【導(dǎo)讀】有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱工程大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)。本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)。明作者第一署名單位為哈爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。程大學(xué)送交有關(guān)部門進(jìn)行保存、匯編等。江海直達(dá)運(yùn)輸方式減少了中間環(huán)節(jié)，消除了貨物損耗，縮短了貨。在中國(guó)，江海直達(dá)船舶有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，它對(duì)連接中。國(guó)的沿海、遠(yuǎn)洋航運(yùn)和內(nèi)河航運(yùn)起著重要的作用。下，船舶航行狀態(tài)下的各種響應(yīng)，并校核大開口條件下船體的總縱強(qiáng)度。料和費(fèi)用、環(huán)境保護(hù)以及船舶營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)效益等問題。

　　

【正文】 型 坐標(biāo)規(guī)定 取右手直角坐標(biāo)系： x沿船長(zhǎng)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 。 單位制定義 質(zhì) 量：噸（ t）； 長(zhǎng)度：米 (m)； 時(shí)間：秒 (s)； 力 ：牛頓 (N)或千牛頓 (kN)； 應(yīng)力：牛頓 /毫米 2（ N/mm2）； 壓力：千牛 /米 2（ kN/m2）。 符號(hào)規(guī)定 L—— 船長(zhǎng)，（ 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(yīng)力（ N/mm2） ； σx—— 單元 x 方向的應(yīng)力（ N/mm2）； σy—— 單元 y 方向的應(yīng)力（ N/mm2）； 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 τxy—— 單元 xy 平面的剪應(yīng)力（ N/mm2）； σl—— 船體梁縱向的應(yīng)力（ N/mm2）； σw—— 船體梁橫向或垂向的應(yīng)力（ N/mm2）； τ—— 剪應(yīng)力（ N/mm2）；對(duì)于縱桁和肋板取腹板總深度的平均剪應(yīng)力； k—— 材料換算系數(shù)； E—— 材料彈性模量。對(duì)鋼材， E = 105 N/mm2； μ—— 材料泊松比。對(duì)鋼材， μ= 模型范圍 計(jì)算中采用全船的模型，即選取船體結(jié)構(gòu)的所有 (全長(zhǎng)、全寬及全高范圍內(nèi)的 )主要構(gòu)件建立三維有限元模型， 由于船 舶結(jié)構(gòu)左右對(duì)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(shí)現(xiàn)完整模型的建立。 如圖 。 圖 全船三維有限元模型 所有主要縱向和橫向結(jié)構(gòu)單元均應(yīng)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(jié)構(gòu)單元上的所有板材和扶強(qiáng)材，包括梁腹加強(qiáng)板，加強(qiáng)筋等，均應(yīng)表達(dá)在模型中。 對(duì)于局部的支撐構(gòu)件，如尺寸較小的肘板等不計(jì)入模型中，桁材、肘板上的小開孔忽略不計(jì)。 第 3 章 計(jì)算模型 17 單元和網(wǎng)格 選擇單元時(shí)，應(yīng)注意要模型化構(gòu)件的剛度 ；并且根據(jù)本船的型線，構(gòu) 件尺寸、板厚、開孔等建立有限元模型 ?？紤]不同類型的單元進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)模型化： 1） 加強(qiáng)筋模型化時(shí)，應(yīng)使用下列單元類型： 桿元：只有軸向剛度和沿長(zhǎng)度方向的等截面的構(gòu)件 ； 梁元：有軸向、扭轉(zhuǎn)、雙向剪切和彎曲剛度的構(gòu)件 。 2) 板模型化時(shí)，應(yīng)使用下列構(gòu)件類型： 膜元：具有雙軸平面內(nèi)剛度的構(gòu)件 ； 殼元：除了雙軸平面內(nèi)剛度，還具有平面外彎曲剛度的構(gòu)件 。 我們所建立的模型中未使用到膜元。對(duì)于殼元，應(yīng)采用線性四邊形或三角形單元。但是 ，三角形單元的數(shù)量應(yīng)盡可能減少到最低，特別是在高應(yīng)力區(qū)域和高應(yīng)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(jié)構(gòu)不連續(xù)處都應(yīng)盡量減少 使用三角形單元。 模型建立過程中對(duì)首部和尾部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如忽略小肘板，甲板、平臺(tái)和艙壁上的開口等。 此外， CCS 規(guī)范中明確給出了一些關(guān)于網(wǎng)格劃分的要求： 1） 船體結(jié)構(gòu)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]。 2） 承受水壓 力 和貨物壓力的各類板上的扶強(qiáng)材 ， 用梁元模擬，并考慮偏心影響。縱桁、肋板上的加強(qiáng)筋、肋骨和肘板等主要構(gòu)件的面板和加強(qiáng)筋可用桿單元模擬 。若考慮到網(wǎng)格的布置 和大小劃分的困難，部分區(qū)域一個(gè)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(yīng)不少于 3 單元；艙壁最底部的單元一般情況下應(yīng)盡量劃分為正方形單元 。 4） 如 果 沒有雙層殼體結(jié)構(gòu)，邊肋骨和端肘板應(yīng)通過使用殼和 /或梁元模型化，邊肋骨的腹板高度上用一個(gè)單元 。 5）舷側(cè)肋骨可以定義為板單元或梁?jiǎn)卧?，?dāng)肋骨腹板的高度與舷側(cè)的網(wǎng)格尺寸之比小于 1/3 時(shí)，可用梁元 。 6）主要構(gòu)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]。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 材料參數(shù) 本船采用鋼制結(jié)構(gòu)，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(shí)體都由各種材料構(gòu)成 ， 材料是實(shí)際結(jié)構(gòu)的承載體。但在分析 過程 中，則是通過模量、強(qiáng)度、 密度、 本構(gòu)關(guān)系等參數(shù)，以數(shù)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。在 中，通 過指定一個(gè)唯一獨(dú)立的名稱，并將各種屬性賦予該名稱來定義材料。簡(jiǎn)單的說，創(chuàng)建一個(gè)材料模型時(shí)，先輸入一個(gè)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(shí)，并不是所有的材料屬性都要求輸入，而是針對(duì)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(shù)據(jù)分別是楊氏模量 E、泊松比 μ、剪切模量 G、密度 ρ。對(duì)于各 項(xiàng) 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(guān)系，所以三個(gè)量中只有兩個(gè)是獨(dú)立的，在輸入時(shí)， 只輸入任意兩個(gè)即可。 給模型附屬性 為了提高自身的適應(yīng)性，特意將網(wǎng)格的劃分和單元物理特性的定義分開，網(wǎng)格劃分完畢之后，只是確定了單元的空間拓?fù)潢P(guān)系，但單元究竟代表實(shí)際結(jié)構(gòu)中的什么東西，比如拓?fù)淇臻g中的一個(gè)線單元，它是一根彈簧，還是一根梁，是鐵質(zhì)的，還是鋁質(zhì)的，這些都沒有確定。 “ Properties” 的作用，就是對(duì)不同的單元，根據(jù)實(shí)際情況，賦予相應(yīng)的物理特性。 創(chuàng)建一個(gè)物理特性，首先要根據(jù)實(shí)際情況，選定應(yīng)用單元的維數(shù)和類型，本模型中應(yīng)用單元的維數(shù)分別是 1D 單元和 2D 單元。 1D單元 是呈線狀的單元，即網(wǎng)格劃分時(shí)的 “ Bar”單元 ，其對(duì)應(yīng)的實(shí)際單元類型較多，這里只應(yīng)用到 “ Beam” 、 “ Rod”兩種類型。 “ Beam” 一般指梁結(jié)構(gòu)，表示船體結(jié)構(gòu)上的甲板縱骨、舷側(cè)縱骨、內(nèi)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。 “ Rod” 一般指桿結(jié)構(gòu)，一般就是普通的筋結(jié)構(gòu)。在多種 2D 單元類型中，本船第 3 章 計(jì)算模型 19 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(jié)構(gòu)上基本都是板殼單元。接著輸入一個(gè) “ set” 名稱，作為該物理特性的唯一標(biāo)識(shí)，一般取結(jié)構(gòu)的英文名作為標(biāo)識(shí)，方便以 后查找。然后選定材料的類型，本船都是鋼結(jié)構(gòu)，都附一種類型即可。之后，打開特性數(shù)據(jù)輸入面板，結(jié)合圖紙，分別輸入各種類型的參數(shù)。最后，選定要應(yīng)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(jié)構(gòu)的尺寸不一樣，給它們分完組后，在附屬性時(shí)可直接將組調(diào)出，直接對(duì)其附相應(yīng)的屬性。還有板上的 1D 單元可直接將其分到相應(yīng)的組里，在附屬性時(shí)，隱去該組里的板結(jié)構(gòu)，可以直接給 1D 單元附屬性。 邊界條件 航行狀態(tài)的船舶結(jié)構(gòu)處于“全自由”狀態(tài)，但是對(duì)其進(jìn)行有限元 靜力分析計(jì)算時(shí)，并不能處理為全自由結(jié)構(gòu)。一般在有限元靜力分析時(shí)，假設(shè)計(jì)算模型中沒有機(jī)構(gòu)，并且不允許有剛體運(yùn)動(dòng)模態(tài)（自由應(yīng)變）。如果上述兩個(gè)條件中任意一條不成立，則應(yīng)用有限元方法分析計(jì)算時(shí)，將使剛度矩陣奇異，最終得不到正確的結(jié)果或者導(dǎo)致求解失敗。 慣性釋放 [13](Inertia Relief)是 MSC． Nastran 軟件中的一個(gè)高級(jí)應(yīng)用，可以對(duì)完全無約束的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析。它對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元直接計(jì)算具有很重要的實(shí)際應(yīng)用意義。從理論上說，如果結(jié)構(gòu)上作用有一個(gè)自平衡的力系，那么結(jié)構(gòu)即使是完全不受約束的全 自由結(jié)構(gòu)，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；另外，此時(shí)在結(jié)構(gòu)上任意一點(diǎn)施加約束，得到的反力應(yīng)該等于零。 慣性釋放，簡(jiǎn)言之就是用結(jié)構(gòu)的慣性力 (質(zhì)量力 )來平衡外力，亦即，雖然結(jié)構(gòu)沒有受到約束，但分析時(shí)仍然假設(shè)其處于一種“靜態(tài)”的平衡狀態(tài)。利用慣性釋放進(jìn)行靜力分析時(shí)，只需要對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 6 個(gè)自由度的約束 (虛支座 )，針對(duì)該約束，首先計(jì)算在外力作用下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)上，由此構(gòu)成一個(gè)平衡的力系。求解得到的位移就是所有節(jié)點(diǎn)相對(duì)于該支座的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 本文計(jì)算過程中， 在對(duì)模型進(jìn)行靜力平 衡調(diào)整后，整個(gè)船體不施加任何約束，采用慣性釋放原理進(jìn)行分析。 具體做法為：去掉支座，從而消除約束點(diǎn)的反力對(duì)變形和應(yīng)力的影響，以便獲取更加合理的計(jì)算結(jié)果，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行合理的分析與評(píng)估。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 計(jì)算工況 CCS 規(guī)定 中國(guó)船級(jí)社《散貨船直接計(jì)算分析指南》 [12]對(duì)計(jì)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(shí)際吃水，此時(shí) 船舶 處于中垂?fàn)顟B(tài)。 （ 2）工況 2 輕壓載工況： 該工況貨艙內(nèi)沒有裝任何貨物，只是頂邊艙、底邊艙、雙層 底內(nèi)裝了壓載水，此時(shí) 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(shí)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(shí)的吃水，此時(shí) 船舶 處于中垂?fàn)顟B(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(shí)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(shí) 船舶 處于中 垂?fàn)顟B(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(shí) 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(cè)中實(shí)際貨物密度 ) （ 2）船東要求的特定裝載工況。 各計(jì)算工況見表 ： 表 CCS 直接計(jì)算法所有裝載工況 工況 吃水 彎矩 貨物密度（ t/m3） 簡(jiǎn)圖 1 d=dA Ms+Mw 第 3 章 計(jì)算模型 21 工況 吃水 彎矩 貨物密度（ t/m3） 簡(jiǎn)圖 2 d=dA Ms+Mw 3 d=ds Ms+Mw 最大輕貨密度 4 d=ds Ms+Mw 最大輕貨密度 5 d=ds Ms+Mw 6 d=ds Ms+Mw 附加工況 1 d=dA Ms+Mw 實(shí)際貨物密度 附加工況 2 d=dA Ms+Mw 實(shí)際貨物密度 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 工況 吃水 彎矩 貨物密度（ t/m3） 簡(jiǎn)圖 附加工況 3 d=dA Ms+Mw 實(shí)際貨物密度 表中： dA—— 對(duì)應(yīng)工況的實(shí)際吃水，單位： m DS—— 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)吃水，單位： m Ms—— 靜水彎矩 Mw—— 波浪彎矩 全船模型計(jì)算工況 對(duì)于全船模型，為了盡可能考核船體的實(shí)際情況，計(jì)算工況根據(jù) 裝載手冊(cè)所提供的實(shí)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(jì)算載荷 空船重量 空船重量是進(jìn)行全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的主要載荷之一，包括船體自身的質(zhì)量，設(shè)備、舾裝、油料、水等的重量。為了使計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況，總的重力應(yīng)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(yīng)該盡量接近。 本船空船重量 1084 t，人員及行李重 t，燃油重 t，滑油 t，淡水 ，備品及污油水重 t，設(shè)計(jì)排 水量 3606 t，吃水 米。 基于 CCS 的模型計(jì)算載荷 船舶在海上航行時(shí)，除承受浮力、貨物載荷及相應(yīng)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(jì)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(yùn)輸船型，貨物壓力的確定對(duì)船體強(qiáng)度的評(píng)估也是非常重要的，第 3 章 計(jì)算模型 23 不同的貨物在船舶不同的部位壓力都不一樣，根據(jù) CCS 的規(guī)定，貨物壓力通過 式 31確定： kN/m2 (31) 式中： C? ―― 貨物密度 kg/m3； a0＝ ])100300([3 LVLL ??? (32) ??? 222 c o s)(tans i n ??? ?bk (33) α —— 板與水平面 之間 的夾角（如，艙壁、舷側(cè)板為 90o，內(nèi)底板為 0o） ； δ —— 貨物的休止角（礦石和煤為 35o，