6900dwt多用途貨船總縱強度有限元模擬【畢業(yè)設計】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設計)</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　1 緒論3</b></p><p&g

2、t;<b>　　1.1 前言3</b></p><p>　　1.2 論文研究的背景目的和意義4</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容5</p><p>　　2有限元法基本理論5</p><p>　　2.1 有限元法基本簡介5</p><p>　　2.1.1基本原理5</

3、p><p>　　2.1.2 有限元法基本思路6</p><p>　　2.1.3 有限元模型建模準則7</p><p>　　2.1.4 有限元模型性能指標7</p><p>　　2.2 有限元基本理論與方法8</p><p>　　2.2.1 彈性力學基本方程8</p><p>　　2.2.2

4、 彈性力學基本原理9</p><p>　　2.3有限元法的應用10</p><p>　　2.4 MSC軟件介紹13</p><p>　　2.4.1 前后處理有限元軟件Msc.Patran13</p><p>　　2.4.2 MSC.NASTRAN有限元分析軟件15</p><p>　　3 有限元建模16&l

5、t;/p><p>　　3.1 建模方法16</p><p>　　3.2 模型網(wǎng)格劃分17</p><p>　　3.2.1 網(wǎng)格17</p><p>　　3.2.2 網(wǎng)格密度17</p><p>　　3.2.3 單元形狀限制17</p><p>　　3.2.4 網(wǎng)格過渡17</p&g

6、t;<p>　　3.3 船體資料概述18</p><p>　　3.3.1 圖紙資料18</p><p>　　3.3.2主要參數(shù)18</p><p>　　3.3.3 模型范圍18</p><p>　　3.3.4 坐標規(guī)定19</p><p>　　3.3.5 邊界條件19</p>&

7、lt;p>　　3.3.6 所建有限元結(jié)構模型說明19</p><p>　　3.3.7主要橫剖面圖及相應有限元模型20</p><p>　　4 工況載荷及有限元模擬26</p><p>　　4.1工況載荷26</p><p>　　4.2 有限元模擬27</p><p>　　4.2.1有限元模擬位移圖28

8、</p><p>　　4.3.1有限元模擬應力云圖29</p><p>　　4.4.1梁單元應力分布云圖35</p><p>　　5有限元模型結(jié)果分析37</p><p><b>　　6 總結(jié)38</b></p><p><b>　　致謝39</b></p&g

9、t;<p><b>　　參考文獻40</b></p><p>　　6900DWT多用途貨船總縱強度有限元模擬</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文探討了有限元法的基本思路與理論方法，建立了6900DWT多用途貨船結(jié)構有限元模型，并就不同工況對模型進行了總縱強度分析。參考

10、中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》2006、《散貨船共同結(jié)構規(guī)范》2006、《集裝箱船結(jié)構強度直接計算指南》2003要求，對計算結(jié)果進行分析，觀察應力是否滿足中國船級社入級要求，并給出解決方案。</p><p>　　結(jié)論：該船舶結(jié)構設計合理，其應力滿足中國船級社入級要求。</p><p>　　[關鍵詞]: 多用途貨船；設計；強度校核；有限元分析</p><p>　　FE

11、M Simulation of Longitudinal Strength for 6900DWT Multi-purpose Cargo Ship </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this thesis, the foundational theory of Finite Element Method is intr

12、oduced. A model of 6900t multi purpose cargo ship is built to analyze s in the four working. According to the《Rules for classfication of sea-going steel ships》2006、《Common Structural Rules for Bulk Carriers》 2006、《A con

13、tainer ship structure strength calculation directly guide》2003, Analyzing whether the results satisfied the requirement of classification conditions of CCS, and provide solutions.</p><p>　　Conclusion: the c

14、alculation results indicate that the design for the ship structure is justified and the stress is satisfied the requirement of classification conditions of CCS.</p><p>　　[Key words]: multi purpose cargo ship

15、；design；strength check；FEM analysis</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 前言</b></p><p>　　多用途貨船是一種既能載運普通件雜貨，也能載運散貨、大件貨和一部分集裝箱以及冷藏貨的貨船。它不僅可以裝運干貨，也可裝運木材、礦砂、煤炭、鋼

16、材、谷物，從而，提高了海上貨物運輸效率。多用途貨船通常為雙甲板、尾機型和大艙口，并配有大起重量的回轉(zhuǎn)式起重機，以裝卸集裝箱。多用途貨船對貨物品種適應性強，營運經(jīng)濟性較好。</p><p>　　近年來，由于國際航運市場競爭的日益激烈，各航運公司都希望船舶在投入營運后，能以較大的可變性，較低的閑置率來適應多變的市場，船東們往往也不再滿足于一艘船舶僅能轉(zhuǎn)載某種特定的貨物，更甚至希望船舶在同一航次中也能轉(zhuǎn)載幾種完全不同的

17、貨物，從而對傳統(tǒng)多用途船的設計工作也提出了更高的要求[1]。船東對船舶的性能和使用要求亦要提高，船舶的高技術和多用途化已成為趨勢。然而，受金融危機影響，船價不斷下跌，使得造船業(yè)中的競爭更加的劇烈。企業(yè)為了能在競爭中站穩(wěn)腳跟，在競爭中求生存，降低造船成本是一條必由之路。[2]</p><p>　　隨著國際間經(jīng)濟交往的加深、國際貿(mào)易以及航運技術的不斷發(fā)展，多用途船的大型化趨勢日益明顯。全球投入運營的大型多用途運輸船舶

18、的數(shù)量與日俱增，在規(guī)模經(jīng)濟效益的驅(qū)動下，多用途船的大型化趨勢已經(jīng)引起了航運界的廣泛關注。本文主要研究的對象是6900噸多用途貨船的主體部分。</p><p>　　鋼質(zhì)運輸船船體是用各種規(guī)格鋼板和型材焊接而成，由船底、兩舷、首端、尾端和甲板組成水密空心結(jié)構。船底有單底和雙底結(jié)構，由船底外板（包括平板龍骨）、內(nèi)底板和內(nèi)底邊板(雙層底結(jié)構的船有)、縱向骨架、橫向骨架等構件組成。船底骨架有橫骨架式和縱骨架式兩種。為了加強

19、船體首尾結(jié)構,在首端有首柱,在尾端設尾柱。船體內(nèi)部設若干道艙壁，形成不同用途的艙室。船的首部和尾部設有防撞艙壁，分別形成首尖艙、尾尖艙，以保安全。船體垂直方向則用甲板和平臺分隔，甲板少則一層，如油船、散貨船；多則十余層，如遠洋客船。貫通首尾的最上一層水密甲板稱上甲板。船體的強度須能承受船上的載荷和外界水壓力，以及風浪中所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)等應力。本文研究的6900噸多用途貨船為單甲板，雙舷側(cè)，雙層底的鋼質(zhì)運輸船舶。　　</p>

20、<p>　　整個多用途船舶“兩頭大、中間小”的趨勢越來越明顯，即10000載重噸級中小型多用途船日漸萎縮，定單持續(xù)減少；20000載重噸級以上的多用途船不斷增加，2000年統(tǒng)計有288艘，占總艘數(shù)的18.2%，但載重量總計1117.3萬t，占總量進1/2，且定單仍在增加；小型多用途船仍然占相當重要地位，10000載重噸級以下多用途船共有917艘，載重量總計為455.2萬t，分別占總量的57.8%和20.2%。</p&

21、gt;<p>　　根據(jù)克拉克松公司統(tǒng)計，1999年世界多通途船隊新增加多用途船為208萬dwt，占總載重噸的9.5%，其艘數(shù)的增加占總數(shù)的6.3%。從這個統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，國際新造多用途船的大型化趨勢。</p><p>　　雖然多用途船也表現(xiàn)出大型化的趨勢，但并不像油船大型化那樣明顯，這主要是由于多用途貨物難以形成穩(wěn)定的大批量，因而大型類多用途船的大型化受到比較大的限制。同時，小型類多用途船的大型化

22、使得10000載重噸~20000載重噸級船近幾年比較興旺。從近期的多用途船訂單看，在未來一段時間內(nèi)，30000載重噸~50000載重噸多用途船仍將是建造的主流。</p><p>　　船舶在航行或作業(yè)時承受著各種外力。有船舶自重和載重的重力、水的浮力、波浪抨擊力、搖擺慣性力等。在這些力作用下，船舶既不能產(chǎn)生過大的變形，更不能出現(xiàn)裂紋。也就是說，設計的船舶既要保證局部強度，也要保證整體強度；此外，還要保證船體的基本構

23、件穩(wěn)定性和剛度上的要求。設計者應根據(jù)提供的條件和計算方法確定各個構件的適當尺寸。所謂適當尺寸，就是既要保證船體結(jié)構的安全，又要使得船體最輕、造價最低。但是安全和經(jīng)濟性是互相矛盾的。前者要求增加使用的材料；而后者要求減少使用的材料。</p><p>　　強度就是船體結(jié)構抵抗整體失效的能力，當船受外加載荷作用達到極限狀態(tài)時受到的彎矩為船所能承受的極限彎矩，船的極限強度就是以此極限彎矩為衡量。船的整體失效本質(zhì)上就是總體

24、剛度和承載能力的喪失。另外，船舶因存在腐蝕和疲勞等而導致的結(jié)構損壞也會使船的承載能力降低。大多數(shù)運輸船舶需要在甲板上設有大型開口，有的在舷側(cè)設有大型的橢圓開口，形成了具有多個大開口的復雜空間薄壁結(jié)構。</p><p>　　船舶設計的過程實際上是一個科學的研究、論證的過程。在滿足強度要求的前提下，優(yōu)化結(jié)構設計。在選用船體構件材料規(guī)格時，應注意從經(jīng)濟性上考慮，在保證船體強度和滿足使用要求的情況下，盡量減少船體結(jié)構重量

25、，從而減少空船重量，降低建造成本。但絕對不能盲目地追求性能，至使船舶強度不夠，而導致船體損傷，發(fā)生事故。多用途貨船設計在滿足規(guī)范的前提下，才能盡可能多地以性能設計等方面為出發(fā)點，合理地布置，提高營運效益。同時在船舶設計中，要靈活運用有關規(guī)范，手冊和工具書，綜合運用所學專業(yè)理論知識，分析、解決工程設計實際問題；積極運用計算機輔助設計，通過Compass、有限元等軟件的應用，進一步的優(yōu)化船型。</p><p>　　因

26、此，要進行合理的結(jié)構設計，人們重新建立了適合復雜結(jié)構的彈性理論，并結(jié)合計算機的廣泛應用，得到了現(xiàn)階段比較成熟而精確的計算方法：有限元法[3]。</p><p>　　1.2 論文研究的背景目的和意義</p><p>　　隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人民生活質(zhì)量的上升，港口、航道、橋梁等基礎設施的建設，使得運輸船舶的需求量大大增加。本設計主要進行的是6900噸多用途運輸船的有限元分析計算。其主要研

27、究該船體主體部分的強度是否滿足在各工況下的應力要求，并對得出的結(jié)果進行分析考察，對該甲板運輸船舶進行加強，以滿足該船舶在各種裝載工況下的應力要求。</p><p>　　由于船舶尺度的急劇增大，船舶營運條件的復雜化，各種新船型的出現(xiàn)，以及新材料的采用，傳統(tǒng)計算方法已難以滿足船舶結(jié)構計算。而有限單元法已經(jīng)成為船舶結(jié)構分析的一種強有力的現(xiàn)代數(shù)值方法和數(shù)學工具。有限元法很早就被引入到船體結(jié)構強度分析中，經(jīng)過幾十年的積累，

28、船舶結(jié)構有限元分析已經(jīng)得到廣泛的應用，有各種類型的計算軟件在船舶結(jié)構強度分析中得到應用[4]。</p><p>　　在船舶工業(yè)領域，針對船舶結(jié)構、運行的特點，通用有限元程序由于其復雜性不易被快速掌握，因而工程人員對通用有限元軟件進行針對性的二次開發(fā)，編寫適合船舶特點的模塊，方便使用[5]，[6]。各大船級社也很重視對船舶有限元軟件的開發(fā)，投入了大量的人力、物力進行長期開發(fā)。陸續(xù)推出了各自的設計—計算系統(tǒng)，具有代表

29、性的有:英國 LORD`S 的 SHIPRIGHT 系統(tǒng)，美國 ABS 開發(fā)的 SAFEHULL 系統(tǒng)，挪威 DNV 的 NAUTILUS 系統(tǒng)和法國船級社的 VERISTAR 系統(tǒng)[7]等。在我國造船領域，有限元技術的發(fā)展始于20世紀70年代，經(jīng)過多年的研究開發(fā)，一些專用軟件廣泛的應用在船舶設計、計算中，對我國船舶事業(yè)的發(fā)展作出了重大的貢獻。</p><p>　　隨著船舶尺度的大型化、船型的新型化，對大型船舶及

30、新型船舶進行船舶結(jié)構有限元計算分析[8]，是進行船舶結(jié)構設計必不可少的環(huán)節(jié)。在最近的十年里，由于計算機軟硬件的大幅度發(fā)展，以及高性能有限元軟件的開發(fā)應用，船舶結(jié)構計算的規(guī)模己經(jīng)擴大到船體中部數(shù)個艙段的立體結(jié)構計算和整船結(jié)構的詳細計算，船體結(jié)構的各個部分都能真實的反映在計算中，并且具有很高的計算精度[9]。</p><p>　　有限元在船舶結(jié)構中的應用，使船舶結(jié)構分析上升到了一個新水平。利用有限元法可以相當準確并迅

31、速的計算出船體的某種響應特性，解決了許多過去無法解決的問題。船體結(jié)構的有限元計算已經(jīng)擴展到三維艙段立體結(jié)構計算或整艘船舶全部結(jié)構的有限元計算，船體各細部可以真實的反映在計算中，使結(jié)構應力計算達到相當?shù)木_和詳細程度[10]。對于一些技術密集型船舶、高性能船舶、特種新型船舶，傳統(tǒng)的船舶設計規(guī)范很難滿足其設計需要，有限元方法就成為這類船舶結(jié)構設計必不可少的工具。對于這類技術密集型船舶結(jié)構設計的特殊要求，采用有限元方法進行結(jié)構分析是很有必要的

32、。</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本文重點研究了如何運用 MSC.Patran/Nastran 進行甲板運輸船結(jié)構應力分析的完整過程。根據(jù)中國船級社要求，建立了甲板運輸船主體部分艙段模型。文中詳細闡述了模型建立與分析的整個過程，得出了各個工況模型的應力結(jié)果，對各種工況下的應力結(jié)果進行分析總結(jié)，并對存在的問題及今后的進一步研究方向進行了展望。</p

33、><p><b>　　2有限元法基本理論</b></p><p>　　2.1 有限元法基本簡介</p><p><b>　　2.1.1基本原理</b></p><p>　　在工程技術領域內(nèi)，對于力學問題或其他場問題，己經(jīng)得到了基本微分方程和相應的邊界條件。但能用解析方法求出精確解的只是方程性質(zhì)比較簡單且

34、幾何邊界相當規(guī)則的少數(shù)問題。因此，人們多年來一直在尋求另一種方法，即數(shù)值解法。</p><p>　　有限元法是一種新的現(xiàn)代數(shù)值方法。它將連續(xù)的求解域離散為由有限個單元組成的組合體。這樣的組合體能用來模擬和逼近求解域。因為單元本身可以有不同的幾何形狀，且單元間能夠按各種不同的聯(lián)結(jié)方式組合在一起，所以這個組合體可以模型化幾何形狀非常復雜的求解域。有限元法另一重要步驟是利用在每一單元內(nèi)假設的近似函數(shù)來表示全求解域上未知

35、場函數(shù)。單元的近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)在各個單元節(jié)點上的函數(shù)值以及單元插值函數(shù)表達，因此，在一個問題的有限元分析中，未知場函數(shù)的節(jié)點值就成為新的未知量，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題化為離散的有限自由度問題。一經(jīng)求出這些節(jié)點未知量，就可以利用插值函數(shù)確定單元組合體上的場函數(shù)。顯然，隨著單元數(shù)目的增加，即單元尺寸的縮小，解答的近似程度將不斷改進。如果單元滿足收斂條件，得到的近似解最后將收斂于精確解。</p><p>

36、;　　有限元法的應用已由求解彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題；由求解靜力平衡問題擴展到動力問題、穩(wěn)定問題；從線性分析擴展到物理、幾何和邊界的非線性分析；分析的對象也從固體力學擴展到流體力學、傳熱學、電磁學等其他領域。</p><p>　　2.1.2 有限元法基本思路</p><p>　　有限元法的基本思路是通過連續(xù)體離散化的方法，尋求適應控制方程并滿足邊界條件和連續(xù)條件的數(shù)值方法。

37、具體做法是：先將物體假想地分割(離散化)成許多小單元，各個單元由節(jié)點聯(lián)結(jié)起來。對于每個單元，用節(jié)點未知量通過插值函數(shù)近似地表征單元內(nèi)部的各種物理量，并使它們在單元內(nèi)部以積分的形式滿足問題的控制方程，從而將每個單元對整體的影響和貢獻，轉(zhuǎn)化到各自單元的節(jié)點上。然后將這些單元總裝成一個整體，并使它們滿足整個求解域的邊界條件和連續(xù)條件，得到一組有關節(jié)點未知量的聯(lián)立方程，方程解出后，再用插值函數(shù)和有關公式，求得物體內(nèi)部各點所要求的各種物理量。&l

38、t;/p><p>　　有限元法計算的基本步驟分為三步：a)、整體艙段有限元強度分析，用于 評估貨艙結(jié)構主要支撐構件的整體強度。b)、詳細應力評估，用細化網(wǎng)格評估高應力區(qū)域。c)、熱點應力分析，用精細網(wǎng)格計算應力集中點的熱點應力進行疲勞強度評估。</p><p>　　有限元分析是設計人員在計算機上調(diào)用有限元程序完成的。為此，必須了解所用程序的功能、限制以及支持軟件運行的計算機硬件環(huán)境。分析者的任

39、務是建立有限元模型、進行有限元分析并解決分析出現(xiàn)的問題、以及計算后的數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　有限元模型數(shù)據(jù)主要包括:</p><p>　　(1)主控數(shù)據(jù)，包括分析任務描述(結(jié)構靜力分析、模態(tài)分析、時程響應分析、非線性分析、接觸分析、彈塑性分析等等)以及輸出控制數(shù)據(jù)；</p><p>　　(2)材料性質(zhì)數(shù)據(jù)，包括材料的彈性常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熱傳導系數(shù)、密度、極

40、限強度等參數(shù)；</p><p>　　(3)荷載數(shù)據(jù)，包括基本荷載模式、工況組合等；</p><p>　　(4)有限元網(wǎng)格節(jié)點坐標數(shù)據(jù)；</p><p>　　(5)單元類型及單元拓撲結(jié)構描述數(shù)據(jù)；</p><p>　　(6)邊界條件和連接條件數(shù)據(jù)等。</p><p>　　2.1.3 有限元模型建模準則</p>

41、<p>　　所謂建模就是根據(jù)工程分析精度要求，建立合適的能模擬實際結(jié)構的有限元模型。在連續(xù)體離散化及用有限個參數(shù)表征無限個形態(tài)自由度過程中不可避免地引入了近似。為使分析結(jié)果有足夠的精度，所建立的有限元模型必須在能量上與原連續(xù)系統(tǒng)等價。具體地應滿足下述準則。</p><p>　　(1) 有限元模型滿足平衡條件。即結(jié)構的整體和單元在節(jié)點上都保持靜力平衡。</p><p>　　(2

42、) 變形協(xié)調(diào)條件。交匯于一點上的各元素在外力作用下，引起元素變形后必須仍保持交匯于一個節(jié)點；整個結(jié)構上的各個節(jié)點，也都應同時滿足變形協(xié)調(diào)條件；若用協(xié)調(diào)元，元素邊界上應滿足相應的位移協(xié)調(diào)條件。</p><p>　　(3) 必須滿足邊界條件(包括結(jié)構邊界條件及單元邊界條件)和材料的本構關系。</p><p>　　(4) 剛度等價原則。有限元模型的抗彎、抗扭、抗拉及抗剪剛度應盡可能等價。<

43、/p><p>　　(5) 單元能較好地反映結(jié)構構件的傳力特點，尤其是對主要受力構件，盡可能地不失真。單元內(nèi)部所采用的應力和位移函數(shù)必須是當單元大小遞減時有限元解趨于連續(xù)系統(tǒng)的精確解；避免使用非收斂元，對于波動收斂元應慎用。</p><p>　　(6)根據(jù)結(jié)構特點、應力分布、單元性質(zhì)、精度要求及計算量大小仔細劃分網(wǎng)格。</p><p>　　(7) 在幾何上要盡可能地逼近真

44、實結(jié)構體，特別要注意曲線與曲面的逼近問題。</p><p>　　(8) 仔細處理載荷模型，正確生成節(jié)點力，載荷的簡化不應跨越主要受力構件。 </p><p>　　(9) 質(zhì)量的堆聚應滿足質(zhì)量質(zhì)心、質(zhì)心矩及慣性矩等效要求。</p><p>　　(10) 當量阻尼折算應符合能量等價要求。</p><p>　　(11) 超單元的劃分盡可能單級化并使

45、剩余結(jié)構最小。</p><p>　　2.1.4 有限元模型性能指標 </p><p>　　有限元模型是借助計算機進行分析的離散近似的模型。對于線性靜力問題，它包括有限元網(wǎng)格的離散點組成的近似幾何模型，由材料力學特性數(shù)據(jù)和單元剛度矩陣表達的變形應力平衡近似，以及外載荷近似和邊界條件近似的總體。因此，即便理論模型是準確的，模型誤差總是難免的。要控制和減小誤差，有限元模型應滿足下述性能指標。&

46、lt;/p><p>　　(1)可靠性：簡化模型的變形和受力及力的傳遞等應與實際結(jié)構一致。例如，有限元模型中的桿、梁、板(殼)、平面應力、平面應變以及連接條件和邊界條件等，均應與實際結(jié)構相符合。確定模型的可靠性可用下列準則判斷:物理力學特性保持;相應的數(shù)學特性保持。</p><p>　　(2)精確性：有限元解的近似誤差與分片差值函數(shù)的逼近誤差成正比。因此，在建立有限元模型時，應根據(jù)問題的性質(zhì)和精

47、度要求，選用一階精度元，二階精度元和高階精度元等不同類型的單元。</p><p>　　(3)魯棒性：其確切含義是指有限元方法對有限元模型的幾何形狀變化，對于材料參數(shù)的變化(例如泊松比從接近不可壓縮變成不可壓縮)以及對于從中厚度板模型變成薄板的板厚變化的依賴性:也是有限元法的可靠性對上述變化的敏感程度。</p><p>　　(4)計算成本的經(jīng)濟性：計算經(jīng)濟性問題不僅與算法的復雜性、算法結(jié)構、

48、程序的優(yōu)化程序以及總的算術運算次數(shù)相關，而且在精度確定下，與有限元建模的質(zhì)量有很大的關系。選用單元時，應盡量選取在頂點設置節(jié)點的單元。</p><p>　　除了節(jié)點自由度相對布置對計算效率的影響外，單元剖分全局性的疏密配置更為重要。如在應力集中部位，為達到好的計算效果，應該布置較密的網(wǎng)格，以刻畫位移變化梯度較大的實際情況。自適應網(wǎng)格技術可以很好地解決全局疏密合理配置問題。</p><p>

49、　　2.2 有限元基本理論與方法</p><p>　　2.2.1 彈性力學基本方程</p><p>　　彈性體V在表面力和體積力的作用下，任意一點產(chǎn)生位移為。其中，，和分別為表面力、體積力和位移沿直角坐標軸方向的三個分量。體內(nèi)的應力狀態(tài)由六個應力分量來表示，其中為正應力，為剪應力。應力分量的矩陣形式稱為應力列陣或應力分量。</p><p>　　彈性體內(nèi)任意一點的應變

50、可以由六個應變分量表示，其中為正應變,為剪應變。應變的矩陣形式為稱為應變列陣或應變向量。</p><p><b>　?。?）平衡方程</b></p><p>　　對于一般三維問題，彈性力學基本方程如下：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　其矩陣形式

51、為：</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　其中為微分算子矩陣。</p><p><b>　?。?）幾何方程</b></p><p>　　對于線性彈性力學問題，應變和位移的關系為：</p><p><b>　　(2-

52、3)</b></p><p>　　幾何方程的矩陣形式為：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　?。?）物理方程</b></p><p>　　彈性力學中應力與應變之間的關系也稱物理關系。對于各向同性線彈性材料，其矩陣表達式為</p>&l

53、t;p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中稱為彈性矩陣，它由彈性模量和泊松比ν確定。</p><p><b>　?。?）邊界條件</b></p><p>　　彈性體V的全部邊界為S，在一部分邊界上作用著表面力，這部分邊界稱為給定力的邊界，記為；在另一部分邊界上彈性體的位移已知。這部分邊界稱為給定

54、位移的邊界，記為，這兩部分邊界構成彈性體的全部邊界，即</p><p>　　所以彈性體的邊界條件為：</p><p><b>　?。?-6） </b></p><p>　　其中l(wèi) ,m ,n為彈性邊界法外法線與三個坐標軸夾角的方向余弦。</p><p>　　彈性體位移邊界條件為</p><p>

55、<b>　　(2-7)</b></p><p>　　以上是三維彈性力學問題的基本方程和邊界條件，對于彈性力學平面問題、軸對稱問題和板殼問題都有與之對應的類似方程和邊界條件。</p><p>　　2.2.2 彈性力學基本原理</p><p><b>　?。?）虛位移原理</b></p><p>　　虛

56、位移原理，又稱可能位移原理，它表達了彈性體平衡原理，它表達了彈性體平衡的普遍規(guī)律。利用虛位移原理可以推導出位移模式有限元公式。所謂彈性體虛位移是指滿足變形協(xié)調(diào)條件和邊界約束條件的任意無限小位移，可以用來表示。虛位移原理表述了一個彈性體在外力作用下處于平衡狀態(tài)，則對于任何約束允許的虛位移來說，外力所做的虛功。其表達式為：</p><p>　　(2-8) </p>

57、<p>　　其中為內(nèi)力的虛功，為外力的虛功</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p><b>　　(2-10)</b></p><p><b>　　（2）最小勢能原理</b></p><p>　　彈性體外力的作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形，儲藏在彈性體內(nèi)的

58、應變能為</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　A為應變能密度函數(shù)，可以證明A與應力、應變的關系如下</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　對于線彈性體，上式積分得</p><p>　　(2-13)

59、 </p><p><b>　　外力的勢能為</b></p><p>　　（2-14） </p><p>　　彈性體的總勢能為應變能和外力勢能之和</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　對總勢能取一階變分，并根據(jù)虛位移

60、原理，得</p><p>　　這表明物體在平衡時，系統(tǒng)總勢能的一階變分為零。根據(jù)變分法，總勢能將駐值。在物理上，總勢能取極小值可能是穩(wěn)定平衡狀態(tài)，故最小勢能原理敘述為在所有滿足給定邊界條件和變形協(xié)調(diào)條件的位移中，只有那些滿足平衡條件的位移使總勢能最小，要求彈性體在外力作用下的位移，可以從滿足邊界條件且使物體總勢能取極小值的條件尋找答案。這就是彈性力學問題的能量法，也是有限元法的理論基礎之一。</p>

61、<p>　　2.3有限元法的應用</p><p><b>　?。?）整船強度分析</b></p><p>　　90年代起，造船界對大開口船采用了基于整船有限元模型的彎扭強度計算法，使船體結(jié)構分析上升到一個新水平。國外先進船級社對大型集裝箱船的總縱強度計算，通常采用動態(tài)載荷法進行整船有限元直接計算，建立和處理針對縱向主要結(jié)構強度評估的足夠精確的整船結(jié)構有限元

62、模型與質(zhì)量模型是此有限元技術的關鍵。</p><p>　　對于整船的有限元分析，在有限元建模過程中主要涉及三個重要問題：一是三維船體有限元模型的建立；一是邊界條件的處理；三是對船體有限元模型的加載。</p><p>　?。?）船舶上層建筑計算模型分析</p><p>　　在船舶結(jié)構初步設計階段不可能也不需要對整船作完整的應力分析，因此有必要對上層建筑分析進行簡化。&

63、lt;/p><p>　　（3）分析船舶靜力學問題</p><p>　　選取典型船舶板架[11]，對開口和不開口的板分別進行特征值屈曲分析和極限承壓屈曲分析，可知：板的屈曲模式所對應的屈曲壓力不一定最低；高應力區(qū)出現(xiàn)了梁腹板平面外的失穩(wěn)；大開口邊緣構件的側(cè)向剛度大大削弱；縱梁的理論臨界應力降低。</p><p>　　艙口蓋所承受的側(cè)壓力可轉(zhuǎn)化為靜力進行分析。人們已經(jīng)用一系

64、列大撓度彈塑性有限元方法對承受側(cè)壓力的散貨船艙口蓋進行分析，對折疊式和側(cè)移式兩種類型的艙口蓋進行碰撞的受力分析[12]，并在用有限元方法進行艙口蓋破壞分析的基礎上提出了一種可以有效估算承受側(cè)壓力的散貨船艙口蓋的破壞強度的預測方法。</p><p>　　在船舶結(jié)構強度分析時，通常把船外水壓力載荷分解為船外波浪靜水壓力和波浪的附加動壓力。其中波浪靜壓力的處理比較復雜。有限元方法[13]介紹了一種船舶分布外載荷自動離散

65、化的方法，可精確、合理地求出船舶有限元模型網(wǎng)格節(jié)點上的等效節(jié)點力。</p><p>　　（4）用有限元方法分析船舶動力學問題</p><p>　　a. 有限元方法在船舶撞擊分析中的應用</p><p>　　當前，有限元方法應用于船舶結(jié)構設計的線性彈性問題己經(jīng)得到較好的解決，人們把更多的目光投向復雜的非線性彈塑性結(jié)構分析問題。船舶結(jié)構在碰撞中的變形就是這種非線性彈塑性

66、的結(jié)構響應，碰撞的過程往往是一瞬間完成的，具有明顯的動力效應，當研究追蹤到結(jié)構破損時，問題將變成結(jié)構塑性動力學課題。</p><p>　　近來，船舶結(jié)構碰撞和觸礁損傷的詳細模擬已經(jīng)可以用有限元方法實現(xiàn)，譬如，剛體運動和非線性結(jié)構響應都己經(jīng)可以用有限元方法計算。另一方面，簡化的解析方法也適用于一系列定性研究，然而它必須建立在特定情況的基本前提上。通過用有限元方法分析船舶碰撞的幾個例子[13]，指出典型的簡化解析方法

67、中會導致錯誤發(fā)生的七個不確定因素，這些因素都很可能較大地影響船舶的防撞性設計。</p><p>　　采用有限元模型計算了船舶機艙結(jié)構的沖擊響應[14]，應用空間有限元模型研究了船體的振動特性，采用模態(tài)疊加法研究了其響應。動力分析的計算結(jié)果表明，結(jié)構在短時間沖擊時的最大應力和最大位移略大于結(jié)構在長時間沖擊的響應，更遠大于靜力作用下的響應，因此對結(jié)構在短時間沖擊的工況要更加重視，而對結(jié)構的局部進行加強，可以明顯地改善

68、結(jié)構的受力情況。</p><p>　　考慮到板材本身的彎曲作用相對于交叉梁系而言較小[15]，并目變形的彈性階段相對較短，因此將板的作用折算到梁的帶板上去，從而將船體板梁組合結(jié)構中板單元簡化成膜單元。文章采用非線性有限元的方法，考慮了材料非線性、大變形效應和彈性效應，研究了在質(zhì)量沖擊載荷下結(jié)構從彈塑性變形到結(jié)構撕裂破壞的動態(tài)力學過程。</p><p>　　b. 有限元方法在船舶振動分析中的

69、應用</p><p>　　隨著計算機技術的發(fā)展和大型有限元計算程序的出現(xiàn)，可以建立復雜的三維計算模型來模擬實際結(jié)構，但正確的計算結(jié)果還取決于計算模型的正確建立。對于一個龐大而又復雜的艦船結(jié)構，不可避免地存在著許多許多局部模態(tài)，這些局部模態(tài)會給計算結(jié)果帶來較大的影響。主從自由度方法的應用可以較好地解決這一問題。</p><p>　　模態(tài)綜合法也是研究復雜結(jié)構的重要方法之一：Hurty 提出

70、了固定界面模態(tài)綜合法；Hou提出自由截面模態(tài)綜合法; MacNcal提出混和模態(tài)綜合法。上述方法都要求任何兩子結(jié)構之間是剛性聯(lián)接，然而工程上許多結(jié)構不僅有剛性聯(lián)接，而目有彈性聯(lián)接，如裝有減震器的結(jié)構，其各子結(jié)構截面位移不具協(xié)調(diào)性，用傳統(tǒng)的模態(tài)綜合法對此類結(jié)構進行分析受到限制。</p><p>　　文獻[14]提出一種“中間結(jié)構”的概念，將彈性連接件作為柔性子結(jié)構單獨處理，使了結(jié)構間不協(xié)調(diào)的界面位移轉(zhuǎn)化為柔性子結(jié)構

71、的內(nèi)部變形，這樣柔性子結(jié)構與其余子結(jié)構的連接處滿足協(xié)調(diào)條件。這種新的模態(tài)綜合法一方面能夠處理既存在剛性聯(lián)接又存在彈性聯(lián)接的復雜系統(tǒng)，另一方面能夠分析特定系統(tǒng)較高頻率的震動特性。 </p><p>　　(5）分析船舶結(jié)構中的應力集中問題</p><p>　　應力集中通常是由于船體結(jié)構不連續(xù)而引起的。集裝箱船由于甲板大開口，使船體水平

72、彎曲、扭轉(zhuǎn)效應、橫向強度在其總強度中所占的比例明顯上升。在船體彎扭變形時，甲板上的翹曲應力和剪應力占有較大比例，這兩類反對稱應力與彎曲正應力的聯(lián)合作用，造成了集裝箱船的艙口角隅應力集中嚴重，特別在后艙口角隅處最為嚴重。文獻[12][13]討論了角隅結(jié)構的應力集中、大開口船舶艙口角隅應力集中、以及為鋪設縱骨而在艙壁板上開孔的應力集中問題。</p><p>　?。?）分析船舶結(jié)構中的疲勞強度問題</p>

73、<p>　　一般用于計算船舶構件疲勞強度的方法有S- N曲線方法和斷裂力學方法，其中，S- N曲線方法在目前使用較為廣泛，但仍存在較多問題。S一N曲線方法中的熱點應力計算方法中存在一些不確定因素，造成了用有限元方法進行疲勞應力分析時結(jié)果可能存在巨大的誤差。研究表明，熱點應力集中系數(shù)的不同是產(chǎn)生這些誤差的一個重要原因。用有限元方法進行熱點應力集中系數(shù)分析時，其結(jié)果受到所建立的有限元模型的影響，譬如受到網(wǎng)格尺寸、單元類型、插值方

74、法以及模型簡化等的影響。</p><p>　?。?）分析靠泊船只的系纜系統(tǒng)</p><p>　　對于靠泊船只的系纜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的計算機模擬試驗是與船舶動力學方法相結(jié)合來分析系纜繩的受力及運動。此方法適用于淺水環(huán)境，在深水環(huán)境中的使用則精度不足。為懸浮在水中的泊船系纜繩提出一個新的有限元模型來模擬一個經(jīng)適當簡化的深水多點系泊系統(tǒng)[11]。作者根據(jù)Morison方程模擬施加在系纜繩上的水動力載荷

75、，并考慮阻尼和摩擦的影響，在傳統(tǒng)的系纜繩運動簡化方程的基礎上，沿著對稱雙曲線系統(tǒng)的局部解存在目唯一的思路，為系纜繩的初始邊界條件問題提出了一個總體解的假設。</p><p>　　（8）在船舶流—固藕合分析中的應用</p><p>　　流體一固體禍合分析是廣泛存在于水利梅洋船舶以及航天航空等許多工程領域中的重要課題。由于問題的復雜性，其計算模型和計算方法都需要進一步研究。譬如，在船舶領域中如

76、何設計一個合理的流體一固體禍合模型，構造流體與固體接觸面上的接觸單元，從而求出模型的內(nèi)力，實現(xiàn)流體一固體禍合系統(tǒng)分析。</p><p>　　對高速船建立了一個桿一膜和梁一膜的一維有限元船體模型[18]。對于船體結(jié)構部分采用二維有限元方法計算，流體部分采用考慮線性自由表面條件和采用高頻極限近似兩種二維邊界元方法計算，完成了流體一固體禍合分析。</p><p>　?。?）自適應網(wǎng)格和自適應時間

77、步長的技術</p><p>　　一般而言，船舶和海洋平臺的主要結(jié)構構件都是加筋板殼結(jié)構，并目都承受著靜態(tài)和動態(tài)載荷，這些載荷所引起的響應值的計算精度在很大程度上影響著船舶和海洋平臺結(jié)構設計的經(jīng)濟性和安全性。</p><p>　　自適應的網(wǎng)格劃分和自適應的時間誤差估計方法，可以使網(wǎng)格和時間步長的優(yōu)化達到所需的精度，并目耗費盡量少的計算機資源。該方法對需要細分的單元采用平分或二等分的方法進行局

78、部細分，并在時間誤差估計的基礎上使時間步長自適應變化。這種方法可以求出加筋的板殼構件在靜力和動力載荷作用下的響應值，其結(jié)果較為精確，而目前所耗費的計算機資源反倒減少。</p><p>　?。?0）與人造神經(jīng)網(wǎng)絡的聯(lián)合應用</p><p>　　由于損傷檢測是一個逆運算過程，其中又涉及到非線性與解的不唯一等問題，因此通常無法找到簡單可行的算法。人造神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)與有限元方法相結(jié)合應用給這一

79、難題帶來了新的解決方法。文獻[19]提出了一種梁形結(jié)構損傷檢測的算法。該算法用有限元方法求出結(jié)構的固有頻率和振動模態(tài)曲線，并把它們作為全局(固有頻率的改變)和局部(振動模態(tài)曲線)的振動分析數(shù)據(jù)輸入人造神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)，進而預測梁形結(jié)構中損傷所發(fā)生的位置及其嚴重程度。作為全局變量的固有頻率的變化可以判斷損傷的存在，而作為局部變量的振動模態(tài)曲線則可以判斷損傷發(fā)生的位置并估算其破壞程度。</p><p>　?。?1）

80、與面向?qū)ο蠓椒ㄏ嘟Y(jié)合在船舶結(jié)構中的應用與展望</p><p>　　船體結(jié)構本身是由殼板、型材等構件組成的組合體，其力學模型可以抽象為大型空間薄壁結(jié)構。在船舶結(jié)構設計計算時，可將船體人為地分成若干平面板架系統(tǒng)，用各類單元(板殼單元、平面應力膜單元、桿單元、梁單元等)來直接離散船體結(jié)構，進而建立合理的有限元模型。</p><p>　　有限元方法在按層次分類和聚合方面與面向?qū)ο蠓椒ㄓ性S多相似之處

81、。由于具有了面向?qū)ο蠓椒ǖ奶攸c，有限元方法同樣具有可重用性和可擴展性。當前，在這一思想的引導下，把面向?qū)ο蠓椒☉糜诖坝邢拊嬎慵撼蔀榇邦I域的一個研究方向，用以實現(xiàn)船舶有限元的參數(shù)化建模，形成快速建模系統(tǒng)。</p><p>　　2.4 MSC軟件介紹 </p><p>　　2.4.1 前后處理有限元軟件Msc.Patran</p><p>　　Msc.Patra

82、n 是一個集成的并行框架式有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng)。Msc.Patran 最早是由美國宇航局(NASA)倡導開發(fā)，是工業(yè)領域最著名的并行框架式有限元前后處理及分析系統(tǒng)，其開放式、多功能的體系結(jié)構可將工程設計、工程分析、結(jié)果評估、用戶化設計和交互圖形界面集于一身，構成了一個完整的CAE集成環(huán)境。</p><p>　　使用Msc.Patran，可以幫助用戶實現(xiàn)從設計到制造全過程的產(chǎn)品性能仿真。Msc.Patran

83、擁有良好的用戶界面，既容易使用又方便記憶。</p><p>　　圖2.2是Msc.PATRAN 的用戶界面，主要由主窗口、視圖窗口和應用程序窗口三部分組成，可以從主窗口選擇相應的應用程序窗口，并控制視圖窗口中全局環(huán)境，例如視角、色彩等等。數(shù)據(jù)的輸入包括交互式鼠標拾取和按語法從鍵盤直接輸入兩種方法。</p><p>　　圖2.1 Msc.PATRAN 的用戶界面</p>&l

84、t;p>　　Msc.Patran作為優(yōu)秀的前后置處理器，具有高度的集成能力和良好的適用性。</p><p>　　模型處理智能化：眾多的公司為了節(jié)約寶貴的時間，減少重復建模，消除由此帶來的不必要的錯誤，Msc.Patran 應用直接幾何訪問技術(DGA)，能夠使用戶直接從一些世界先導的 CAD/CAM 系統(tǒng)中獲取幾何模型，甚至參數(shù)和特征。此外，Msc.Patran還提供了完善的獨立幾何建模和編輯工具，以使用戶

85、更靈活地完成模型準備。Msc.Patran 允許用戶直接在幾何模型上設定載荷、邊界條件、材料和單元特性，并將這些信息自動地轉(zhuǎn)換成相關的有限元信息，以最大限度減少設計過程中的時間消耗。所有的分析結(jié)果均可以可視化。</p><p>　　自動有限元建模：Msc.Patran 的新產(chǎn)品中，增加了許多更靈活更方便的智能化工具，同時提供了工業(yè)界最先進的映射網(wǎng)格劃分功能，使用戶快速完成他們想做的工作。同時也提供手動和其他有限元

86、建模方法，以滿足不同的需求。</p><p>　　分析的集成：Msc.Patran 提供了眾多的軟件接口，將世界上大部分著名的不同類型軟件和技術集于一體，為用戶提供了一個公共的環(huán)境。這樣可以使用戶不必擔心不同軟件之間的兼容問題，在其他軟件中建立的模型在 Msc.Patran 中仍然可以正常使用，非常靈活。用戶也能夠根據(jù)多種類型的仿真結(jié)果對產(chǎn)品的整體設計給出正確的判斷，進行相應的改進，這就大大地提高了工作效率。&l

87、t;/p><p>　　用戶可自主開發(fā)的功能：用戶可將 Msc.Patran 作為自己的前后置處理器，并利用其強大的 PCL (PATRAN COMMAND LANGUAGE) 語言和編程函數(shù)庫把自行開發(fā)的應用程序和功能及針對特殊要求開發(fā)的內(nèi)容直接鑲嵌入 Msc.Patran 的框架系統(tǒng)，或單獨使用或與其他系統(tǒng)聯(lián)合使用，這樣，Msc.Patran 又成為用戶二次開發(fā)的一個良好平臺，可以為用戶提供更強大和更專業(yè)的功能。&

88、lt;/p><p>　　分析結(jié)果的可視化處理：Msc.Patran 豐富的結(jié)果后處理功能可使用戶直觀地顯示所有的分析結(jié)果，從而找出問題之所在，快速修改，為產(chǎn)品的開發(fā)贏得時間，提高市場的競爭力。Msc.Patran 能夠提供圖、表、文本、動態(tài)模擬等多種分析結(jié)果形式，形象逼真、準確可靠。</p><p>　　2.4.2 MSC.NASTRAN有限元分析軟件</p><p>

89、　　MSC.NASTRAN 是世界上功能最全面的、具有高度可靠性的結(jié)構有限元分析軟件，也是 MSC.NASTRAN 與 Windows 圖形用戶界面的完美結(jié)合。這一集成系統(tǒng)包括建模、分析及結(jié)果的可視化處理，它有著36年的開發(fā)和改進歷史，并通過5000多個最終用戶的長期工程應用的驗證 MSC.NASTRAN 的整個研制及測試過程是在MSC公司的QA部門、美國國防部、國家宇航局、聯(lián)邦航空管理委員會（FAA）及核能委員會等有關機構的嚴格控制下

90、完成的。每一版的發(fā)行都要經(jīng)過4個級別5000個以上測試題目的檢驗。MSC.NASTRA 全模塊化的組織結(jié)構使其不但擁有很強的分析功能而又保證很好的靈活性，用戶可根據(jù)自己的工程問題和系統(tǒng)需求，通過模塊選擇組合獲取最佳應用系統(tǒng)。</p><p>　　工程結(jié)構設計人員使用最為頻繁的分析手段是靜力分析，主要用來求解結(jié)構在與時間無關或時間作用效果可忽略的靜力載荷（如集中／分布靜力、溫度載荷、強制位移、慣性力等）作用下的響應

91、，并得出所需的節(jié)點位移、節(jié)點力、約束（反）力、單元內(nèi)力、單元應力和應變能等。該分析同時還提供結(jié)構的重量和重心數(shù)據(jù)。MSC.NASTRAN 支持全范圍的材料模式，包括：均質(zhì)各向同性材料、正交各向異性材料、各向異性材料、隨溫度變化的材料。方便的載荷與工況組合單元上的點、線和面載荷、熱載荷、強迫位移、各種載荷的線性組合，在前后處理程序 MSC.PATRAN 中定義時可把載荷直接施加于幾何體上。</p><p>　　用戶

92、只需在 PATRAN 中建立一個模型或從其它地方直接讀取 CAD 幾何模型,就可以快速直接生成有限元分析模型,通過定義物理特性和材料特性、邊界條件、施加外載、選擇分析模塊、提交 NASTRAN 進行分析，最后得到分析結(jié)果。</p><p>　　圖2.2是利用NASTRAN對某工程支架進行分析和計算的一個實例，可以利用 PATRAN 的后處理功能，將提交 NASTRAN 計算所得到的數(shù)據(jù)讀取回來，轉(zhuǎn)換成云紋圖，使工

93、程設計人員首先能對結(jié)構的變形或者應力分布有一個比較直觀的認識 便于對結(jié)構進行進一步的改進和分析。</p><p>　　此外，NASTRAN 還提供了可查詢的后綴為 *.f06 的文件，其中記錄 NASTRAN 詳細的計算過程以及計算結(jié)果，從中可以查找到結(jié)構應力和變形位移各方面的具體數(shù)值大小[16] [17] [18]。</p><p>　　圖2.2 利用NASTRAN對某甲板駁船進行強度

94、計算</p><p><b>　　3 有限元建模</b></p><p><b>　　3.1 建模方法</b></p><p>　　建立結(jié)構的有限元模型通常有兩種方式，一種是直接法，另一種是間接法。直接法直接給出節(jié)點的位置建立有限元模型，這種方法只適用于節(jié)點數(shù)不多的簡單結(jié)構。船舶結(jié)構無論是整體還是局部結(jié)構都是比較大而復雜的

95、，需要劃分很多個單元，很難直接給出整個結(jié)構的節(jié)點分布，并保證其合理性，所以通常較少采用直接法而是通過間接法來建立有限元模型的。間接法先建立工程模型，然后對工程模型劃分網(wǎng)格生成節(jié)點，由此形成有限元模型。許多有有限元軟件中的前處理器可以自動劃分網(wǎng)格，也可以通過手工劃分網(wǎng)格來控制網(wǎng)格的性能以滿足特定的計算需要，可以很快地生成合理的節(jié)點，形成我們所需要的有限元模型。</p><p>　　在建立有限元模型之前，需要對結(jié)構將

96、要發(fā)生的行為有大致的了解，以便對實際模型進行合理的結(jié)構簡化，并采用適當?shù)膯卧愋?，因為每一種單元類型都有其局限性，通常只是用來模擬一種或有限的幾種結(jié)構的行為。在很多情況下，第一個建立的模型不一定是合適的，通常需要進行一次或多次修改，修改網(wǎng)格大小或選擇其它的單元類型，甚至重新簡化結(jié)構。</p><p>　　有限元模型是否合理，直接影響計算結(jié)果的精度。不好的有限元模型，會導致錯誤的結(jié)果。若未能及時發(fā)現(xiàn)，等到結(jié)構在營運

97、過程中出現(xiàn)問題后發(fā)現(xiàn)，那時候再回頭更改設計或修改結(jié)構所造成的損失或者直接引起的事故損失遠比及早發(fā)現(xiàn)缺陷的損失巨大。因此，在解算前要認真地檢驗工程模型和有限元模型，確保沒有人為的疏忽引起的錯誤。</p><p>　　在建立有限元模型時，首先要考慮的是如何使有限元模型與機械結(jié)構系統(tǒng)的幾何外型達成一致。本文對某散貨船貨艙段建模采用的是實體建模的方式。實體建模是直接采用有限元軟件的幾何建模和邏輯操作命令進行建模的。它主要

98、是用于建立龐大或復雜的模型，特別是對三維模型更適合。</p><p>　　3.2 模型網(wǎng)格劃分</p><p><b>　　3.2.1 網(wǎng)格</b></p><p>　　網(wǎng)格設計是將結(jié)構離散成一系列的有限單元，這是有限元建模中最關鍵、也是最重要的一個環(huán)節(jié)[20]。在設計網(wǎng)格時，需要注意以下參數(shù):網(wǎng)格密度，網(wǎng)格過渡。通常來說，在應力梯度變化大的地

99、方，要有細密的網(wǎng)格。也可以對整個模型采用細密網(wǎng)格，但是耗時很大，而且會產(chǎn)生更多潛在的操作誤差。因此，通常要采用不同的網(wǎng)格密度，網(wǎng)格過渡處需要特別注意，突然的網(wǎng)格過渡也會產(chǎn)生數(shù)值誤差。</p><p>　　3.2.2 網(wǎng)格密度</p><p>　　網(wǎng)格的密度主要由采用的單元類型，載荷的分布以及分析目的決定。主要的原則是在應力梯度越陡的地方網(wǎng)格越密。</p><p>　

100、　載荷的分布和類型對網(wǎng)格的密度也有影響，在節(jié)點處有載荷作用的在網(wǎng)格設計時必須先確定。對均布載荷，如邊界或面壓力，必須采用支持這種載荷的單元類型。</p><p>　　如果采用高階單元，則在高應力區(qū)域需采用相對較稀的網(wǎng)格。對低階單元，如果為線性或常應力場，為了獲得精確的結(jié)果，也要有適當細密的網(wǎng)格。</p><p>　　3.2.3 單元形狀限制</p><p>　　單元

101、的形狀比是指單元在長度和寬度方向的尺度比。四邊形單元的理想形狀為正方形，三角形單元的理想形狀為等邊三角形。因此，在應力梯度很高的區(qū)域采用理想單元形狀是非常有效的。一般來說，高階單元對單元是否為理想形狀不很敏感。實體單元也是如此。</p><p>　　單元對形狀比的敏感度主要由單元公式和要求解的問題的本質(zhì)決定。通常，單元形狀越歪斜，單元的性能越差。當單元上的幾點不在同一平面時，單元就是翹曲的，這種單元通常不宜采用。

102、對這類問題，通?？梢圆捎萌切螁卧獊砟M結(jié)構上曲率變化較大的區(qū)域。</p><p>　　3.2.4 網(wǎng)格過渡</p><p>　　如果網(wǎng)格是非均勻的，在通常需要相連的網(wǎng)格處采用一定過渡，來縮小不同網(wǎng)格間的差異。采用三角形單元也很容易進行網(wǎng)格過渡，許多有限元軟件允許四邊形單元的兩個節(jié)點可以被定義為單一節(jié)點，來拆分成兩個三角形單元。對均勻的四邊形網(wǎng)格，有兩種過渡形式：一種是沿應力梯度方向改變單

103、元密度；另一種是采用不同的單元尺度和密度橫向過渡。</p><p>　　3.3 船體資料概述</p><p>　　3.3.1 圖紙資料 </p><p><b>　　表3.1 圖紙資料</b></p><p><b>　　3.3.2主要參數(shù)</b></p><p><b

104、>　　(1)主尺度</b></p><p>　　表3.2 船舶主尺度</p><p><b>　　(2)船型及用途</b></p><p>　　6900噸多用途船，本船為鋼質(zhì)全電焊船。單甲板、雙底、雙舷側(cè)的船舶。設計航區(qū)為國內(nèi)沿海航區(qū)，貨品以在甲板上和船艙內(nèi)裝運集裝箱或者其他的貨物。</p><p>　

105、　3.3.3 模型范圍</p><p>　　參考規(guī)范與指南要求，用三維有限元模型進行甲板運輸船主要構件的強度直接計算時，模型范圍為半寬模型，模型的縱向范圍從FR32到FR153；垂向范圍為船底至甲板。各船體構件采用板或梁單元模擬。有限元模型見圖3.1。</p><p>　　圖3.1 有限元模型示意圖</p><p>　　3.3.4 坐標規(guī)定</p>&

106、lt;p>　　坐標系統(tǒng)采用右手坐標系，如圖3.1所示，原點位于FR3處，x——沿船長方向，向首為正，y——沿橫向，從縱中剖面向左為正，z——沿垂向，向上為正。</p><p>　　3.3.5 邊界條件</p><p>　　參考《集裝箱船結(jié)構強度直接計算指南》2003要求。</p><p>　　FR32端面：沿縱向、橫向和垂向的線位移約束，即：δx=δy=δz=

107、0</p><p>　　FR153端面：沿縱向、橫向和垂向的線位移約束，即：δx=δy=δz=0</p><p>　　船體中線面處橫向線位移為0，繞中縱剖面內(nèi)兩個坐標軸的角位移為0，即：</p><p>　　δy=θx=θz=0</p><p>　　3.3.6 所建有限元結(jié)構模型說明</p><p>　　采用三維有限元

108、模型對6900噸多用途貨船總縱強度進行直接計算，為了減少邊界條件的影響，模型范圍為船舯FR32——FR153，即距艉垂線19200mm——97850mm范圍，垂向范圍為船體型深。由于船體主要構件和載荷對稱于縱中剖面，所以可以模型化船體結(jié)構的左舷或右舷。該船體結(jié)構有限元網(wǎng)格沿船體橫向按縱骨間距劃分，每一肋骨間距劃分為三個網(wǎng)格，縱向按肋骨間距大小劃分，每一肋骨間距劃分為六個網(wǎng)格，舷側(cè)按舷側(cè)縱骨間為距劃分。 一般地，船體的各肋板、殼結(jié)構，強框

109、架、縱桁、平面艙壁的桁材以都是用4節(jié)點板殼單元模擬。</p><p>　　由于所建模型是船體結(jié)構的左舷，所以使船體中線面處橫向線位移為0，繞中縱剖面內(nèi)兩個坐標軸的角位移為0，并且模型是從FR32—FR153，所以在兩端加上沿縱向、橫向和垂向的線位移約束。</p><p>　　3.3.7主要橫剖面圖及相應有限元模型</p><p>　　圖3.2 FR32橫剖面圖&l