【正文】 。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 10 圖 貨艙大開口處優(yōu)化前橫剖面圖 圖 貨艙大開口處優(yōu)化后橫剖面圖 船體強度理論 船體總縱強度 [6] 船體總縱強度是船體抵抗總縱彎曲變形和破壞的能力。船體長度 方向上重力與浮力的差值即為作用在船體上的外裁荷。當波峰在船中時，會使船體中部向上彎曲，稱為中拱彎曲。 圖 中拱彎曲和中垂彎曲 船體橫向強度 在外力作用下，船體發(fā) 生的變形或破壞不是在船體的縱向，而是橫向。 對于瘦長型的水面船舶來說，在正常航行條件下，如果船體的總縱強度有了充分保證，船體橫向強度通常也就有了保證。 對于一般開口較小的水面船舶來說，由于具有較多的橫艙壁及橫向肋骨框架，因此具有 較大的抗扭剛度，由扭轉(zhuǎn)所引起的剪切應力通常比較小，所以對船體強度的影響不大。有限元法已經(jīng)被廣泛地應用于航空、航天、汽車、船舶、水利、醫(yī)學和生物等現(xiàn)代科學的各個領域。其方法是根據(jù)經(jīng)典的固體第 2 章 船體結構優(yōu)化 13 力學理論和結構內(nèi)部構件的特點，發(fā)展出適合船舶和海洋結構物的船舶結構力學，建立了一系列專用的方法，推導出了一些適用公式。在 1969 年的國際船舶結構會議 (ISSC)上， Roren 提出了題為“有限元法對船舶結構設計的影響” [8]的論述。典型的程序如中國船舶科學研究中心開發(fā)研制的CSSRCSAP[10]程序。 船體結構強度有限元分析方法 有限單元法分析方法適用范圍較廣，不僅適用于船體結構總縱強度的分析，也適用于局部強度的分析。 本章小結 根據(jù) 2400 噸江海直達貨船的特點，本章主要介紹了對 2400 噸江海直達貨船的結構優(yōu)化策略和方法、船 體強度理論、船體結構強度有限元分析方法。 第 3 章 計算模型 15 第 3 章 計算模型 有限元模型 坐標規(guī)定 取右手直角坐標系： x沿船長方向，向首為正 ； y沿橫向，從中縱剖面向左為正 ； z沿垂向，向上為正 。對鋼材， μ= 模型范圍 計算中采用全船的模型，即選取船體結構的所有 (全長、全寬及全高范圍內(nèi)的 )主要構件建立三維有限元模型， 由于船 舶結構左右對稱，可以只建出左舷有限元模型，通過鏡像生成右舷模型來實現(xiàn)完整模型的建立。 對于局部的支撐構件，如尺寸較小的肘板等不計入模型中，桁材、肘板上的小開孔忽略不計。 我們所建立的模型中未使用到膜元。 此外， CCS 規(guī)范中明確給出了一些關于網(wǎng)格劃分的要求： 1） 船體結構有限元網(wǎng)格 ，沿船殼 橫向按縱骨間距或類似間距劃分，縱向 按 肋骨間距或類似的間距大小 來 劃分，網(wǎng)格 的 形狀盡量接近正方形 [12]。 3） 船底 部 縱桁和肋板在垂直方向 上 布置應不少于 3 單元；艙壁最底部的單元一般情況下應盡量劃分為正方形單元 。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 18 材料參數(shù) 本船采用鋼制結構，材料為鋼材，其材料參數(shù)如下： 楊氏模量： E= 105N/mm2 泊松比： μ= 密度： ρ= 109 t/mm3 重力加速度： g=9810mm/s2 創(chuàng)建材料模型 任何實體都由各種材料構成 ， 材料是實際結構的承載體。定義材料時，并不是所有的材料屬性都要求輸入，而是針對具體的分析程序和分析類型，需要哪些就輸入哪些，比如，在靜態(tài)分析中，材料的密度就用不到，所以可以不輸入。 “ Properties” 的作用，就是對不同的單元，根據(jù)實際情況，賦予相應的物理特性。 “ Rod” 一般指桿結構，一般就是普通的筋結構。然后選定材料的類型，本船都是鋼結構，都附一種類型即可。還有板上的 1D 單元可直接將其分到相應的組里，在附屬性時，隱去該組里的板結構，可以直接給 1D 單元附屬性。 慣性釋放 [13](Inertia Relief)是 MSC． Nastran 軟件中的一個高級應用，可以對完全無約束的結構進行靜力分析。利用慣性釋放進行靜力分析時，只需要對一個節(jié)點進行 6 個自由度的約束 (虛支座 )，針對該約束，首先計算在外力作用下，每個節(jié)點在各個方向上的加速度，然后將加速度轉(zhuǎn)化為慣性力并反向施加到各個節(jié)點上，由此構成一個平衡的力系。 哈爾濱工程大學碩士學位論文 20 計算工況 CCS 規(guī)定 中國船級社《散貨船直接計算分析指南》 [12]對計算工況的規(guī)定如下： （ 1）工況 1 重壓載工況： 由表 可見，該工況中間貨艙裝的是壓載水，兩端貨艙是空艙，吃水等于該工況的實際吃水，此時 船舶 處于中垂狀態(tài)。 （ 4）工況 4 隔艙裝載：輕貨滿載（兩頭貨艙裝）工況。 （ 6）工況 6 隔艙裝載：重貨滿載（兩頭貨艙裝）工況； (貨物密度 = t/m3)（重量同工況 5） 此時 船舶 處于中拱狀態(tài)。 本船主要考慮下述 2 種 典型 工況： 壓 載出港 （ 工況一 ） 、裝載礦石 出 港 （ 工況二） ，兩種工況分別選取迎浪狀態(tài)和斜浪狀態(tài)。 基于 CCS 的模型計算載荷 船舶在海上航行時，除承受浮力、貨物載荷及相應的慣性載荷外，還承受來自波浪引起的波浪載荷 。為了使計算結果符合實際情況，總的重力應該與由舷外水壓力得到的總的浮力盡量接近，重心與浮心也應該盡量接近。 (貨物比重取裝載手冊中實際貨物密度 ) （ 2）船東要求的特定裝載工況。 （ 5）工況 5 隔艙裝載：重貨滿載（中間貨艙裝）工況 (貨物密度 = t/m3，重量為隔艙裝載最大載貨量 )。 （ 3）工況 3 隔艙裝載：輕貨滿載（中間貨艙裝）工況。 本文計算過程中， 在對模型進行靜力平 衡調(diào)整后，整個船體不施加任何約束，采用慣性釋放原理進行分析。從理論上說，如果結構上作用有一個自平衡的力系，那么結構即使是完全不受約束的全 自由結構，也會產(chǎn)生應力；另外，此時在結構上任意一點施加約束，得到的反力應該等于零。一般在有限元靜力分析時，假設計算模型中沒有機構，并且不允許有剛體運動模態(tài)（自由應變）。最后，選定要應用該物理特性的單元即可。板殼單元是可以承受拉壓、彎、剪的平面單元，船體結構上基本都是板殼單元。 1D單元 是呈線狀的單元，即網(wǎng)格劃分時的 “ Bar”單元 ，其對應的實際單元類型較多，這里只應用到 “ Beam” 、 “ Rod”兩種類型。對于各 項 同性材料，由于其楊氏模量 E、泊松比 μ 和剪切模量 G 之間存在 G=E/2（ 1μ）的關系，所以三個量中只有兩個是獨立的，在輸入時， 只輸入任意兩個即可。在 中，通 過指定一個唯一獨立的名稱，并將各種屬性賦予該名稱來定義材料。 5）舷側肋骨可以定義為板單元或梁單元，當肋骨腹板的高度與舷側的網(wǎng)格尺寸之比小于 1/3 時，可用梁元 ?？v桁、肋板上的加強筋、肋骨和肘板等主要構件的面板和加強筋可用桿單元模擬 。但是 ，三角形單元的數(shù)量應盡可能減少到最低，特別是在高應力區(qū)域和高應力變化區(qū)，例如減輕 孔 、人孔、艙 壁與頂?shù)椎蔬B接處， 鄰 近肘板或結構不連續(xù)處都應盡量減少 使用三角形單元?？紤]不同類型的單元進行如下結構模型化： 1） 加強筋模型化時，應使用下列單元類型： 桿元：只有軸向剛度和沿長度方向的等截面的構件 ； 梁元：有軸向、扭轉(zhuǎn)、雙向剪切和彎曲剛度的構件 。 圖 全船三維有限元模型 所有主要縱向和橫向結構單元均應在有限元模型中表示出來，其中包括外殼、頂邊艙、底邊艙，雙層底肋板和桁材系統(tǒng)、縱骨、肋骨、縱桁以及橫艙壁。 符號規(guī)定 L—— 船長，（ m）； B—— 船寬，（ m）； D—— 型深，（ m）； d—— 吃水，（ m）； Cb—— 方形系數(shù)； V—— 航速，（ kn）； g—— 重力加速度， g=； Cw—— 波浪系數(shù)； ρ—— 海水密度， ρ=； σe—— von Mises 應力（ N/mm2） ； σx—— 單元 x 方向的應力（ N/mm2）； σy—— 單元 y 方向的應力（ N/mm2）； 哈爾濱工程大學碩士學位論文 16 τxy—— 單元 xy 平面的剪應力（ N/mm2）； σl—— 船體梁縱向的應力（ N/mm2）； σw—— 船體梁橫向或垂向的應力（ N/mm2）； τ—— 剪應力（ N/mm2）；對于縱桁和肋板取腹板總深度的平均剪應力； k—— 材料換算系數(shù)； E—— 材料彈性模量。但這樣優(yōu)化的結果就是增大了甲板大開口，因此要校核船舶的總縱強度和扭轉(zhuǎn)強度。 在船體局部強度分析應用有限元法時，根據(jù)有限元模型 建立的不同分為以下三種方法： 1)板架有限單元法分析方法； 哈爾濱工程大學碩士學位論文 14 2)艙段有限單元法分析方法； 3)全船有限單元法分析方法。 本文將選取 ，研究 2400 噸江海直達貨船結構優(yōu)化后的結構強度問題。 在我國造船界，有限元技術的發(fā)展和應用開始于 20 世紀 70 年代。由于方法和理論還處于初級階段，因此有限元法沒有得到普遍應用。 20 世紀 60 年代，有限元法在船舶結構領域開始得到應用。 實踐表明，船體的扭轉(zhuǎn)強度與總縱強度有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，當船體的扭轉(zhuǎn)強度不足而發(fā)生扭曲變形時，有的縱向構件 (包括板 )將發(fā)生扭曲、失穩(wěn)、斷裂，從而也削弱了船體的總縱強度。 圖 船體橫向彎曲變形 哈爾濱工程大學碩士學位論文 12 船體扭轉(zhuǎn)強度 當船體傾斜地處于波浪中航行時，船體首、尾部的波浪表面具有不同的傾斜方向，由于重力與浮力的分布不平衡，再加上波浪力的影響，船體結構除了總縱彎曲外，還將產(chǎn)生整個船體的扭轉(zhuǎn)，如圖 所示。船體結構的這種能力稱為船體橫向強度。中拱彎曲時，船體的甲板第 2 章 船體結構優(yōu)化 11 受拉伸．底部受壓縮。 （ 2）船體在波浪中的總縱彎曲 在波浪狀況下，船體內(nèi)產(chǎn)生的彎矩會比靜水中的大。重力包括船體的重量和機器、設備、燃料、水、船上人員及行李和載貨的重量。具體方法為：利用 軟件建立全船三維有限元模型，根據(jù)載況和波浪條件確定各種計算工況和載荷，進行計算分析，評估船體結構強度。以最簡潔有效的方法和方式來使船舶達到優(yōu)化的目的。 gk 比 例圖樣標記 質(zhì) 量總布置圖簽 字修改單號數(shù)量 日 期標記日 期審 定描 圖設 繪標 檢審 核校 對共 頁1:100第 頁1 12400DWT貨 船～ m m m設 計 水 線 長兩 柱 間 長總 長 m m m型 深設 計 吃 水型 寬主 要 量 度LS47102003LS47102003肋距650 肋距600肋距650肋距600溢油艙機 艙錨尾壓載水艙首壓載水艙貯物艙尾淡水艙舵機艙CO2室機艙棚輪機長輪助二副 駕助淡水艙舵機艙機 艙渣油艙重油溢油艙錨鏈艙錨鏈艙首壓載水艙（平臺上）首壓載水艙（平臺下）貨艙鏈艙清潔滑油艙輕油艙艙重油艙 載 水 艙（左，右）（左，右）（左，右）（左，右）首壓載水艙 載 水 艙雙層底壓載水艙 載 水 載 水 艙機艙棚 貨 艙空調(diào)間冰箱 餐廳廚工水手長大管大副T V水手機匠長機匠儲物電工醫(yī)務室機艙監(jiān)控室 載 水 艙 載 水 艙計程儀測深儀中間燃柜（左，右）（左，右）油沉淀配餐桌貯藏間重油艙重油艙重油艙機修間廚房氧 氣乙 炔輕油艙報務室駕駛室蓄電池室變流機室引水員二管海圖室日用油柜沸技術設計哈爾濱工程大學碩士學位論文 8 圖 2400 噸江海直達貨船基本結構圖 gk 比 例圖樣標記 質(zhì) 量基本結構圖簽 字修改單號數(shù)量 日 期標記日 期審 定描 圖設 繪標 檢審 核校 對共 頁1:100第 頁2 12400DWT貨 船～8 4 . 9 0 m8 0 . 0 0 m8 1 . 6 5 m設 計 水 線 長兩 柱 間 長總 長 1 3 . 8 0 m 3 . 8 m 5 . 6 m型 深設 計 吃 水型 寬主 要 量 度LS47102102LS47102102gk 比 例圖樣標記 質(zhì) 量基本結構圖簽 字修改單號數(shù)量 日 期標記日 期審 定描 圖設 繪標 檢審 核校 對共