【正文】 anδ （δ =35o） (35)拋物線部分的面積為 (36) (37)式中：hd——貨物頂面至計(jì)算點(diǎn)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(jì)算點(diǎn)的垂向坐標(biāo)值，從基線量起，m；h0——根據(jù)貨艙的載貨量、貨物密度以及橫剖面形狀計(jì)算，不小于底邊艙斜板頂點(diǎn)至內(nèi)底板的距離，m。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，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(guò)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(cè)板為90o，內(nèi)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(jì)算點(diǎn)至貨物頂面的垂直距離，單位：m。本船空船重量1084 t， t， t， t， t，設(shè)計(jì)排水量3606 t。 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。： 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(shí)際貨物密度附加工況2d=dAMs+Mw實(shí)際貨物密度附加工況3d=dAMs+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。附加工況：（1）區(qū)域裝載：相鄰艙裝載。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)。該工況和工況3相似，此時(shí)船舶處于中拱狀態(tài)。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)。（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)。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。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)。慣性釋放，簡(jiǎn)言之就是用結(jié)構(gòu)的慣性力(質(zhì)量力)來(lái)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)。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。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。 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)。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。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)。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。在多種2D單元類型中，本船主要是板殼單元類型?！癇eam”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。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。 給模型附屬性，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。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。簡(jiǎn)單的說(shuō)，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。但在分析過(guò)程中，則是通過(guò)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(lái)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。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(lái)替代這些開孔的影響[12]。4）如果沒有雙層殼體結(jié)構(gòu)，邊肋骨和端肘板應(yīng)通過(guò)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。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(lái)模擬一根或多根梁/桿單元[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。模型建立過(guò)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。對(duì)于殼元，應(yīng)采用線性四邊形或三角形單元。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。 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。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)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(guò)鏡像生成右舷模型來(lái)實(shí)現(xiàn)完整模型的建立。 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）；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。第3章 計(jì)算模型 有限元模型 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。但這樣優(yōu)化的結(jié)果就是增大了甲板大開口，因此要校核船舶的總縱強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。 本章小結(jié)根據(jù)2400噸江海直達(dá)貨船的特點(diǎn)，本章主要介紹了對(duì)2400噸江海直達(dá)貨船的結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略和方法、船體強(qiáng)度理論、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析方法。在船體局部強(qiáng)度分析應(yīng)用有限元法時(shí)，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；2)艙段有限單元法分析方法；3)全船有限單元法分析方法。 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度的分析，也適用于局部強(qiáng)度的分析。，研究2400噸江海直達(dá)貨船結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。典型的程序如中國(guó)船舶科學(xué)研究中心開發(fā)研制的CSSRCSAP[10]程序。在我國(guó)造船界，有限元技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用開始于20世紀(jì)70年代。在1969年的國(guó)際船舶結(jié)構(gòu)會(huì)議(ISSC)上，Roren提出了題為“有限元法對(duì)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響”[8]的論述。由于方法和理論還處于初級(jí)階段，因此有限元法沒有得到普遍應(yīng)用。其方法是根據(jù)經(jīng)典的固體力學(xué)理論和結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的特點(diǎn)，發(fā)展出適合船舶和海洋結(jié)構(gòu)物的船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)，建立了一系列專用的方法，推導(dǎo)出了一些適用公式。20世紀(jì)60年代，有限元法在船舶結(jié)構(gòu)領(lǐng)域開始得到應(yīng)用。有限元法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶、水利、醫(yī)學(xué)和生物等現(xiàn)代科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。實(shí)踐表明，船體的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度與總縱強(qiáng)度有著密切的內(nèi)在聯(lián)系，當(dāng)船體的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度不足而發(fā)生扭曲變形時(shí)，有的縱向構(gòu)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(qiáng)度。對(duì)于一般開口較小的水面船舶來(lái)說(shuō)，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(yīng)力通常比較小，所以對(duì)船體強(qiáng)度的影響不大。 船體橫向彎曲變形當(dāng)船體傾斜地處于波浪中航行時(shí)，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(jié)構(gòu)除了總縱彎曲外，還將產(chǎn)生整個(gè)船體的扭轉(zhuǎn)。對(duì)于瘦長(zhǎng)型的水面船舶來(lái)說(shuō)，在正常航行條件下，如果船體的總縱強(qiáng)度有了充分保證，船體橫向強(qiáng)度通常也就有了保證。船體結(jié)構(gòu)的這種能力稱為船體橫向強(qiáng)度。 中拱彎曲和中垂彎曲在外力作用下，船體發(fā)生的變形或破壞不是在船體的縱向，而是橫向。中拱彎曲時(shí)，船體的甲板受拉伸．底部受壓縮。當(dāng)波峰在船中時(shí)，會(huì)使船體中部向上彎曲，稱為中拱彎曲。（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(huì)比靜水中的大。船體長(zhǎng)度方向上重力與浮力的差值即為作用在船體上的外裁荷。重力包括船體的重量和機(jī)器、設(shè)備、燃料、水、船上人員及行李和載貨的重量。 貨艙大開口處優(yōu)化前橫剖面圖 貨艙大開口處優(yōu)化后橫剖面圖 船體強(qiáng)度理論[6]船體總縱強(qiáng)度是船體抵抗總縱彎曲變形和破壞的能力。甲板大開口的增大，將影響船舶的總縱強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，因此，將對(duì)本船進(jìn)行強(qiáng)度校核。這也符合船舶優(yōu)化的原則。這樣優(yōu)化的目的在于在船舶滿足規(guī)范的要求下，增加貨艙容積，減輕船體重量，方便貨物的裝卸。 優(yōu)化策略船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)際上是一個(gè)決策的過(guò)程，在眾多的可行性方案中選取一個(gè)最優(yōu)方案。從計(jì)算結(jié)果上看，各種計(jì)算工況下上層建筑的各種構(gòu)件中應(yīng)力確實(shí)不大。本船主船體和上層建筑一般選用A級(jí)船鋼，上甲板板厚大于15mm選用B級(jí)船鋼。114首：首尖艙。29114：貨艙。629：機(jī)艙。全船肋距分為：尾6和114首間距為600mm，6114間距為650mm。單底部分每檔肋位設(shè)實(shí)肋板。貨艙區(qū)域?yàn)閱渭装濉㈦p層底()、 雙殼結(jié)構(gòu)形式(，分隔為頂邊艙和下深艙)。第2章 船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化 船體結(jié)構(gòu) 2400噸江海直達(dá)貨船主尺度及主要參數(shù)總 長(zhǎng)：～設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)：兩 柱 間 長(zhǎng)：型 寬：型 深：設(shè)計(jì)吃水：首脊?。何蚕匣。海ㄆ鸹↑c(diǎn)在尾垂線前16m處）設(shè)計(jì)排水量：～3606t上甲板首樓高：～上甲板室高：艇甲板室：駕駛甲板室高：駕駛室高：總噸位：1997t凈噸位：載重噸：2400t 結(jié)構(gòu)形式本船為全鋼質(zhì)、電焊結(jié)構(gòu)，雙底、單甲板、雙機(jī)、雙尾鰭、雙舵、雙槳、尾機(jī)型、球鼻首江海直達(dá)貨船。本文則是利用上述方法對(duì)2400噸級(jí)江海直達(dá)貨船進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，其具體內(nèi)容是對(duì)船舶大開口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。俄羅斯江海直達(dá)船舶規(guī)模較大，屬河—海型登記在冊(cè)的船舶有1000多艘, 單船噸位從1000多噸～5000噸，它的航線一直延伸到中歐、東歐、西歐和北歐。代表船型有Ⅰ級(jí)航道的皮尼希型、Ⅱ級(jí)航道的肯佩納型、Ⅲ級(jí)航道的多特蒙得—埃姆斯運(yùn)河型、Ⅳ級(jí)航道的萊茵—赫爾內(nèi)運(yùn)河型(歐洲型)、Ⅴ、Ⅵ級(jí)航道的大型萊茵船。萊因河流域有德國(guó)、荷蘭、比利時(shí)等國(guó)，都擁有相當(dāng)數(shù)量的江海直達(dá)貨船(以散貨/集裝箱多用途船為主)。 德國(guó)江海直達(dá)多用途船NeilB號(hào)西歐的江海直達(dá)運(yùn)輸主要是萊因河沿岸到北歐、西歐、非洲等沿海港口。因此，“二戰(zhàn)”后歐洲的江海直達(dá)船舶發(fā)展相當(dāng)快。：我國(guó)江海直達(dá)船型要素表序號(hào)項(xiàng)目單位1000t級(jí)江海直達(dá)貨船閩海1011000t級(jí)江海直達(dá)貨船錢塘號(hào)1200t級(jí)江海直達(dá)貨船黃鶴8號(hào)2300t級(jí)江海直達(dá)貨船3000t級(jí)江海直達(dá)貨船1總長(zhǎng)m2垂線間長(zhǎng)m587576893型寬m134型深m555設(shè)計(jì)吃水m46排水量t1813/21652035/2493192331927總噸位t99417329988載貨量t1000/1352866/132412002127/22073000 國(guó)外研究背景及現(xiàn)狀二次大戰(zhàn)后，遠(yuǎn)洋—沿?！獌?nèi)河直達(dá)運(yùn)輸方式是歐洲各國(guó)航運(yùn)界一直追求的目標(biāo)。黑龍江水系1993年建成了航行于日本的1500噸級(jí)超淺吃水（）江海直達(dá)多用途船，福建和浙江也分別于20世紀(jì)80年代中期和末期建成1000噸級(jí)的多用途江海直達(dá)船，珠江水系也在研制開發(fā)千噸級(jí)的江