船舶結(jié)構(gòu)有限元建模與分析

船舶結(jié)構(gòu)有限元建模與分析

上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院主講人：熊志鑫1當(dāng)前第1頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)一、有限元法的發(fā)展

有限元法的思想可以最早追溯到古人的“化整為零”，“化圓為直”的作法。曹沖稱象的典故；古代數(shù)學(xué)家劉微采用割圓法計算圓周長；

以上這些都體現(xiàn)了“離散逼近”的思想，即采用大量的簡單小物體來沖填出復(fù)雜的大物體。

有限元的基本方法：

借助數(shù)學(xué)和力學(xué)知識，利用計算機(jī)技術(shù)解決工程技術(shù)問題。2當(dāng)前第2頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)劉徽（生于公元250年左右），是中國數(shù)學(xué)史上一個非常偉大的數(shù)學(xué)家，他的杰作《九章算術(shù)注》和《海島算經(jīng)》。"割圓術(shù)"，即將圓周用內(nèi)接或外切正多邊形窮竭的一種求圓面積和圓周長的方法當(dāng)前第3頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)當(dāng)前第4頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)基于功能完善的有限元軟件和高性能的計算機(jī)硬件對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)分析，以獲得盡可能真實(shí)的結(jié)構(gòu)受力信息，就可以在設(shè)計階段對可能出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行安全評判和設(shè)計參數(shù)修改，據(jù)有關(guān)資料，一個新產(chǎn)品的問題有60％以上可以在設(shè)計階段消除，甚至有的結(jié)構(gòu)的施工過程也需要進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計，要做到這一點(diǎn)，就需要類似有限元分析這樣的分析手段。當(dāng)前第5頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)有限元法已被應(yīng)用于固體力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁學(xué)、聲學(xué)、生物力學(xué)等各個領(lǐng)域；能求解由桿、梁、板、殼、塊體等各類單元構(gòu)成的彈性（線性和非線性）、彈塑性或塑性問題（包括靜力和動力問題）；能求解各類場分布問題（流體場、溫度場、電磁場等的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)問題）；還能求解水流管路、電路、潤滑、噪聲以及固體、流體、溫度等相互作用的問題。當(dāng)前第6頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)有限元法有比較固定的一套分析順序，對于不同的工程結(jié)構(gòu)，往往可以使用同一個計算程序來解決，便于求解過程規(guī)范化，有高度的通用性。相關(guān)的有限元程序發(fā)展也很快，目前國外有名的主要有限元軟件有：ASKA（結(jié)構(gòu)分析自動系統(tǒng)），NASTRAN（NASA結(jié)構(gòu)分析程序），SAFE（有限元結(jié)構(gòu)分析程序），SAP系列（結(jié)構(gòu)分析程序），ANSYS，ABAQUS，DINA，MARC，

等。有些程序還具備了前后處理功能，不僅解題的速度提高，還極大地方便了使用者，這對有限元法的普及與應(yīng)用必然起到很大的促進(jìn)作用。當(dāng)前第7頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)8

有限元方法建模分析的流程：當(dāng)前第8頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)二、船舶結(jié)構(gòu)實(shí)例

一直以來，船舶結(jié)構(gòu)的計算，主要是參照船舶入級規(guī)范進(jìn)行。計算規(guī)范的條款，大多數(shù)是半理論半經(jīng)驗(yàn)的參考公式。

目前，在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，三艙段分析，全船有限元分析，船舶局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算已經(jīng)越來越普遍被船東及船級社在設(shè)計中所采用。

船級社等機(jī)構(gòu)已經(jīng)越來越多的在規(guī)范中要求采用結(jié)構(gòu)的直接計算判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度合格與否。

對于一些由新材料建造的船舶及新型結(jié)構(gòu)的船舶設(shè)計，有限元分析更是設(shè)計者的重要依據(jù)。9當(dāng)前第9頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)船體結(jié)構(gòu)計算當(dāng)前第10頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)當(dāng)前第11頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)船體在彎扭聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)“應(yīng)力-變形”有限元分析當(dāng)前第12頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)13二、船舶結(jié)構(gòu)實(shí)例當(dāng)前第13頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)14二、船舶結(jié)構(gòu)實(shí)例當(dāng)前第14頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)15當(dāng)前第15頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)當(dāng)前第16頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述**名詞：FEM與CAEFEM：FiniteElementMethod—有限元方法CAE：ComputerAidedEngineering—計算機(jī)輔助工程**CAE分析的內(nèi)容結(jié)構(gòu)分析，流體分析，溫度分析，熱分析等17當(dāng)前第17頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力？應(yīng)力是什么？對一個產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)施加載荷，結(jié)構(gòu)在變形的同時其內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。18當(dāng)前第18頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述19當(dāng)前第19頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)

變形體的描述及所需要的變量20當(dāng)前第20頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力應(yīng)力是結(jié)構(gòu)對載荷抵抗所產(chǎn)生的力,用單位面積的力來表示。此應(yīng)力是判斷產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)破壞（損壞）與否的重要指標(biāo)。大?。簯?yīng)力=載荷/剖面面積，載荷除以剖面面積得到應(yīng)力。一個產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)施加載荷，結(jié)構(gòu)在變形的同時其內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力小的時候在材料內(nèi)部生成的抵抗力也小，不足以破壞材料。

應(yīng)力載荷變大，應(yīng)力變大，破壞了。面積變小，應(yīng)力變大，破壞了。=載荷/剖面面積。21當(dāng)前第21頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力施加的載荷一起作用，產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)內(nèi)部就產(chǎn)生了抵抗力，也即產(chǎn)生了應(yīng)力。一般結(jié)構(gòu)的形狀非常復(fù)雜，根據(jù)施加載荷的種類，應(yīng)力也不一樣。有大應(yīng)力，小應(yīng)力，有壓應(yīng)力，拉應(yīng)力等等各種應(yīng)力。

因?yàn)閼?yīng)力一大，就要損壞物體，所以設(shè)計時不能使應(yīng)力大于某個值。為此，在事前，有必要知道應(yīng)力的數(shù)值。22當(dāng)前第22頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●應(yīng)力分析的應(yīng)用

總之，象這樣求應(yīng)力集中的程度或求應(yīng)力的值，這就是應(yīng)力分析。在袋上留有開口，則在切口處應(yīng)力集中，口袋也容易撕開。23當(dāng)前第23頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●變形不能忽視應(yīng)力分析在求應(yīng)力的同時也能夠求產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)的變形。應(yīng)力的大小對判斷產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)是否損壞很重要，而即使產(chǎn)品沒有破壞，但因?yàn)檫^大的變形，而破壞了產(chǎn)品的功能和性能。在這個問題中寧可利用變形的結(jié)果而不用應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計尤為重要。應(yīng)力分析不僅僅求出“應(yīng)力”，同時也能求出“變形”。變形是重要的設(shè)計問題之一。24當(dāng)前第24頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進(jìn)行應(yīng)力分析？

到底在什么情況下要用CAE來求應(yīng)力（或者變形和應(yīng)變）呢？在簡單的形狀下即使不用CAE由公式或近似公式也能求出應(yīng)力和變形。但是在產(chǎn)品形狀復(fù)雜的時候用CAE就相當(dāng)?shù)姆奖懔恕Ｗ屛覀兿葋砜紤]一下，應(yīng)力和結(jié)構(gòu)形狀及載荷的關(guān)系。備注：首先，考慮有關(guān)[復(fù)雜的和簡單的]兩種情況。25當(dāng)前第25頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進(jìn)行應(yīng)力分析？

①結(jié)構(gòu)和載荷都是簡單的情況拉伸一直徑和剖面面積都一樣的棒，則產(chǎn)生一樣的應(yīng)力和變形。即使不用CAE，根據(jù)材料力學(xué)的理論公式也能算出應(yīng)力和變形。26當(dāng)前第26頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進(jìn)行應(yīng)力分析？

②結(jié)構(gòu)形狀稍復(fù)雜的情況拉伸一具有圓孔的平板或具有臺階的圓棒，在孔的周圍或臺階附近應(yīng)力就會變大。對于這種形狀，應(yīng)力則集中在孔的周圍。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。27當(dāng)前第27頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進(jìn)行應(yīng)力分析？

②結(jié)構(gòu)形狀稍復(fù)雜的情況對于“簡單情況”，可用圖表進(jìn)行求解。對于“復(fù)雜情況”，就要用到CAE求解。28當(dāng)前第28頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進(jìn)行應(yīng)力分析？

③結(jié)構(gòu)形狀和載荷都是復(fù)雜的情況產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布和變形。用CAE來分析29當(dāng)前第29頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力

通常對工業(yè)產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)來說，復(fù)雜的情況占大多數(shù)。然而，只要利用CAE技術(shù)，不管怎樣復(fù)雜的形狀也不管怎樣復(fù)雜的載荷都能算出應(yīng)力和變形！30當(dāng)前第30頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷？什么屈曲？對細(xì)長的柱或薄板施加一個壓力，則壓力在很小的時候壓縮變形與壓力成正比。但是，壓力一超過某一個值，由于在軸線或柱面的垂直方向出現(xiàn)了大的橫向緊縮，減少了承受壓力的能力，最后引起崩潰。象這樣：載荷的大小超過一定的數(shù)值，變形的形狀與此之前變形的形狀發(fā)生了不同的變化，從而承受載荷的能力減少了，把這一現(xiàn)象稱為屈曲。另外，把屈曲產(chǎn)生時的載荷稱為屈曲載荷。31當(dāng)前第31頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷？什么屈曲？屈曲是由壓縮應(yīng)力產(chǎn)生的。我們對平常都能找得到的汽水鋁罐上下進(jìn)行壓縮看看會產(chǎn)生什么情況。起先，鋁罐還能抵抗一陣子，再繼續(xù)進(jìn)行加大壓力則罐的側(cè)面開始凹陷下去，不一會兒就壓壞了。這也就是我們身邊所見到的屈曲現(xiàn)象。32當(dāng)前第32頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力

在產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的情況時，也存在著屈曲的可能。特別是，細(xì)長的柱子或薄板這樣的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時有必要進(jìn)行屈曲校核。33當(dāng)前第33頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、支柱結(jié)構(gòu)34當(dāng)前第34頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)35當(dāng)前第35頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)36當(dāng)前第36頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)37當(dāng)前第37頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●柱的屈曲屈曲與構(gòu)件的形狀和所作用的壓縮應(yīng)力的大小有很大的關(guān)系。下面我們以柱狀構(gòu)件和板材構(gòu)件為例來考察一下它們的關(guān)系。我們對長度相同但粗細(xì)不同的柱施加一壓力，結(jié)果會怎樣呢？38當(dāng)前第38頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)39當(dāng)前第39頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●柱的屈曲屈曲與構(gòu)件的形狀和所作用的壓縮應(yīng)力的大小有很大的關(guān)系。下面我們以柱狀構(gòu)件和板材構(gòu)件為例來考察一下它們的關(guān)系。我們對粗細(xì)相同但長度不同的柱施加一壓力，結(jié)果會怎樣呢？40當(dāng)前第40頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)41當(dāng)前第41頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●屈曲和屈曲載荷的關(guān)系壓力較小時,因?yàn)樽冃涡?一般我們眼睛觀察不到,這就是均勻壓縮變形。這種壓縮變形是與所施加的壓力成正比的。即2倍的壓力產(chǎn)生2倍的壓縮。壓力如一超過某一值,其變形則與壓力較小時的變形完全不同,成了彎曲變形,并且也會產(chǎn)生曲折。這種變形迅速地發(fā)生并以我們的肉眼可觀察到的速度快速發(fā)展。這就叫屈曲,此時的載荷就叫屈曲載荷。如果柱越細(xì)或柱越長屈曲越容易發(fā)生。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,屈曲分析同前一章所說的應(yīng)力分析一樣重要。42當(dāng)前第42頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述●屈曲模態(tài)對于屈曲，即使相同的構(gòu)件，如果端部的支持狀態(tài)（或稱約束條件）不同，則屈曲載荷的大小或屈曲的變形形狀也不同。我們把這種變形形狀稱為屈曲模態(tài)。以下的例子顯示了相同形狀的柱由于端部的約束條件不相同，則它的屈曲模態(tài)和屈曲載荷也不同。2、屈曲分析和屈曲載荷43當(dāng)前第43頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述●屈曲模態(tài)2、屈曲分析和屈曲載荷44當(dāng)前第44頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●屈曲和屈曲載荷的關(guān)系上述的圖中，哪個屈曲載荷最大？45當(dāng)前第45頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●歐拉屈曲公式46當(dāng)前第46頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述

對于柱的屈曲，如果壓縮應(yīng)力越大或構(gòu)件越長則越容易發(fā)生。柱構(gòu)件的屈曲也即歐拉屈曲，從理論上可以推導(dǎo)它的屈曲載荷和屈曲模態(tài)。2、屈曲分析和屈曲載荷●柱的屈曲47當(dāng)前第47頁\共有49頁\編于星期三\11點(diǎn)三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●平板的屈曲對于平板的屈曲，不僅僅是壓力，也可由彎矩、剪力等荷載引起局部的壓應(yīng)力，從而發(fā)生平板的屈曲。兩邊支持，一