補充1 船舶結(jié)構(gòu)強度直接計算法

船舶結(jié)構(gòu)強度直接計算法

StructuralDirectCalculation

1概述近年來，由于新型船舶的建造、船舶的大型化以及新結(jié)構(gòu)、新材料不斷出現(xiàn)，船舶結(jié)構(gòu)的屈曲、彈塑性破壞、疲勞和斷裂等問題日趨受到重視傳統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析方法已難以勝任尋找新的、有效的船體結(jié)構(gòu)分析方法勢在必行有限元法基于變分原理的把連續(xù)體離散化的數(shù)值解法，適應(yīng)性強，效能較高。實質(zhì)是把求解區(qū)域分為有限個單元，這些單元只在求解區(qū)域的節(jié)點處和單元的邊界上互相連接求解區(qū)域被離散了，并且表示為有限個單元的組合體。基于有限元的結(jié)構(gòu)直接計算有限元分析用于船舶結(jié)構(gòu)：將船體結(jié)構(gòu)離散為能精確模擬其承載模式和變形情況的有限個單元，詳盡地表述船體結(jié)構(gòu)的微觀細節(jié)，真實地表達出各個構(gòu)件間的協(xié)調(diào)關(guān)系與變化，可以求出各個關(guān)心構(gòu)件或區(qū)域的實際變形與應(yīng)力。評價：是目前船體強度分析最準確、最完善的方法，也是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，最能精確預(yù)報結(jié)構(gòu)對載荷響應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析方法。常用的有限元分析軟件自20世紀70年代后期，引入我國的各種大、中型專用和通用有限元著名軟件有ABAQUS

ANSYS

ADINA,SAP,MARC,NASTRAN等。船舶行業(yè)主流的有限元軟件是NASTRAN專門的船體結(jié)構(gòu)分析有限元軟件英國勞氏船級社的SHIPRIGHT系統(tǒng)美國船級社的SAFEHULL系統(tǒng)挪威船級社的NAUTICUS系統(tǒng)法國船級社的VERISTAR系統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)FE分析的三個不同層次整船分析艙段分析局部有限元分析整船分析：獲得船體應(yīng)力和變形的整體情況，如總縱彎曲應(yīng)力和變形艙段分析：用于分析甲板、舷側(cè)、船底和艙壁等結(jié)構(gòu)在局部載荷作用下的強度再疊加船體梁的載荷后，同樣能夠進行船體總強度的評估還可為艙口角隅等需要細化的局部結(jié)構(gòu)分析提供邊界條件局部有限元分析：在對船體進行艙段分析的基礎(chǔ)上，為了更精確地獲知主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件或關(guān)鍵部位的應(yīng)力水平和應(yīng)力分布時采用，可用于計算局部應(yīng)力以確定應(yīng)力集中系數(shù)分析受集中力作用的結(jié)構(gòu)強度，如系泊裝置、錨機、克令吊基座的船體支撐結(jié)構(gòu)強度分析IACS發(fā)布的有限元分析流程國際船級社協(xié)會(IACS)于2006年4月發(fā)布的散貨船共同規(guī)范（簡稱CSR），規(guī)定船長大于150m的散貨船需要進行有限元分析2船體結(jié)構(gòu)有限元模型建模原則：全船的有限元模型化必須建立在對船體結(jié)構(gòu)的承載模式、載荷傳遞和相應(yīng)的變形特征正確分析的基礎(chǔ)上，合理地布置單元網(wǎng)格線和簡化縱骨等小構(gòu)件，運用桿元、梁元、膜元和板殼元等結(jié)構(gòu)單元的恰當(dāng)組合，做到既要保證計算結(jié)構(gòu)的真實、有效、可信，又要控制模型的規(guī)模建模具體要求1）若采用艙段分析，則僅對船體的某些艙段建立有限元模型主要包括兩種模型：三艙段模型，如CSR、ABS和IACS采用兩艙段模型，如DNV,LR,GL及CCS采用無論是三艙段模型還是兩艙段模型，模型的垂向范圍都為船體型深。有限元模型的縱向范圍（三艙段）建模具體要求2)主要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如肋板、舷側(cè)肋骨、甲板橫梁、縱骨、縱桁、底部縱桁及其他相當(dāng)構(gòu)件等要合理的模型化。3)有限元網(wǎng)格的劃分應(yīng)根據(jù)計算目標和精度的要求。兩種做法:粗網(wǎng)格(如ABS)，即根據(jù)主要結(jié)構(gòu)件來布置單元格子線；細網(wǎng)格，即根據(jù)骨材的間距來劃分單元，DNV,LR,BV和CCS等都采用細網(wǎng)格模型建模具體要求4)粗網(wǎng)格的有限元模型在表達船體結(jié)構(gòu)的總縱彎曲和局部板架彎曲時是恰當(dāng)?shù)模撬P(guān)于加強筋和板格的彎曲的描述卻是不完備的。粗網(wǎng)格模型通常采用膜單元和桿單元來模擬船體結(jié)構(gòu)。由于梁單元與膜單元的貼和連接存在單元間變形的不相容，所以一般不采用梁單元。但是在有些情況下，為了使結(jié)構(gòu)具有面外剛度，梁單元被用來支撐膜單元，以便承受橫向載荷。如雙層底上的縱骨通常采用桿單元，但在橫艙壁的支凳附近則處理為梁單元。建模具體要求5)細模型的板構(gòu)件(主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件)選用板殼單元，加強筋選用梁單元。在主要構(gòu)件之間布置這種單元，以承受壓力載荷并把它們傳遞給主要構(gòu)件。對于僅在板的一側(cè)布置的加強筋應(yīng)采用偏心梁元。否則梁的彎曲剛度應(yīng)該計入有效帶板的影響。另外對于較薄的板構(gòu)件，考慮到它的承載能力，可以用平面應(yīng)力單元來代替板殼元。建模具體要求6)單元主要采用四種類型:桿單元、梁單元、膜元和板殼元并且通常只采用簡單單元，即僅在角點處布置節(jié)點對于膜元和殼元，應(yīng)僅采用線性四邊形單元或三角形單元。建模具體要求7)船體的外板結(jié)構(gòu)，強框架、縱析、平面艙壁的析材、肋骨等的高腹板，以及槽型艙壁采用四節(jié)點板殼單元模擬在高應(yīng)力區(qū)和高應(yīng)力變化區(qū)盡可能避免使用三角形單元，如減輕孔、人孔，艙壁與壁凳連接處，鄰近肘板或結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，盡量少用三角形單元。

單元長寬比應(yīng)不大于4:1。建模具體要求8)對于承受水壓力和貨物壓力的各類板上的扶強材用梁單元模擬，并考慮偏心的影響。縱桁、肋板上的加強筋、肋骨和肘板等主要構(gòu)件的面板和加強筋可用桿單元模擬。若考慮到網(wǎng)格的布置和大小劃分的困難，部分區(qū)域一個線單元可以用來模擬一根或多根梁/桿單元。船底縱桁和肋板在垂直方向布置應(yīng)不少于3個板單元。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，一個強框架的典型網(wǎng)格建模具體要求9)槽型艙壁和壁凳:每一個翼板和腹板至少應(yīng)劃分一個板單元；在槽型艙壁下端接近底凳處的板單元和凳板的鄰近單元，其長寬比系數(shù)接近1。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，可以采用等效板厚的板元來替代這些開孔的影響。建模具體要求10)在板厚有突變的地方應(yīng)作為單元的邊界。如果單元跨越板厚突變，則應(yīng)相應(yīng)地調(diào)整單元數(shù)據(jù)以得到等效剛度。板單元應(yīng)位于相應(yīng)板構(gòu)件的中面上，但對于在整體強度分析中，板單元可以近似置于外部輪廓的平面內(nèi)。建模具體要求11)加筋板可用能恰當(dāng)表示板格剛度的二維（2D）正交異性單元建模。當(dāng)有限元模型中加筋板用正交異性單元表示時：a)對于雙層底縱桁或肋板構(gòu)件，單元高度應(yīng)為雙層底高度。b)如扶強材位于兩個正交異性單元間的邊緣，扶強材既可使用梁/桿元建模，也可將扶強材剛度賦到兩個正交異性單元上來虛擬建模。c)如果扶強材位于一個正交異性單元和一個膜/殼單元間的邊緣，扶強材應(yīng)以梁/桿單元建模。d)如果扶強材位于兩個膜/殼單元間的邊緣，扶強材應(yīng)使用梁/桿單元建模。e)如設(shè)置雙殼，主要支撐構(gòu)件的腹板沿高度應(yīng)以一個單元建模。f)如沒有設(shè)置雙殼，至少三檔肋骨應(yīng)有一根建模，肋骨與其相連的端部肘板的腹板應(yīng)以殼單元建模，面板應(yīng)以殼/梁元建模。g)單元長寬比應(yīng)不大于2:1。建模具體要求12)結(jié)構(gòu)有限元分析的構(gòu)建尺寸大都采用建造厚度，基于CSR規(guī)范的有限元模型的構(gòu)件的厚度應(yīng)取作下列給出的厚度:建模具體要求13)由于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在模型化時要做必要的簡化。

在整體分析時，最通常的簡化就是將幾個次要構(gòu)件合并(如加強筋等)，合并的構(gòu)件應(yīng)位于相關(guān)構(gòu)件的幾何中心，還要具有相同的剛度。

甚至一些貢獻較小的次要構(gòu)件可以不計入模型，例如短的防止屈曲的加強筋和小的開孔。對于大的開孔，則必須計入模型。3載荷計算作用在船體結(jié)構(gòu)上的載荷，按其對結(jié)構(gòu)的影響，可分為:總體性載荷和局部性載荷總體性載荷：引起整個船體的變形或破壞的載荷和載荷效應(yīng)，例如，總縱彎曲的力矩、剪力、應(yīng)力及縱向扭矩等局部性載荷：引起局部結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的變形或破壞的載荷，例如，水密試驗時的水壓力，機器的不平衡所造成的慣性力、局部振動，海損時水的壓力等。載荷考慮的原則1)等效設(shè)計波方法（EDW）用于設(shè)定設(shè)計載荷，包括在靜水中和波浪中的船體梁載荷以及與板垂直的側(cè)向載荷。2)外部靜水壓力及貨物和壓載引起的內(nèi)部靜壓力視為靜水中的側(cè)向載荷。外部水動壓力以及貨物和壓載引起的內(nèi)部慣性壓力視為波浪中的側(cè)向載荷。3)垂向靜水剪力和彎矩、波浪引起的垂向剪力和彎矩以及波浪引起的水平彎矩視為船體梁載荷。4)波浪中側(cè)向載荷和船體梁載荷引起的應(yīng)力應(yīng)使用對每一等效設(shè)計波確定的載荷組合因子組合起來。船體梁載荷1)靜水彎矩為該船體橫剖面中拱和中垂工況下的最大計算靜水彎矩2)靜水剪力為該船體橫剖面在裝載手冊中定義的裝載工況下的最大計算正或負剪力。載荷工況1)等效設(shè)計波所產(chǎn)生響應(yīng)值與構(gòu)件主要載荷分量長期響應(yīng)值相當(dāng)?shù)囊?guī)則波，叫做等效設(shè)計波(EDWs)，其組成部分為:

當(dāng)垂直波浪彎矩在迎浪中達到最大時的規(guī)則波(EDW"H")當(dāng)垂直波浪彎矩在隨浪中達到最大時的規(guī)則波(EDW"F")當(dāng)橫搖運動達到最大時的規(guī)則波(EDW"R")當(dāng)水線處水動壓力達到最大時的規(guī)則波(EDW"P")2)載荷工況等效設(shè)計波(EDWs)的相應(yīng)載荷工況定義載荷工況定義參考船體梁載荷和船舶運動外部壓力1)對舷側(cè)外板和船底板的外部海水壓力a)靜水壓力對各裝載工況，外板上任何一點對應(yīng)于靜水中吃水的靜水壓力1)對舷側(cè)外板和船底板的外部海水壓力b)水動壓力載荷工況H1、H2、F1和F2的水動壓力內(nèi)部壓力和力1)干散貨造成的側(cè)向壓力a)靜水中的干散貨壓力1)干散貨造成的側(cè)向壓力b)干散貨造成的慣性壓力內(nèi)部壓力和力1)干散貨造成的側(cè)向壓力c)干散貨造成的剪切載荷i.為估算垂直方向總力，應(yīng)計及傾斜構(gòu)件處的干散貨造成的剪切載荷1)干散貨造成的側(cè)向壓力c)干散貨造成的剪切載荷ii.為估算縱向和水平方向總力，應(yīng)計及內(nèi)底板處的干散貨造成的剪切載荷。波浪中干散貨引起的縱向剪切載荷液體造成的側(cè)向壓力a)液體造成的靜水壓力靜水中液體壓力，取以下兩式之大者：2)液體造成的側(cè)向壓力b)液體造成的慣性壓力4邊界條件端部兩剖面的縱向構(gòu)件節(jié)點應(yīng)與位于中心線上中和軸處的獨立點剛性關(guān)聯(lián)兩端的剛性關(guān)聯(lián)獨立點的支撐條件5強度準則結(jié)構(gòu)分析結(jié)果應(yīng)滿足屈服強度屈曲強度主要構(gòu)件撓度的衡準屈服強度評估參考應(yīng)力參考應(yīng)力平面單元（殼或膜）中心的vonMises相當(dāng)應(yīng)力線單元（梁或桿）的軸向應(yīng)力有限元分析應(yīng)考慮船體梁載荷如果有限元模型中沒有考慮開孔效應(yīng)，開孔周圍的參考應(yīng)力應(yīng)按照腹板高度和開孔高度之比調(diào)整剪切應(yīng)力的方法適當(dāng)修正。

屈服強度評估2)相當(dāng)應(yīng)力vonMises相當(dāng)應(yīng)力按照下式計算屈服強度評估3)許用應(yīng)力模型中無正交各向異性單元時，參考應(yīng)力應(yīng)不超出235/kMPa，k為材料系數(shù)模型中含正交異性單元時，參考應(yīng)力應(yīng)不超過205/kMPa，k為材料系數(shù)主要支撐構(gòu)件的撓度雙層底和前部（或后部）橫艙壁之間的最大相對撓度應(yīng)不超過以下衡準6詳細應(yīng)力評估(1)細化區(qū)域：主要支撐構(gòu)件的高應(yīng)力區(qū)域(2)高應(yīng)力區(qū)域的細化方法細化區(qū)域可直接包含在整體艙段分析細化區(qū)域的詳細應(yīng)力可用單獨的子模型分析，模型邊界與支撐構(gòu)件的位置相一致細化區(qū)域可直接包含在整體艙段分析單獨的子模型(3)網(wǎng)格控制細化區(qū)域的單元尺寸應(yīng)為相應(yīng)區(qū)域普通扶強材間距的四分之一左右例：對普通扶強材間距為800mm的結(jié)構(gòu)，單元尺寸為200mm×200mm。主要支撐構(gòu)件腹板和單舷側(cè)散貨船舷側(cè)肋骨腹板的高度方向至少應(yīng)劃分3個單元單元的長寬比不超過3四邊形單元的角應(yīng)盡可能為90°，或應(yīng)在45°和135°之間(4)邊界條件細化區(qū)域直接包含在整體艙段分析：邊界條件同整體艙段有限元分析邊界條件相同子模型：將整體艙段分析得到的節(jié)點力或節(jié)點位移施加到子模型上如給出節(jié)點力，位于子模型邊界上的支撐構(gòu)件應(yīng)包含在子模型中如給出節(jié)點位移并且子模型中有附加節(jié)點，附加節(jié)點的節(jié)點位移用合適的內(nèi)插法求得(5)應(yīng)力衡準細化區(qū)域內(nèi)板單元的VonMises相當(dāng)應(yīng)力線單元的軸向應(yīng)力不超過280/kMPa7屈曲分析中垂?fàn)顟B(tài)：由于甲板距離船中橫剖面的中和軸位置最遠，甲板承受較大的總縱彎曲面內(nèi)壓力，因而可能喪失其穩(wěn)定性中拱狀態(tài)：船底會承受較大的總縱彎曲面內(nèi)壓