【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 節(jié)能環(huán)保的新船型成為了國(guó)際集裝箱船舶設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。現(xiàn)如今，主流的集裝箱船舶的航速已將較原來(lái)的船型大大的降低了，由最初的 25 節(jié)降為現(xiàn)如今的 18 節(jié)甚至更低。這樣的發(fā)展趨勢(shì)下，為了改善船舶低航速時(shí)的阻力性能同時(shí)也是為了增加船舶的載箱量，目前主流設(shè)計(jì)思想都是采用豐滿(mǎn)的型線設(shè)計(jì)。這樣做使得首尾艙室的裝箱量增加，增加了首尾重量，同時(shí)肥大的首尾線型使得首尾的排水量增加，從而靜水彎矩也有所增加，使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題變得越來(lái)越突出?，F(xiàn)代超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):伴隨著船舶的大型化發(fā)展，為了減輕結(jié)構(gòu)重量增加船舶的裝貨量以增加經(jīng)濟(jì)效益，在船舶的設(shè)計(jì)和建造中，對(duì)于高強(qiáng)度鋼的使用范圍和比例越來(lái)越大，其強(qiáng)度等級(jí)也有所提高。這樣可以大大減輕結(jié)構(gòu)重量，從而載貨量增加，進(jìn)一步增加船舶的經(jīng)濟(jì)效益。以前大型的集裝箱船由于首尾型線比較瘦削，結(jié)構(gòu)重量比較小，因此，重量分布比較均勻，而浮力主要集中在船中，因此船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要考慮中拱帶來(lái)的總縱強(qiáng)度江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9問(wèn)題。然而超大型集裝箱船采用的肥大船型設(shè)計(jì)，首尾的裝箱量和結(jié)構(gòu)重量的增加使得局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題變得愈加突出。因此，在超大型集裝箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要兼顧總縱強(qiáng)度和局部強(qiáng)度，并且對(duì)于扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度也要引起足夠的重視。 集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核發(fā)展趨勢(shì)傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)分析分為兩部分：一是船體局部強(qiáng)度分析，二是全船總縱強(qiáng)度的簡(jiǎn)化分析。對(duì)局部強(qiáng)度分析，目前通用的方法是采用有限元分析，對(duì)于所要研究的結(jié)構(gòu)運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行建模，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)對(duì)模型施加載荷，接著運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，得出結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告。近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用有限元模型分析法對(duì)所要考慮部分進(jìn)行校核的方法已經(jīng)各大設(shè)計(jì)公司采用，這種做法在業(yè)界也獲得了普遍的認(rèn)可。在總體強(qiáng)度分析中，初始的研究方法是采用船體梁理論，采用簡(jiǎn)化方法，將船體看成一根梁，復(fù)雜構(gòu)件如肋骨、肋板、縱骨、縱桁等，被簡(jiǎn)化成一條一條直線，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中為了體現(xiàn)出其材料屬性，所以通過(guò)單元模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，并把外界傳遞過(guò)來(lái)的各種載荷施加在這些簡(jiǎn)化直線上。為了計(jì)算出強(qiáng)力構(gòu)件所受到的應(yīng)力，將構(gòu)件的內(nèi)力分為總彎曲應(yīng)力和板架彎曲應(yīng)力，各自進(jìn)行計(jì)算，最后再采用應(yīng)力合成法得到構(gòu)件的內(nèi)力。整個(gè)船體是一個(gè)整體，其受力也具有整體性，單純?yōu)榱擞?jì)算方便，強(qiáng)行的將兩種有著互相聯(lián)系的力分開(kāi)，這種方法本身的理論依據(jù)就不足。由于受力計(jì)算的不準(zhǔn)確，在設(shè)計(jì)時(shí)為了保證船舶的安全性，單純的用調(diào)高安全系數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，這也必然造成了結(jié)構(gòu)材料的浪費(fèi)和施工費(fèi)用的增加，降低船舶的經(jīng)濟(jì)型。因此，船體梁理論是粗略的計(jì)算，并不完善，由于各種受力之間的互相影響，人為的將它們分開(kāi)缺乏理論依據(jù)，并不合理。大型的集裝箱船結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)不同的功能，設(shè)計(jì)者對(duì)于船體內(nèi)部空間做出了合理的規(guī)劃。同時(shí)船舶的橫剖面積沿著船長(zhǎng)方向變化也比較大。這樣以來(lái)，對(duì)于把船體剖面看成基本不變的船體梁理論顯然已經(jīng)不適用。針對(duì)大型集裝箱船的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必須采用一種考慮到非等值結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)問(wèn)題的新型的船體梁設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)如今，國(guó)際上的主流思想是采用基于薄壁梁理論的有限薄壁梁理論。Wide 最先開(kāi)始相關(guān)研究船，在校核扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度時(shí)，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，他將船中的平行中體部分看成是等江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10斷面的，而將兩端線性變化比較大的首尾結(jié)構(gòu)看成是中部平行段的約束，由于當(dāng)時(shí)認(rèn)識(shí)的局限性，并未考慮到非棱柱的三維效應(yīng)問(wèn)題，從而導(dǎo)致他的計(jì)算結(jié)果誤差比較大。由于船體的非棱柱性，現(xiàn)在普遍的計(jì)算思路都是采用有限梁的計(jì)算方法。即把變斷面的船體梁看成是階梯形狀的，并采一維的有限元法或者是遷移矩陣法。在計(jì)算時(shí)，由于彎矩之間的耦合作用，上述計(jì)算理論也不盡完善。但是，在初步設(shè)計(jì)階段，薄壁梁理論還可以起到一定的指導(dǎo)作用。薄壁梁理論采用的是確定性的研究方法，但是對(duì)于波浪載荷這樣的隨機(jī)性變量，按照上述方法就很難得出很好的計(jì)算結(jié)果，也得不出各個(gè)部位的詳細(xì)應(yīng)力分布。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，針對(duì)全船的有限元分析已經(jīng)變?yōu)榱丝赡?。目前可以采用模型法，用膜、桁、梁、殼等單元模擬表達(dá)船體的各個(gè)部位的主要構(gòu)件。這樣可以較為真實(shí)的模擬表達(dá)船舶各個(gè)部位的剛度特性。最后施加載荷，并通過(guò)有限元分析軟件得出應(yīng)力分布圖。從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，世界造船界針對(duì)大開(kāi)口的集裝箱船開(kāi)始普遍采用有限元分析法，使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核上升到一個(gè)新的階段。隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于概率性計(jì)算的直接計(jì)算法開(kāi)始代替確定性計(jì)算方法，例如美國(guó) ABS 船級(jí)社就推薦采用 DLA 設(shè)計(jì)方法。目前國(guó)外前進(jìn)的船級(jí)社都開(kāi)始采用動(dòng)態(tài)載荷對(duì)大型集裝箱船的總縱強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算。主要研究思路如下:首先采用流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算程序?qū)Υ斑\(yùn)營(yíng)所處的海況進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，運(yùn)用載荷參數(shù)法，對(duì)鎖預(yù)報(bào)的波動(dòng)進(jìn)行參數(shù)化處理，得出一種概率性的均勻波，并測(cè)量出其具有的波長(zhǎng)，波高，相位等基本參數(shù)。然后將得到的等效規(guī)則波施加在已建立好的有限元模型上。從而得出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。目前在海洋工程領(lǐng)域，已經(jīng)提出基于載荷和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均采用概率性分析方法的 LRFD 方法。 ，伴隨著科技的進(jìn)步，船舶結(jié)構(gòu)領(lǐng)域也會(huì)逐漸采用此先進(jìn)的設(shè)計(jì)思路。江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12第 2 章 有限元分析軟件簡(jiǎn)介 Patran 簡(jiǎn)介MSC Patran——集成的并行框架式有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，CAE 仿真技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于CAD 系統(tǒng)間各有各的特色，并且產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能的仿真也具有多樣性的特點(diǎn)，因此，急需一款軟件能將 CAE 仿真的各個(gè)集成塊融合到一個(gè)統(tǒng)一完善的、易學(xué)易用的平臺(tái)上。 應(yīng)運(yùn)而生，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己本行業(yè)的實(shí)際需要，可以在此開(kāi)放式平臺(tái)上進(jìn)行多好學(xué)科間的數(shù)據(jù)交換，工程分析等。 目前， 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、鐵道、制造業(yè)、船舶、機(jī)械、電子、建筑、教學(xué)研究、生物力學(xué)等各個(gè)行業(yè)。 特點(diǎn)如下:（1）擁有友好的、條理清晰的、簡(jiǎn)潔易懂的用戶(hù)界面, 正符合目前主流的 CAE 操作流程，也有利于軟件應(yīng)用的推廣。用戶(hù)界面分人菜單分級(jí)不超過(guò)三個(gè)并且按照時(shí)間的先后順序一一激發(fā)，使得用戶(hù)可以快速的介入任何分析任務(wù)，并自由切換。（2）豐富的電子表格工具,為了給用戶(hù)提供更多的服務(wù)功能，在其下拉菜單中有諸如圖形編輯、移動(dòng)條碼、視圖等快捷按鈕。如果用戶(hù)想要管理或者輸入自己想要的數(shù)據(jù)可以通過(guò)單擊“單擊和拖動(dòng)”或者“多功能屏幕拾取選擇”按鈕，方便簡(jiǎn)潔，通俗易懂。軟件中提供的各類(lèi)表格全部采用的是普通的工程界最基本的術(shù)語(yǔ)，整個(gè)界面簡(jiǎn)潔易懂。（3）對(duì)大模型的操作響應(yīng)極快，本軟件由于其構(gòu)架的優(yōu)越性，在處理結(jié)構(gòu)模型時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行快速優(yōu)化，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行合理有效的劃分，使得軟件在處理模型時(shí)能夠快速準(zhǔn)確的得出結(jié)果。（4）MSC .Patran 軟件服務(wù)商為我們提供了在線的全文服務(wù)系統(tǒng)，使得我們的問(wèn)題可以及時(shí)得到解決。除此之外，在軟件中執(zhí)行相關(guān)命令時(shí)，所有的操作都會(huì)自動(dòng)保存或者恢復(fù)編輯修改，有助于我們避免在執(zhí)行錯(cuò)誤操作后及時(shí)恢復(fù)，方便了用戶(hù)的使用。（5）強(qiáng)大的幾何建模功能， 提供了一系列的幾何建模功能，包括幾何元素的創(chuàng)建（Create） 、刪除（Delete） 、編輯（edit ） 、變換（Transform ） 、顯示（show ） 、檢查（Verify） 、關(guān)聯(lián)（Associate） 、取消關(guān)聯(lián)（Disassociate） 、重新標(biāo)號(hào)江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13（Renumber） 。（6）幾何模型直接訪問(wèn)技術(shù)，除了本身建模外，本軟件還可以直接從 CAD 等大型建模軟件中直接導(dǎo)入模型，方便了廣大用戶(hù)。（7）分析求解器集成，作為一款優(yōu)秀的有限元模型分析前后置處理器，它提供了按照“事件分類(lèi)” 分析求解器的選擇功能，使得 的分析集成系統(tǒng)達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。因此，用戶(hù)可以根據(jù)自己后期的計(jì)算需要，自助選擇不同的分析軟件。（8）有限元建模功能，本軟件中集成了自動(dòng)實(shí)體網(wǎng)格單元格劃器、可靠的映射網(wǎng)格劃分器、掃成網(wǎng)格生成器等多種網(wǎng)格生成器。軟件還集成了一些獨(dú)特的網(wǎng)格處理功能。 Nastran 簡(jiǎn)介為了方便各行各業(yè)處理工程問(wèn)題分析，美國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)出了適應(yīng)于多種用途的有限元分析軟，這個(gè)系統(tǒng)稱(chēng)為 NASA Structural Analysis System，命名為 Nastran。上世紀(jì)六十年代初，為了能早日登上月球，美國(guó)宇航局希望開(kāi)發(fā)一款大型的有限云結(jié)構(gòu)分析軟件，并且其兼容性要好，能夠在幾乎所有的大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。當(dāng)時(shí)MacNealScherndler Corporation（即 MSC 公司）參與了這一開(kāi)發(fā)過(guò)程。Nastran 程序最早在 1969 年通過(guò) COSMIC（Computer Software Management and Information Center）對(duì)外發(fā)行，一般稱(chēng)為 。隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的飛速發(fā)展，Nastran 程序的版本更新速度也開(kāi)始加快，其中被用戶(hù)廣泛使用的當(dāng)屬 MSC 公司所開(kāi)發(fā)的 程序， 的應(yīng)用極大地方便了各行各業(yè)的對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的需要。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)， 公司為結(jié)合新的計(jì)算方法，對(duì)于 進(jìn)行了改進(jìn)，尤其是對(duì)其進(jìn)行 MD 技術(shù)特新開(kāi)發(fā)，并于 2022 年發(fā)布了 MD Nastran。新的軟件能處理多種學(xué)科的仿真，能處理顯式非線性、高級(jí)非線性、熱分析、外噪聲分析等問(wèn)題，從而增大軟件的應(yīng)用范圍。 軟件功能介紹：（1）靜力分析在模型的結(jié)構(gòu)校核中，為了計(jì)算在受靜力載荷下的應(yīng)力，Nastran 軟件為大家提供了靜力分析功能，可以計(jì)算節(jié)點(diǎn)的受力、位移、約束力等。（2）屈曲分析江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14在船舶結(jié)構(gòu)校核中，除了要計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，還要校核穩(wěn)定性，也就是屈曲問(wèn)題，本軟件中的屈曲分析包括線性和非線性?xún)煞N。（3）動(dòng)力學(xué)分析為了校核結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下得受力響應(yīng)， 軟件為我們提供了應(yīng)對(duì)動(dòng)變載荷的響應(yīng)分析。為了綜合性考慮，在分析中也包含了對(duì)于慣性和阻尼的響應(yīng)。（4）非線性分析為了使得分析計(jì)算更趨于合理性，在校核中必須考慮結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)，其包含材料、幾何、以及接觸等的非線性問(wèn)題。（5）熱傳導(dǎo)分析當(dāng)所研究的結(jié)構(gòu)模型處于帶有熱量變化的環(huán)境中時(shí)，結(jié)構(gòu)校核必須把這一部分變化包含進(jìn)來(lái)，因此 可以有效的分析出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量分布，并以直觀的顏色分布顯示出來(lái)，加大的方便了工作者的結(jié)構(gòu)熱力分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于產(chǎn)品的熱力性能改善。（6）流——固耦合分析 當(dāng)所研究的結(jié)構(gòu)模型與流體有力的相互作用時(shí)，受力還比較復(fù)雜， 軟件中提供了許多求解流——固耦問(wèn)題的方法，包括虛質(zhì)量法、流——固耦合法等，極大地方便了船舶設(shè)計(jì)工作者在水環(huán)境下對(duì)于船體結(jié)構(gòu)的分析。江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15第 3 章 艙段有限元模型的建立 概述 評(píng)估依據(jù)根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范（2022） 》及其 2022 修改通報(bào)第 2 篇第7 章附錄 2“集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算”以及《集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》第3 章“貨艙區(qū)域主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算”的規(guī)定，對(duì) 730TEU 集裝箱船貨艙區(qū)域的主要構(gòu)件應(yīng)用直接計(jì)算方法進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算。 圖紙資料（1） 、總布置圖（2） 、基本結(jié)構(gòu)圖（3） 、典型橫剖面圖（4） 、貨艙段結(jié)構(gòu)圖 船體總體概述 主尺度和主要參數(shù)總 長(zhǎng) m水 線 長(zhǎng) m垂線間長(zhǎng) m型 寬 m型 深 m設(shè)計(jì)吃水 m肋 距 m設(shè)計(jì)航速 kn航 區(qū) 沿 海江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16 主要構(gòu)件尺寸表 31 主要構(gòu)件尺寸構(gòu)件名稱(chēng) 構(gòu)件尺寸（mm）內(nèi)底縱骨 L16010010外底縱骨 L16010010舷側(cè)縱骨 L16010010平臺(tái)縱骨 L1258010舭部強(qiáng)肋骨 T 型材 1042?舷側(cè)強(qiáng)肋骨 T 型材 8弦頂強(qiáng)肋骨 T 型材 1042?甲板縱骨 T 型材 6 其它概述本船共裝載集裝箱 730 只，集裝箱尺寸：長(zhǎng)寬高=6058mm2438mm25