d e f o r m ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dl a r g e rd e f o r m a t i o n sc 观b es e e n0 nt h eu p p e rp a r to f t h eh e a ds e as e c t i o n ；( 6 ) f o rl o a dc a s e sr 1a n dp 1 ( h o r i z o n t a lw a v ec o n d i t i o n s ) a n d 谢t h t h ep o r ts i d eb e i n gt h ew e a t h e rs i d e ，l a r g e rd e f o r m a t i o n so c c u ro nt h ep a r to ft h e s t a r b o a r ds i d en e a rt h e 血d s h i ps e c t i o n k e yw o r d s ：c a r g oh o l d sm o d e l ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；d e s i g nc o n d i t i o n ； s t r e s sd i s t r i b u t i o n ：d e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文竺基王缱q 堕s 的邀货超舱段直阻丞强度金板：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：趔一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：袁，冲 导师签名： 铲叶、 诱叼y | 日期：多。b 年6 月砂日 基于a b a q u s 的散货船舱段有限元强度分析 1 1引言 第一章绪论 船舶作为一个复杂的水上工程结构物，其工作性质的特殊性以及工作环境的 复杂性，决定了人们对其结构形式、结构强度、结构稳定和结构疲劳的关注和探 索。为了保证船舶能很好地完成海上安全运输，船舶必须具备良好的工作性能和 足够的结构强度及稳定性【l 】。 在船舶结构计算领域，梁理论一直主宰着船体总纵强度的分析。该理论是指， 把整船简化为一根空间直梁，对其施加载荷进行分析 2 1 。对船舶的强力构件分别计 算总弯曲应力和板件弯曲应力，然后计算合力，即为构件的内力 3 1 。 实际上，船舶的结构及其受力情况是非常复杂的，例如：间断构件、船体的 减重孔及人孔、波浪载荷的不规则性等。并且在梁理论中，对构件的受力是分开 来分析再进行合成的，这样计算结果与实际情况相差也比较大 4 1 。而设计单位和施 工单位为了保证足够的安全系数，在船舶建造的过程中造成了一定的资源浪费1 5 i 。 所以，梁理论是非常不完善的。特别是对于一些大开口型船舶，例如：滚装船、 散货船等，这些船舶的剖面系数在纵向上是有明显间断变化的，所以更加无法将 其简化为一根空间直梁来计算1 6 l 。 随着船舶结构计算领域的结构强度计算方法的不断发展，人们对外载荷的考 虑也在不断深入。在采用梁理论计算船体强度时，船舶横剖面的剪力和弯矩为主 要考虑载荷，水动压力仅在局部结构的疲劳和极限强度计算中使用【7 】。有限元理论 在船舶结构计算领域的广泛应用，以及计算机辅助分析方法的飞速发展，使得船 舶计算载荷可以得到更加全面的考虑。船舶水动压力也因此上升为和船舶断面弯 矩及剪力同等重要的载荷【8 i1 9 1 。因此，在作用于船舶上的所有基本载荷中，船体表 面波动压力和波浪诱导的剖面剪力及弯矩是在强度计算中要考虑的最重要的外载 荷f l o - 1 2 l 。 在船舶结构设计中，以有限元为核心的c a e 计算机辅助工程技术，越来越受 绪论 到重视。c a e 技术已成为船舶结构计算中不可或缺的有力工具，是解决大量工程 优化问题的基础。由于船舶结构试验开展的困难，更加促进了船舶结构计算对数 值仿真技术的依赖，c a e 技术成为船舶结构计算的重要工具f 1 3 i 。传统的c a e 技术 主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是计算力学的有限元理论【1 4 1 。 通过c a e 软件及其依托的有限元理论，可以对工程及产品进行性能与安全的可靠 性评估，以利于预报设计缺陷，实现结构性能优化。同时，提高设计质量，降低 研究成本，缩短研究开发周删1 5 1 。 全船有限元分析方法是指，将全船进行有限元模型的创建，对于船舶各主要 构件分别以膜、壳、梁等有限元单元来描述【1 6 j 。通过整船有限元模型的创建，可 以更加直观、详细地描述船舶各构件间的应力及应变关系，和其相互间的作用。 这种分析方法较为全面和准确，但由于其工作量很大、涉及因素较多，并且对计 算机软硬件有较高的要求，故它的应用尚不广泛。尤其在国内这方面的工作开展 不多，船体总强度整船有限元分析的方法及手段也尚不完善【1 刀。 对于船舶结构有限元计算领域，船舶舱段的c a e 模拟分析占有主导地位【l 引。 因其建模工作量明显比整船建模小，对计算机的硬件配置要求明显降低，而且计 算精度在不断地完善中也取得了较大地进步，所以船舶工程领域结构工程师大多 采用此种方法。事实上，各国船级社所制定的各种船体结构强度直接计算的规范 中大多也都采用舱段的计算模型【1 9 彩1 。其出发点是：1 ) 在船舶航行过程中，船中 区域受到的载荷较大，应力水平较高，因此强度问题比较突出；2 ) 采用舱段模型 可以尽量降低直接计算中对计算机硬件、软件方面的要求：3 ) 在船中范围内，比 较容易得到波浪载荷的统计特征，由于不必考虑如抨击等水动力学效应，因而较 容易采用一些简单的公式对水动力载荷进行等效处到z 4 1 。 当然，舱段模型也有着一定的缺点。如：船中处载荷较大( 但在进行船舶设 计时，船中区域的构件强度也比较大) ；不能很好地描述首尾结构的影响：边界 条件对模型中的部分应力结果有一定影响。 本文拟就基于c a e 软件a b a q u s ，依据国际船级社协会( i a c s ) 制定的散 货船共同结构规范，对船舶舱段模型进行有限元强度分析。 基于a b a q u s 的散货船舱段有限元强度分析 1 。2 国内外研究现状分析 在船舶结构计算的发展中，早期的理论是将船体简化为根等断面空间薄壁 梁。该理论最早的应用是在某集装箱船扭转强度计算中，计算过程是将船体舱段 部分简化为两段有翘曲约束的等横剖面开口型薄壁梁，边界条件考虑船舶首尾影 响。但是计算中没有考虑船舶结构非棱柱的特点，并且在利用开口薄壁梁理论计 算闭口横剖面的船体强度的同时，也有比较大的计算误差。 随后的船舶结构强度计算中，有很多的专家学者都对薄壁梁理论作了一定的 修正，同时提出了一种较新的研究方法一有限元梁方法。该方法是指，将船体 纵向离散为阶梯型薄壁梁段，应用迁移矩阵法或一维有限元方法进行计算。该理 论在其发展过程中，相继解决了船体不同横剖面间的协调问题及船体剖面的扭转 与水平弯矩的耦合问题1 3 1 。但是这种方法所考虑的载荷因素较少，无法真正模拟船 舶受载情况，计算结果相对粗糙。 目前，船舶舱段及船舶整船有限元方法得以推广使用，利用c a e 分析方法可 以对船舶的不同工况进行全面而细致的分析1 2 5 1 1 2 6 l 。 伴随着船舶工业的发展，船舶结构计算方法从最初的以梁理论为依托的方法， 发展到如今的船舶有限元数值仿真模拟技术。近年来，世界各国船级社都在船舶 设计规范中提出了对船舶结构计算相应的要求。从而使船舶结构计算更加统一化、 系统化。在船舶有限元直接强度计算当中，船舶的静水弯矩、波浪弯矩、水动压 力和三维有限元模型得以紧密的结合f 2 7 1 。国内外专家学者也都在船舶结构计算中， 应用了有限元数值仿真技术进行各类的研究探索【2 8 】1 2 9 。主要方面有：船舶整船有 限元模型的强度评估；波浪载荷对船舶结构强度的影响；以及依据船舶设计规范， 施加设计载荷，对船舶强度、屈曲、疲劳等方面进行校核。 在结构计算领域，有限元数值方法的广泛应用促进了c a e 技术的快速发展f 3 0 】。 目前，国际上流行的有限元分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、 m a r c 、a d i n a 、a l g o r 等。它们大都提供了人性化的用户界面、强大的计算分 析功能和前后处理功能，并与多种c a d 图形软件提供了接口，如u g 、i - d e a s 、 绪论 c a t i a 、s o l i d w o r k s 等f 3 1 1 。而上述软件在船舶结构计算中同样得到了很好的应 用。 1 3 课题的目的和意义 1 3 1 船舶工业现状 2 0 0 3 年以来，我国船舶工业进入了快速发展的轨道。产业规模不断扩大，造 船产量快速增长，造船完工量、新接订单量、手持订单量已经连续多年居于世界 前列。综合实力稳步提升，已经具备散货船、油船、集装箱船的自主研发能力， 在高技术高附加值船舶、海洋工程装备领域也实现了突破，大型船舶企业造船周 期和质量管理达到了国际先进水平。我国已经成为世界造船大国。但是，船舶工 业在高速发展的同时，自主创新能力不强、增长方式粗放、低水平重复投资、产 能过剩、质量控制体系不完善等矛盾日益显著。 由于经济危机的持续影响，我国造船业已受到严重打击，根据资料显示，我 国0 9 年前4 个月造船完工量9 5 4 万载重吨，较同期增长5 4 ；而新承接船舶订单 9 9 万载重吨，大幅下跌9 5 。船舶制造行业竞争日益激烈。 1 3 2 课题目的与意义 船体结构强度计算是研究船体结构安全性的科学。所谓结构的安全性是指结 构能承受在正常使用时可能出现的各种载荷和载荷效应，并在偶然事件发生时及 发生后，仍能保持必须的整体稳定性【3 2 1 。此外，结构在正常使用前提下，还必须 适合营运的要求，并在正常的维护保养条件下，具有足够的可靠性【3 3 1 。 本文着眼于大型散货运输船的船舶结构计算方面的研究及探讨。基于c a e 软 件a b a q u s 的数值模拟环境，依据散货船共同结构规范的设计载荷对船舶舱 段结构进行直接强度计算，对不同设计工况下船舶舱段结构有限元计算结果进行 分析比较。从而在设计上使得船舶结构强度达到规范要求。同时，对缩短此类船 舶的设计与开发周期，提高船舶本身的经济性、可靠性、稳定性等结构技术性能 也有着重要的意义。 基于a b a q u s 的散货船舱段有限元强度分析 1 3 3 课题内容 依据国际船级社协会( i a c s ) 制定的散货船共同结构规范要求，以某船 长为1 5 0 1m ( 2 0 0 0 0t 级) 的散货船作为舱段有限元建模对象，根据其c a d 设计 图纸及尺度要求，对船舶舱段结构( 1 2 + l + l 2 个舱室) 进行有限元直接强度计算。 工作内容： ( 1 ) 船舶舱段模型的建立； ( 2 ) 依据散货船共同结构规范要求，确定载荷工况； ( 3 ) 对模型在载荷工况下施加各种载荷； ( 4 ) 对计算结构进行分析，评估结构强度； ( 5 ) 对各个工况下位移、应变及应力的分布情况进行比较。 舱段有限元模型及其结构性能参数 第二章舱段有限元模型及其结构性能参数 2 1船体结构 将船舶舱段结构甚至是整船划分为有限单元来进行分析已经成为可能，船体 结构强度计算方法有了突破性的提高。船舶结构有限元分析方法，是将船舶结构 离散为能够精确模拟其承载模式和变形情况的有限单元。对于主要结构构件，按 其结构特点和受力状况可以分别以膜、板、杆、壳和梁等单元来表达f 粥7 1 。这样可 以详尽地表述船体结构的细观构件，真实地表达出各个构件间的协调关系与变化。 通过大规模有限元分析求解，可以求出关心构件及区域的实际变形与应力，这种 方法是在目前船体强度计算中较为准确的方法。 船舶有限元模型基本可以分为：船舶简化空间直梁、船舶整船建模、船舶舱 段建模。其中舱段建模在船舶计算领域占有主导地位，根据各国船级社所制定的 规范的要求的不同，舱段模型又可以分为两类：1 + 1 + 1 三舱段模型【3 引、1 2 + 1 + 1 2 舱位模型【3 9 1 。其中前者是依据中国船级社( c c s ) 制定的散货船结构强度直接计 算分析指南，后者则依据国际船级社协会( 认c s ) 所制定的散货船共同结构规 范。本文采用i a c s 所制定的规范作为模型创建原则。 2 1 1 舱段模型建造原则 ( 1 ) 根据i a c s 的散货船共同结构规范截取l 2 + 1 + 1 2 舱位进行建模； ( 2 ) 主要的结构构件，如肋板、舷侧肋骨、甲板横梁、纵骨、纵桁、加强筋 及其他构件要合理地模型化i 删； ( 3 ) 为了避免接触作用对模型计算的影响，模型进行一体化创建； ( 4 ) 对船舶减重孔、人孔等进行一定地简化处理，尽量减少不必要的计算量； ( 5 ) 模型采用三维板壳单元，主要采用四面体缩减积分单元s 4 r ，少量运用 三角形单元$ 3 1 4 1 - 4 4 1 ； ( 6 ) 有限元模型应该包括船舶的两舷，进而考虑船舶波浪载荷的不对称性； ( 7 ) 由于船体结构的复杂性，模型的简化是必要的。最通常的简化就是对肋 基于a b a q u s 的散货船舱段有限元强度分析 板上尺寸较小的开孔的忽略i 4 纠8 i 。 2 1 2 船舶主尺度和主要参数 本文船舶模型主要参数如表2 1 所示。 表2 1 船舶主尺度及其主要参数 t a b 2 1m a i nd i m e n s i o n sa n dm a i np a r a m e t e r so f t h es h i p 名称符号 尺度单位 总长 l1 5 0 1 0 0 m m 型宽 b2 0 1 0 0m m 型深 d1 0 4 0 0 m m 吃水t7 9 0 0m m 方形系数 c b o 8 垂线间长 l s t , 1 4 1 0 0 0m m 肋距 s7 0 0 m m 舱室长度 l h 7 5 0 5 0m m 舱口宽度 1 0 7 0 0m m 货舱宽度 1 5 7 0 0m m 双层底间距 1 4 0 0m m 内外壁间距2 2 0 0m m 内、外壁厚 2 0m m 横舱壁厚 2 0m m 甲板厚 1 6 m m 加强板厚 1 2m m 肋板厚 l om m 一7 一 舱段有限元模型及其结构性能参数 2 2 材料参数 船舶舱段模型全部采用船用低碳钢( c c s a ) 建造，船舶装载货物为铁矿砂， 其材料性能参数如下： 1 ) 杨氏模量e = 2 1 e + 0 5m p a 。 2 ) 泊松比v = 0 3 。 3 ) 钢材密度砌- 7 8 5 e - 0 0 9 t m m 3 。 4 ) 海水密度鲰= 1 0 2 5 e - 0 0 9 t m m 。 5 ) 重力加速度g = 9 8 1 0m m s 2 。 6 ) 波浪参数 c = 1 。7 5 3 0 0 - l 1 5 ，对于9 0 m 弋 l 2 垂向弯矩 是是是 和剪力 水平弯矩是 载荷工况及边界条件 续表3 2 垂荡向下向上 向下向上向下 向上 船首向船首向 纵摇 下上 左舷向左舷向左舷向 左舷向 横摇 下上下 上 纵荡 船尾船首 横档向左舷向右舷 3 1 2 载荷组合因子 载荷工况h 1 、h 2 、f 1 、f 2 、r 1 、r 2 、p 1 和p 2 中考虑的船体梁载荷，应用 每一分量的参考值乘以表3 3 中所定义的相应载荷组合因子l c f 得出。垂向静水 弯矩应与乘上载荷组合因子的船体梁波浪载荷相加。 表3 3 载荷组合因子l c f t a b 3 3l o a dc o m b i n a t i o nf a c t o rl c f l c fh 1h 2f lf 2r lr 2p lp 2 m w vc w v 1 111ooo 4 一显坠一o 4 t t q w vc q w - l111ooo 4 一显生一o 4 tt m w hc w h o0o o1 2 一显显一1 2o o tt m s wc s w o 5o 50 50 50 5o 5 o 5o 5 基于a b a q u s 的散货船舱段有限元强度分析 3 2 船体梁载荷 船体梁载荷主要包括弯矩和剪力两个方面。当垂向弯矩在强力甲板引起拉应 力时为正值( 中拱弯矩) ：反之为负值( 中垂弯矩) 。当水平弯矩在右舷引起拉 应力时为正值；反之为负值；垂向剪力当所考虑船舶横截面之前的合力向下时为 正值和在其后横截面的合力向上时为正值；反之为负值。 3 2 1静水弯矩 船体任一横剖面的设计静水弯矩分别为所定义的装载工况中该船体横剖面中 拱和中垂工况下得到的最大静水弯矩。单位为n m m 中拱工况：m s 舢= 1 7 5 c l 2 b ( c b + o 7 ) x1 0 。3 m w v 。h ( 3 1 ) 中垂工况：ms w s = 1 7 5 c l 2 b ( c b + o 7 ) x 1 0 4 一m w v ，s ( 3 2 ) 3 2 2 垂向波浪弯矩 完整工况下船体任一横剖面的垂向波浪弯矩，n m m ，由以下公式得出： 中拱工况：m 叭h = 1 9 0 f m 力c l 2 b c 8x 1 0 - 3 ( 3 3 ) 中垂工况：m w v s = 1 i o f m 矗c l 2 b ( c 口+ o 7 ) x 1 0 。3 ( 3 4 ) 表3 4 分布因子f m t a b 3 4d i s t r i b u t i o nf a c t o r f m 船体梁载荷剖面位置 分布因子f m 0 x o 4 l 2 5 圣 l 0 4 x o 6 5 l1 o 0 6 5 l x l 2 s 6 ( 一言) 载荷工况及边界条件 其中，f m 表3 4 中所定义的分布因子。 3 2 3 垂向波浪剪力 完整工况下船体任一横剖面的垂向波浪剪力，n m m ，由下式得出： q w v = 3 0 f q f e c l b ( c 口+ o 7 ) 1 0 。2 ( 3 5 ) 其中，f q 表3 5 中所定义的正剪力和负剪力分布因子。 表3 5 分布因子f q t a b 3 5d i s t r i b u t i o nf a c t o rf q 分布因子f q 船体梁横剖面位置 正波浪剪力 负波浪剪力 0 x o 2 l 4 6 a x ，x 4 o ll o 2 x o 3 l0 9 2 ao 9 2 o 3 l x 0 4 l ( 9 2 a - 7 ( 一们2 2 ( o 4 0 4 l x 0 6 l0 7o 7 o 6 l x 0 7 l 3 ( 争6 ) + o 70 0 a - 7 ( x o 6 + o 7 o 7 l x 0 8 5 l la 0 8 5 w l c i ) o - 飞嘶 7 i p s = , o g t l c i i 一 图3 1 静水压力分布 f i g 3 1h y d r o s t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 3 3 2 载荷工况h 1 、h 2 、f 1 和f 2 的水动压力 s = 腭 对于载荷工况h i 、h 2 、f i 和f 2 ，水线以下外板上任何一点的水动压力p h 和 p f ，m p a ，应按表3 7 得出。p f 2 压力分布示意图见图3 2 。 基于a b a q u s 的散货船舱段有限元强度分析 表3 7 载荷工况h l 、1 1 2 、f l 和f 2 的水动压力 t a b 3 7h y d r o d y n a m i cp r e s s u r eo fl o a dc a s e sh 1 h 2 f i f 2 载荷工况水动压力m p a h 1 p h l = - k k p p 矗 h 2 = k k p p 矗 f 1 p f ，= 一p 备 f 2 = p 备 表中：p 品= 3 厶厶c 陆y + 1 2 e z i + 1 0 。3l e 且孚1 o ，y 应取不大于k i ； 占： 厶考虑非线性影响的系数，取： 厶= 0 9 ，对1 0 - 8 概率水平 ：l ，= 1 0 ，x c l o 。概率水平 k 沿船舶纵向的幅值系数，取： + 野 ( 3 1 2 ) 肛5 卜o o 肌 k = t + 苦 3 一譬妊- o 5 1 3 ，对。s 肌鼠。 c 3 - 4 ， k p 沿船舶纵向的相位系数，取： * ( 1 2 5 - 廿s ( 警掣愕+ o 2 5 对局部强度校核( 非满载工况) ，直接强度分析和疲劳强度分析。 - 1 9 载荷工况及边界条件 k p = - 1 0 ，对局部强度计算( 满载工况) 。 入波长，m m ，取： 对于载荷工况h i 、h 2 ： 刎6 ( + 斡 对于载荷工况f 1 、f 2 ： 刎+ 等 l 图3 2 船中处水动压力p 之分布 f i g 3 2d i s t r i b u t i o no f h y d r o d y n a m i cp r e s s u r e a tm i d s h i p 3 3 3 载荷工况r 1 和r 2 的水动压力 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 对于载荷工况r 1 和r 2 ，水线以下外板上任何一点的水动压力p r ，m p a ，由 下列公式得出。压力p r 。的分布示意图见图3 3 。 k 。= f n t ( 1 0 - 2 z s i n o + 0 8 8 厶c p 如= - p r l 2 0 一 ( 警+ 1 x i 旷 ( 3 1 9 ) 基于a b a q u s 的散货船舱段有限元强度分析 其中，厶考虑非线性影响的系数，取： 厶= 0 8 ，对1 0 概率水平。 厶= 1 0 ，对1 0 4 概率水平。 力= 去砭 夕 、， 、，一 ，。 ，、， 图3 3 船中处水动压力p r l 的分布 f i g 3 3d i s t r i b u t i o no f h y d r o d y n a m i cp l e s b u r ep r l a tm i d s h i p 3 3 4 载荷工况p 1 和p 2 的水动压力 对于载荷工况p 1 和p 2 ，水线以下任一点的水动压力p p ，m p a ，应由表3 8 得 出。压力p p ，的分布示意图见图3 4 。 表3 8 载荷工况p 1 和p 2 的水动压力 t a b 3 8h y d r o d y n a m i cp r e s s u r eo f l o a dc a s e sp 1a n dp 2 水动压力 载荷状态 上风舷下风舷 p 1 p p ，= p p p p l = p p 3 p 2 ：p pp p 2 = 一p p 3 载荷工况及边界条件 表中：p p = 4 5 厶cf ，2 盟+ 3 幽1 x 1 0 一， ( 3 2 0 ) i 冕a bj 厶考虑非线性影响的系数，取： 厶= o 6 5 ，对l o 8 概率水平。 厶= 1 0 ，g j 1 0 。4 概率水平。 见= ( o 2 + 黔 y 一 一_ 。、 1r_- i 。l 图3 4 船中处水动压力p p l 的分布 f i g 3 4d i s t r i b u t i o no f h y d r o d y n a m i cp r e s s u r ep p la tm i d s h i p 3 3 5 水动压力的修正 对于水线处的正水动压力( 载荷工况h 1 、h 2 、f 2 、r 1 、r 2 和p 1 ) ，舷侧处 水线以上的水动压力p w , c ，m p a ，由下式得出： p 、c = p w 。w l + p g ( r l c i - r ) ，x 寸t l c i y h 。+ 吼o p w c = o ，对y h 。+ r a 2 2 ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 基于a b a q u s 的散货船舱段有限元强度分析 其中，p w 、j i ，l 所考虑的载荷工况下载水线处的正水动压力； p h = 卫丝 昭 对于水线处的负水动压力( 载荷工况h 1 、h 2 、f 1 、r 1 、r 2 和p 2 ) ，水线以 下的水动压力p w c ，m p a ，由下式得出： p w 。c = p w ，取不小于腭( y 一) ( 3 2 3 ) 其中，p w 所考虑载荷工况下在水线以下的负水动压力。 3 4 货物载荷 本船舶舱段模型采用满载工况，货舱装载铁矿砂，矿石密度氏= 3 0 e 一0 0 9 t m m 3 。舱段模型载货量为m = 9 1 7 8 1 2t ，货物体积v = 3 0 5 9 3 7 4 9 9 7 5 2 4r a i n 3 ，货物 截面积s = v l = 3 0 5 9 3 7 4 9 9 7 5 2 4 6 16 0 0 = 4 9 6 6 517 8 5 3i t i i l l 2 ，货物估算高度为 h = s b r = 4 9 6 6 5 1 7 8 5 3 1 5 7 0 0 = 3 1 6 3 3 9i n n l ，远小于货舱高度9 0 0 0m i l l ，所以货物满 载状况下达不到舱口位置。 根据i a c s 制定的散货船共同结构规范指出，当干散货密度使货舱货物未 装至上甲板时，干散货上表面是在中线处宽度为b ，2 的平面，倾斜部分在舷侧的 角度等于休止角的一半( 牝) ，在所考虑货舱内应按相同货物体积确定。对于本 船模型，同样假定货物在纵向分布的横剖面为一致。经计算，剖面梯形的上底为 7 8 5 0m m ，下底为1 5 7 0 0m m ，高为1 2 3 7 5 5m l ，下面方形高为2 2 3 5 2 3i t i i l l 。 按照散货船共同结构规范中规定，货舱内的货物压力( 单位m p a ) 通过 下式计算得到： p c = 反，水c 瓴+ 厅2 ) ( 3 2 4 ) 其中，铁矿砂密度p c = 3 0 e 一0 0 9t m m 3 载荷工况及边界条件 重力加速度g = 9 8 1 0m m s 2 系数 k c = c o s 2 口+ ( 1 一s i n g ) s i n 2 口 ( 3 2 5 ) ( 铁矿砂休止角度为3 5 。) 当口= o 。时：磁= 1 0 当口= 9 0 。时：= 0 4 2 6 4 2 4 剖面结构如图3 5 所示。 3 5 边界条件 图3 5 双舷侧散货船货物横剖面 f i g 3 5c a r g oc r o s ss e c t i o no fd o u b l e - s k i nb u l kc a r r i e r 在整船有限元分析中，通常采用惯性释放的原则，即在不对其进行任何约束 的情况下进行静力学分析。而舱段有限元分析中，对于直接强度计算，其边界条 件的设定通常可以根据各国船级社相关的规范进行设置。 在直接强度分析中货舱结构舱段有限元分析的边界条件的设定，需要遵守散 货船共同结构规范中的规定。规范指出，需要在舱段模型的端面设置关联点， 并把两端面处的纵向构件节点与其建立刚性关联。关联点位于模型断面中心线上 中和轴处。在a b a q u s 工程软件中，按规范设置关联点，并把端面处纵向构件节 墨三皇曼苎型! 塑墼堡塑墅垦蔓壁垄竖坌堑 点与关联点进行耦合约束( c o u p l i n g ) 1 5 7 1 0 关联点关联约束见表3 9 ，模型边界条件处理见表3 1 0 。模型约柬见图3 6 。 表39 两端关联点耦合约柬 t a b39 c o u p l i n g0 r i t h er e f e r e r l c e p o i n t s a lb o t he n d s o f t h e m o d e l i 模型两端的纵向构件平移 节点 xy z 所有纵向构件约束约束约柬 袁3 1 0 关联点边界条件 t a b31 0 b o u n d , e o r , d i t i o n s m t h er e f e r e n c e p o i n t s 平咎旋转 关联点位置 xyz 模型后端关联点 约柬约束 模型前端关联点约束约束约束约束 图36 耦合约柬 f l g36 c o u p l i n g 载荷工况及边界条件 3 6 本章小结 本章介绍了模型中所要施加的载荷种类和边界条件的施加原则。根据散货 船共同结构规范规定，引入“等效设计波 概念，并对船舶舱段有限元强度分 析的设计工况进行了详细的阐述。对本次研究中所涉及的船体梁载荷、静水压力、 水动压力和货物载荷分别列出了不同种类工况和载荷下的计算方法和分布情况。 最后依据规范规定，介绍了在a b a q u s 有限元仿真环境中，边界条件的设定方法。 基于a b a q u s 的散货船舱段有限元强度分析 第