【文章內容簡介】 現完整模型的建立。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。這些結構單元上的所有板材和扶強材，包括梁腹加強板，加強筋等，均應表達在模型中。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。 單元和網格選擇單元時，應注意要模型化構件的剛度；并且根據本船的型線，構件尺寸、板厚、開孔等建立有限元模型。考慮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、雙向剪切和彎曲剛度的構件。2) 板模型化時，應使用下列構件類型：膜元：具有雙軸平面內剛度的構件；殼元：除了雙軸平面內剛度，還具有平面外彎曲剛度的構件。我們所建立的模型中未使用到膜元。對于殼元，應采用線性四邊形或三角形單元。但是，三角形單元的數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、艙壁與頂底凳連接處，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。模型建立過程中對首部和尾部結構進行了適當的簡化，如忽略小肘板，甲板、平臺和艙壁上的開口等。此外，CCS規(guī)范中明確給出了一些關于網格劃分的要求：1）船體結構有限元網格，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，網格的形狀盡量接近正方形[12]。2）承受水壓力和貨物壓力的各類板上的扶強材，用梁元模擬，并考慮偏心影響?？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。若考慮到網格的布置和大小劃分的困難，部分區(qū)域一個線單元可以用來模擬一根或多根梁/桿單元[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。4）如果沒有雙層殼體結構，邊肋骨和端肘板應通過使用殼和/或梁元模型化，邊肋骨的腹板高度上用一個單元。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格尺寸之比小于1/3時，可用梁元。6）主要構件的減輕孔、人孔，特別是雙層底鄰近艙壁處桁材和鄰近底凳肘板肋板的開孔，可以用等效板厚的板元來替代這些開孔的影響[12]。 材料參數本船采用鋼制結構，材料為鋼材，其材料參數如下：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。但在分析過程中，則是通過模量、強度、密度、本構關系等參數，以數值的形式來客觀地描述一種材料，定義一種材料，因此，材料也可以叫做材料模型。，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。簡單的說，創(chuàng)建一個材料模型時，先輸入一個材料名稱，再輸入其屬性，比如楊氏模量、泊松比、密度等即可。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。本船需要輸入的數據分別是楊氏模量E、泊松比μ、剪切模量G、密度ρ。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。 給模型附屬性，特意將網格的劃分和單元物理特性的定義分開，網格劃分完畢之后，只是確定了單元的空間拓撲關系，但單元究竟代表實際結構中的什么東西，比如拓撲空間中的一個線單元，它是一根彈簧，還是一根梁，是鐵質的，還是鋁質的，這些都沒有確定。“Properties”的作用，就是對不同的單元，根據實際情況，賦予相應的物理特性。創(chuàng)建一個物理特性，首先要根據實際情況，選定應用單元的維數和類型，本模型中應用單元的維數分別是1D單元和2D單元。1D單元是呈線狀的單元，即網格劃分時的“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?！癇eam”一般指梁結構，表示船體結構上的甲板縱骨、舷側縱骨、內外底縱骨、底縱行縱骨、甲板普通橫梁、頂邊艙斜板縱骨、底邊艙斜板縱骨、艙口圍骨材?！癛od”一般指桿結構，一般就是普通的筋結構。在多種2D單元類型中，本船主要是板殼單元類型。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。接著輸入一個“set”名稱，作為該物理特性的唯一標識，一般取結構的英文名作為標識，方便以后查找。然后選定材料的類型，本船都是鋼結構，都附一種類型即可。之后，打開特性數據輸入面板，結合圖紙，分別輸入各種類型的參數。最后，選定要應用該物理特性的單元即可。另外，還有很多給模型附屬性的技巧，如附屬性之前先給模型分組，由于模型各部分的板、骨材、筋結構的尺寸不一樣，給它們分完組后，在附屬性時可直接將組調出，直接對其附相應的屬性。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。 邊界條件航行狀態(tài)的船舶結構處于“全自由”狀態(tài)，但是對其進行有限元靜力分析計算時，并不能處理為全自由結構。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）。如果上述兩個條件中任意一條不成立，則應用有限元方法分析計算時，將使剛度矩陣奇異，最終得不到正確的結果或者導致求解失敗。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。它對于船舶結構強度的有限元直接計算具有很重要的實際應用意義。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。慣性釋放，簡言之就是用結構的慣性力(質量力)來平衡外力，亦即，雖然結構沒有受到約束，但分析時仍然假設其處于一種“靜態(tài)”的平衡狀態(tài)。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。求解得到的位移就是所有節(jié)點相對于該支座的相對運動。本文計算過程中，在對模型進行靜力平衡調整后，整個船體不施加任何約束，采用慣性釋放原理進行分析。具體做法為：去掉支座，從而消除約束點的反力對變形和應力的影響，以便獲取更加合理的計算結果，對船舶結構強度進行合理的分析與評估。 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：，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)。（2）工況2 輕壓載工況：該工況貨艙內沒有裝任何貨物，只是頂邊艙、底邊艙、雙層底內裝了壓載水，此時船舶處于中拱狀態(tài)。（3）工況3 隔艙裝載：輕貨滿載（中間貨艙裝）工況。該工況中間貨艙裝貨，貨物密度取實際裝載的最大輕貨密度，吃水為夏季吃水，夏季吃水即為船滿載時的吃水，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。該工況和工況3相似，此時船舶處于中拱狀態(tài)。（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)。該工況中間貨艙裝的是重貨，由于貨物密度大，所以裝不滿貨艙，吃水依然是夏季吃水，此時船舶處于中垂狀態(tài)。（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)。附加工況：（1）區(qū)域裝載：相鄰艙裝載。(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。： CCS直接計算法所有裝載工況工況吃水彎矩貨物密度（t/m3）簡圖1d=dAMs+Mw2d=dAMs+Mw3d=dsMs+Mw最大輕貨密度4d=dsMs+Mw最大輕貨密度5d=dsMs+Mw6d=dsMs+Mw附加工況1d=dAMs+Mw實際貨物密度附加工況2d=dAMs+Mw實際貨物密度附加工況3d=dAMs+Mw實際貨物密度表中：dA——對應工況的實際吃水，單位：m DS——設計結構吃水，單位：m Ms——靜水彎矩 Mw——波浪彎矩 全船模型計算工況對于全船模型，為了盡可能考核船體的實際情況，計算工況根據裝載手冊所提供的實際裝載情況確定。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)。 計算載荷 空船重量空船重量是進行全船結構強度分析的主要載荷之一，包括船體自身的質量，設備、舾裝、油料、水等的重量。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。本船空船重量1084 t， t， t， t， t，設計排水量3606 t。 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。因此在模型計算中，采用以下幾種載荷：（1）貨物壓力（2）舷外水壓力（考慮靜水、波浪條件） 貨物壓力作為主要貨物類運輸船型，貨物壓力的確定對船體強度的評估也是非常重要的，不同的貨物在船舶不同的部位壓力都不一樣，根據CCS的規(guī)定，貨物壓力通過式31確定：kN/m2 (31)式中：――貨物密度 kg/m3；a0＝ (32) (33)α ——板與水平面之間的夾角（如，艙壁、舷側板為90o，內底板為0o）；δ ——貨物的休止角（礦石和煤為35o，鹽、黃砂、石子、谷物等為30o，散裝水泥為25o）；hd ——計算點至貨物頂面的垂直距離，單位：m。，假定艙內貨物沿船長方向是均勻分布的。 貨物頂面形狀貨物頂面，沿縱向均布；沿橫向，為拋物線方程： (34)式中：b=B/2， B為船寬；頂面至連線的最大距離為 h =tanδ （δ =35o） (35)拋物線部分的面積為 (36) (37)式中：hd——貨物頂面至計算點的距離，m；zs——貨物頂面至連線的距離，m；hdb——雙層底高度，m；z——計算點的垂向坐標值，從基線量起，m；h0——根據貨艙的載貨量、貨物密度以及橫剖面形狀計算，不小于底邊艙斜板頂點至內底板的距離，m。 舷外水壓力船航行于水中受到水的壓力，靜水壓力形成浮力，此外還要受波浪的影響，受波浪壓力。一般而言，舷外水壓力包括靜水壓力和波浪動壓力。 靜水壓力在基線處： Pb = 10da kN/m2在水線處： Pw = kN/m2式中：da為對應裝載工況下的實際吃水，m。上述給出了基線、水線、舷側頂端處的水動壓力計算公式，舷側其他部位的舷外水壓力按線性插值確定。靜水壓力表征浮力作用，隨深度線性變化[14]。 波浪壓力1)水線處的水動力壓力（kN/m2） (38) (39) (310) (311)水線處: ZW=T12) 舭部的水動力壓力（kN/m2） (312)P1和P2與水線處的計算公式一樣，但 ZW=0。3) 底部的水動力壓力（kN/m2） (313)P1和P2與水線處的計算公式一樣，但 ZW=0。4)舷側水線以上的動壓力 (314)h ——為從靜止水線到載荷點的高度，m。5) 甲板（艙口蓋）上的動壓力 (315)其中：式中： Ai——與艙口蓋中點的縱向位置有關的系數。 V ——船舶的設計航速，kn，但不小于13 kn；L ——船長，m； CB——方型系數； df——從夏季載重線到艙口圍板頂點的垂向距離，m。 Ai的取值到首垂線的距離Ai（m）FP其中：T1——吃水（m）C =[(300L)/100]3/2 90m≤ L ≤300m = 300m L ≤350m =[(L350)/150]3/2 350mL ≤500mAR——橫搖角其中：k = (沒有舭龍骨) = (有舭龍骨) = (有橫搖阻尼設備)kr——橫搖回轉半徑GM——初穩(wěn)性高（m）kr = B（均勻質量分布） = B （礦砂船）GM= By——中心線到載荷點的橫向水平距離，B/4≤ y ≤ B/2kv——速度系數V——最小服務航速（knots）f ——概率系數f= 4（104） = 8（108） ()()(在為垂線及其以后區(qū)域) =CB ( L 之間）在特定點，ks線性變化。lf = （在AP 及其以后區(qū)