CH4-1-41-42-43-结构分析-20140314

1、CH4 结构分析与屈服屈曲强度评估结构分析与屈服屈曲强度评估4.1 概述概述 1. 解析法与有限元法解析法与有限元法 传统解析方法传统解析方法: 梁理论，板理论等；梁理论，板理论等； 现代方法：现代方法： 计算结构力学计算结构力学，有限元，边界元等。，有限元，边界元等。1）解析法）解析法 纵向合成：纵向合成： 分别计算，合成应力分别计算，合成应力1234 + + +总= = 2）有限元法：）有限元法： 亦可在一定程度上分开亦可在一定程度上分开2有限元分析过程有限元分析过程 1）结构建模；）结构建模； 2）边界条件处理；）边界条件处理； 3）计算工况与载荷；）计算工况与载荷； 4）应力提取）应力

2、提取 5）强度校核（屈服，屈曲强度校核）强度校核（屈服，屈曲强度校核） 6）其他方面（疲劳，极限强度）。）其他方面（疲劳，极限强度）。考考核核各各细细节节结结构构取取适适当当的的模模型型和和单单元元，可可一一次次得得到到合合成成应应力力板板元元，梁梁元元膜膜元元，杆杆元元1）结构建模）结构建模某散货船三舱段有限元模型某散货船三舱段有限元模型2）边界条件处理）边界条件处理根据散货船共同规范中关于根据散货船共同规范中关于“直接强度分析直接强度分析”有限元模型边有限元模型边界条件的要求，模型两端应按界条件的要求，模型两端应按下表下表要求简支。端部两剖面的纵要求简支。端部两剖面的纵向构件节点应与位于中

3、心线上中和轴处的独立点刚性关联向构件节点应与位于中心线上中和轴处的独立点刚性关联。3）计算工况与载荷）计算工况与载荷以以CSR散货船疲劳计算工况为例散货船疲劳计算工况为例载荷工况载荷工况装载工况装载工况4.2 结构模型的建立结构模型的建立4.2.1 船舶结构有限元分析的层次船舶结构有限元分析的层次 1. 整船分析整船分析 1）用于应力和变形的整体分析）用于应力和变形的整体分析 2）总振动分析）总振动分析 3）特殊船：大开口船（集装箱船），滚装船，军船、）特殊船：大开口船（集装箱船），滚装船，军船、 军辅船军辅船 特点：工作量较大，全面特点：工作量较大，全面某船某船一阶垂向弯曲振型一阶垂向弯曲振

4、型某船某船一阶水平弯曲振型一阶水平弯曲振型某船某船一阶扭转振型一阶扭转振型MM2. 舱段分析舱段分析 1）可算舯部总体响应）可算舯部总体响应 通过加断面载荷反映总体载荷通过加断面载荷反映总体载荷 叠加了船体梁载荷响应和局部载荷响应叠加了船体梁载荷响应和局部载荷响应 2)用于甲板，舷侧，船底和舱壁等结构在总体和用于甲板，舷侧，船底和舱壁等结构在总体和 局部载荷作局部载荷作用下的强度用下的强度特点：工作量适中，适合于分析规整，常规船型的舯部结构特点：工作量适中，适合于分析规整，常规船型的舯部结构MMM3. 局部结构有限元分析局部结构有限元分析 1）在整船分析基础上更详细分析主要构件局部强度或关）在

5、整船分析基础上更详细分析主要构件局部强度或关键部件应力水平。键部件应力水平。 2）计算应力集中系数（应力集中模型）计算应力集中系数（应力集中模型） 3）类型）类型 a. 独立模型（子模型），模型尺寸足够大，有充分的独立模型（子模型），模型尺寸足够大，有充分的边界条件过渡（来自总体分析）；边界条件过渡（来自总体分析）； b. 内嵌式模型内嵌式模型 ：直接在整船或舱段模型上局部用网格：直接在整船或舱段模型上局部用网格细化。细化。独立子模型独立子模型应力集中模型（嵌入式）应力集中模型（嵌入式）4.2.2 船舶结构有限元建模原则船舶结构有限元建模原则l 船舶结构复杂，对不同的模型粗细要适当，若网格太细

6、，船舶结构复杂，对不同的模型粗细要适当，若网格太细，则工作量大，对则工作量大，对 计算机要求高；网格太粗则不能反映实计算机要求高；网格太粗则不能反映实际结构。际结构。l 要合理使用杆元、梁单元、板元、膜元。要合理使用杆元、梁单元、板元、膜元。散货船舷侧肋骨趾端细网格模型散货船舷侧肋骨趾端细网格模型1. 单元：杆元、梁单元、板元、膜元单元：杆元、梁单元、板元、膜元 1）板元：以四边形单元为主（四边形长宽比不宜大于）板元：以四边形单元为主（四边形长宽比不宜大于3:1），少量用三角形单元（构件连接与圆弧过渡处）用），少量用三角形单元（构件连接与圆弧过渡处）用于，各种内外板、腹板、肋板等。于，各种内外

7、板、腹板、肋板等。 2）梁单元：用于尺寸较大且连续的纵骨、加强筋、扶）梁单元：用于尺寸较大且连续的纵骨、加强筋、扶强材考虑梁截面和偏心。强材考虑梁截面和偏心。 3）杆单元：用于面板，间断且尺寸较小的加强筋等。）杆单元：用于面板，间断且尺寸较小的加强筋等。 4）膜元：现在较少使用，在总振动计算中有应用。）膜元：现在较少使用，在总振动计算中有应用。 b. 骨材方向骨材方向属性属性或在工作中加入或在工作中加入带板带板属性属性a. 偏心处理偏心处理.在在patranpatran中附属性时，软件会计算出骨材的偏移量中附属性时，软件会计算出骨材的偏移量VERT=196.08914 2. 模型范围模型范围:

8、 CSR-B, CSR-T, HCSR油船和散货船规范油船和散货船规范。 1）三舱段模型）三舱段模型 中间货舱向前后各延伸一个舱段。中间货舱向前后各延伸一个舱段。1+1+1目标舱目标舱 、 边界条件过渡舱边界条件过渡舱 以往指南：中间货舱向前后各延伸以往指南：中间货舱向前后各延伸1/2个货舱个货舱2）全宽模型、半宽模型）全宽模型、半宽模型 若载荷对称，结构对称可采用半宽模型若载荷对称，结构对称可采用半宽模型 目前：工况多，载荷不一定对称、腐蚀余量不同等。目前：工况多，载荷不一定对称、腐蚀余量不同等。 一般用全宽模型。一般用全宽模型。3网格宽度网格宽度 1）常规网格密度）常规网格密度纵向：以肋骨

9、间距为基准纵向：以肋骨间距为基准横向：以纵骨间距为基准横向：以纵骨间距为基准高度：纵桁和肋板在高度方向上有三个单元高度：纵桁和肋板在高度方向上有三个单元槽型舱壁的翼板和腹板采用一个板单元槽型舱壁的翼板和腹板采用一个板单元 肋距肋距纵骨间距纵骨间距 2）细网格模型）细网格模型对应力较大或指定区域，用细化网格，进一步评估对应力较大或指定区域，用细化网格，进一步评估CSR-T, 5050或更细或更细CSR-B， 每个肋距，纵骨间距为四个间距每个肋距，纵骨间距为四个间距HCSR 5050 3）应力集中模型）应力集中模型 网格为网格为 t/2, t 量级。量级。底纵桁开口结构细化模型（底纵桁开口结构细化

10、模型（50 x50）底边舱斜板与内底折角处细化模型（底边舱斜板与内底折角处细化模型（tXt）底边舱斜板与内底折角应力集中模型底边舱斜板与内底折角应力集中模型4.合理简化合理简化 1）次要构件合并（如加强筋合并）次要构件合并（如加强筋合并） 原则：原则： a. 几何中心一致几何中心一致 b. 刚度相当刚度相当2）小构件不计入）小构件不计入 以不影响局部结构为准以不影响局部结构为准 按刚性节点处理，小肘板可略按刚性节点处理，小肘板可略 若专门计算局部应力，则需要细化模型。若专门计算局部应力，则需要细化模型。5. 板厚处理板厚处理 1）板厚，根据规范）板厚，根据规范 建造厚度（以前规范）建造厚度（以

11、前规范） 净尺寸（新船，去掉腐蚀余量净尺寸（新船，去掉腐蚀余量CSR） 测量尺寸（老龄船）测量尺寸（老龄船） 2）板厚突变，变线作为边界）板厚突变，变线作为边界4.3 边界条件边界条件 1. 约束的概念约束的概念 Xyxy= =0 0, ,0 0 ( (轴轴向向力力= =0 0) )xyz = = = = = = 0 0yz = = = 0= 0z = 0= 0z = 0= 0 xz = = 0 0, , = = 0 0 x xy y= = 0 0, , = = 0 0 约束位置与变形图（基准点）约束位置与变形图（基准点）EI,lPx = 0 xy = = 0不必不必， xyz = 0, =

12、0, = 00 x2.平衡状态平衡状态 静平衡，动平衡静平衡，动平衡 N个约束点，平衡状态则应有个约束点，平衡状态则应有 若不是平衡状态，若不是平衡状态， 为约束反力之和，可以作为不平衡力之差。为约束反力之和，可以作为不平衡力之差。 1）若结构处于平衡状态，则约束点可以任意，为去除方）若结构处于平衡状态，则约束点可以任意，为去除方程求解的奇异性。或用惯性释放法，要注意应用的条件。程求解的奇异性。或用惯性释放法，要注意应用的条件。例如：潜器若例如：潜器若 平衡平衡 GBF =FBFGFif = 0if 2）平衡调整）平衡调整 a. 全船沿船长重量分布全船沿船长重量分布 为模型沿船长重量分布（可分

13、段称量）为模型沿船长重量分布（可分段称量） 为质量修正（沿纵向）为质量修正（沿纵向） b舱段舱段0u (x)su (x) c0sux = ux -u (x)不平衡不平衡C. HCSR 规范中规范中 船体梁载荷的调整船体梁载荷的调整1 1、纵向不平衡力调整、纵向不平衡力调整 HCSR HCSR边界条件边界条件x x方向约束施加于内底板一节点，须平方向约束施加于内底板一节点，须平衡纵向总合力，衡纵向总合力，CSR-BC/OTCSR-BC/OT边界约束边界约束x x方向通过方向通过MPCMPC施加，施加，因此无此要求。因此无此要求。2 2、剪力跨零调整、剪力跨零调整 对于给定的载荷工况，船体梁垂向和

14、水平弯矩在舱段对于给定的载荷工况，船体梁垂向和水平弯矩在舱段中心点要达到目标值，这就需要垂向和水平船体梁剪中心点要达到目标值，这就需要垂向和水平船体梁剪力分布交叉在货舱中的零中心。力分布交叉在货舱中的零中心。 3 3、剪力目标值修正、剪力目标值修正 在中间舱段有限元模型前段和后端横舱壁处需在中间舱段有限元模型前段和后端横舱壁处需要进行剪力调整，船体梁剪力作用的目标位置在舱段要进行剪力调整，船体梁剪力作用的目标位置在舱段有限元模型中部的横舱壁上，调整后的船体梁弯矩不有限元模型中部的横舱壁上，调整后的船体梁弯矩不应超过目标船体梁剪力。应超过目标船体梁剪力。 HCSRCSR-BCCSR-OT目标位置

15、目标位置前和后舱壁前和后舱壁前或后舱壁前或后舱壁前和后舱壁前和后舱壁调整方法调整方法强框架节点力强框架节点力端部弯矩端部弯矩强框架节点力强框架节点力节点力计算节点力计算剪流理论剪流理论-系数分配法系数分配法哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨工程大学船舶工程学院 4 4、弯矩调整、弯矩调整 船体梁弯矩的目标位置在有限元模型中部货舱船体梁弯矩的目标位置在有限元模型中部货舱的中心，如果最大弯矩值不在货舱中心，调整后的最的中心，如果最大弯矩值不在货舱中心，调整后的最大弯矩应该位于中部货舱内部并且不应该超过目标目大弯矩应该位于中部货舱内部并且不应该超过目标目标船体梁弯矩。标船体梁弯矩。 HCSRCSR-BCCSR-OT目标位置目标位置Max/min舱中舱中舱中舱中调整方法调整方法端部节点力端部节点力端部修正弯矩端部修正弯矩端部修正弯矩端部修正弯矩节点力计算节点力计算等效弯矩公式等效弯矩公式- 5 5、扭矩调整、扭矩调整 船体梁扭矩的目标位置在有限元模型中部舱段船体梁扭矩的