58m布纜船結(jié)構(gòu)強度數(shù)值模擬【畢業(yè)設(shè)計】

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

2、t;<b>　　1.1 前言1</b></p><p>　　1.2 論文研究的背景目的和意義2</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容4</p><p>　　2有限元法基本理論4</p><p>　　2.1 有限元法基本簡介4</p><p>　　2.1.1基本原理4</

3、p><p>　　2.1.2 有限元法基本思路4</p><p>　　2.1.3 有限元模型建模準則5</p><p>　　2.1.4 有限元模型性能指標6</p><p>　　2.2 有限元基本理論與方法6</p><p>　　2.2.1 彈性力學(xué)基本方程6</p><p>　　2.2.2

4、 彈性力學(xué)基本原理8</p><p>　　2.3有限元法的應(yīng)用9</p><p>　　2.4 MSC軟件介紹12</p><p>　　2.4.1 前后處理有限元軟件Msc.Patran12</p><p>　　2.4.2 MSC.NASTRAN有限元分析軟件13</p><p>　　3 有限元建模14<

5、;/p><p>　　3.1 建模方法14</p><p>　　3.2 模型網(wǎng)格劃分15</p><p>　　3.2.1 網(wǎng)格15</p><p>　　3.2.2 網(wǎng)格密度15</p><p>　　3.2.3 單元形狀限制15</p><p>　　3.2.4 網(wǎng)格過渡16</p>

6、;<p>　　3.3 船體資料概述16</p><p>　　3.3.1 圖紙資料16</p><p>　　3.3.2主要參數(shù)16</p><p>　　3.3.3 結(jié)構(gòu)圖與有限元模型17</p><p>　　4計算工況和載荷24</p><p>　　4.1坐標規(guī)定24</p>&l

7、t;p>　　4.2 邊界條件24</p><p>　　4.3 計算工況25</p><p>　　4.4 加載圖26</p><p>　　5 有限元模擬結(jié)果匯總及分析27</p><p>　　5.1 有限元結(jié)果匯總27</p><p>　　5.2 空載應(yīng)力云紋圖28</p><p&g

8、t;　　5.3空載位移云紋圖31</p><p>　　5.4滿載應(yīng)力云紋圖35</p><p>　　5.5滿載位移云紋圖38</p><p><b>　　6 總結(jié)42</b></p><p><b>　　致謝45</b></p><p><b>　　參考文

9、獻46</b></p><p>　　58m布纜船結(jié)構(gòu)強度數(shù)值模擬</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。參考中國船級社《散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》2006、《集裝箱船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南》2003要求，采用有限元軟件建立了58m布纜船結(jié)構(gòu)有限元模型，針對不同工況對模

10、型進行了總縱強度分析。最后，進行分析強度計算結(jié)果，觀察應(yīng)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(gòu)設(shè)計合理，其應(yīng)力滿足中國船級社入級要求，船舶主體各部分結(jié)構(gòu)也具有足夠的強度。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]: 布纜船；強度校核；有限元分析</p><p>　　Numerical Simulation Structure St

11、rength</p><p>　　of 58m Cable Layer </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this thesis, the foundational theory of Finite Element Method is introduced at first, and then a

12、 model of 58m cable layer is built which is used for analyzing its longitudinal strength in different states. According to the《Rules for classfication of sea-going steel ships》2006、《A container ship structure strength ca

13、lculation directly guide》2003, 3D FEM model is built, and the direct calculation methodology is adopted to calculate the longitudinal strength of ship main component. Analyzed wheth</p><p>　　Conclusion: The

14、calculation results indicate that the design for the ship structure is justified and the stress is satisfied the requirement of classification conditions of CCS, as well as the structure of the other part.</p><

15、;p>　　[Key words]: cable layer；strength check；FEM analysis</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 前言</b></p><p>　　在整個世界經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，中國的經(jīng)濟也在飛速的發(fā)展，船舶行業(yè)特別是船舶運輸在經(jīng)濟

16、的發(fā)展中起到了非常巨大的作用隨著世界造船市場競爭日趨激烈，主要依靠要素投入的發(fā)展方式將難以為繼，必須轉(zhuǎn)變粗放型發(fā)展方式，按照中國特色新型工業(yè)化的要求，走內(nèi)涵式發(fā)展道路。要把降本增效作為應(yīng)對風(fēng)險的基本措施，引導(dǎo)企業(yè)深入挖潛，苦練內(nèi)功。應(yīng)該大力推進總裝造船、數(shù)字造船，應(yīng)用先進工藝方法，提高生產(chǎn)效率，降低能耗物耗。</p><p>　　布纜船是專門用于敷設(shè)海底電纜的海洋工程船舶。由于海底電纜的鋪設(shè)，使人們能遠隔重洋進行

17、通電話，互相間的聲音就像市內(nèi)電話一樣清晰。建設(shè)海底電纜是為了進行有線通信。有線通信具有容量大、距離遠、安全可靠、抗干擾能力強等特點。對于沒有陸路相通的國家、地區(qū)之間，需要在海底敷設(shè)通信電纜。布纜船是海上架線兵，不僅擔(dān)負敷設(shè)海底電纜，溝通大洋彼岸通信的重任，還擔(dān)負維修海底電纜，保證海上通信暢通。本文主要研究的對象是58m布纜船的主體部分。</p><p>　　布纜船主要用于布設(shè)與維修水底電纜，它和一般船舶不同，有以

18、下特點 ：</p><p>　　一．是尺寸較大，船上設(shè)置有專門的電纜艙，便于裝載各種不同規(guī)格的電纜。所以，布纜船尺寸較大，船上要有容積很大的電纜艙，并要有寬大的甲板。布纜船長度一般為六、七十米，排水量在一千噸左右；大型的布纜船船體長在一百多米，排水量為4—5千噸。我國自行設(shè)計、建造的“郵電一號”布纜船長為71.4米，寬為10.5米，排水量為1300噸，船上能裝載電纜400噸。 </p><p&

19、gt;　　二．是船型特殊，它的橫斷面呈V形。這樣，有利于保持良好的穩(wěn)定性，并能提高推進效率。它的首部水線以上部位向外飄，這樣，可以減少船頭甲板上的濺沫和碎浪，還可以擴大甲板面積，便于進行布纜作業(yè)。船上設(shè)有壓載水艙，供調(diào)整縱傾與重心之用。 </p><p>　　三．是有很高的船首，為了敷設(shè)、修理電纜的需要，布纜船的船首造得很高，上面裝有導(dǎo)纜滑輪。布纜船的尾部采用方尾，以增加尾部甲板面積，便于布纜作業(yè)。布纜船上的大部

20、分甲板面積被布纜設(shè)備所占用。 </p><p>　　四．是裝有可變距螺旋槳。為了使布纜船在布纜作業(yè)時操縱靈活，船上裝有可變距螺旋槳，可通過調(diào)整螺距，滿足布纜作業(yè)的不同需要。有的布纜船上采用電力推進裝置和主動舵，以獲得良好的操縱性能。還有的布纜船上加裝有側(cè)向推進裝置，使得布纜船在低速航行時，不會發(fā)生偏航。</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

21、、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(shè)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(gòu)件穩(wěn)定性和剛度上的要求。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)提供的條件和計算方法確定各個構(gòu)件的適當(dāng)尺寸。所謂適當(dāng)尺寸，就是既要保證船體結(jié)構(gòu)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>

22、　　在經(jīng)濟全球化的今天，國際造船業(yè)已發(fā)展成為全球一體化市場，世界各國造船企業(yè)在全球范圍內(nèi)展開了技術(shù)、性能、質(zhì)量和服務(wù)等全方位的角逐。隨著全球船舶市場占有率的競爭日趨激烈，世界造船業(yè)在技術(shù)、體制上發(fā)生了重大改革，其中造船技術(shù)的發(fā)展尤為突出，從最初的焊接技術(shù)到大型生產(chǎn)流水線等新技術(shù)的成功應(yīng)用，到現(xiàn)階段信息集成系統(tǒng)、并行工程、敏捷造船、先進制造模式等先進技術(shù)或理念在船舶制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，使船舶行業(yè)凸顯成為信息密集、技術(shù)密集和資金密集的現(xiàn)代新型

23、產(chǎn)業(yè)。世界經(jīng)濟貿(mào)易的發(fā)展促進了國際航運業(yè)的發(fā)展，新型船種的需求量猛增，給造船行業(yè)帶來了難得的機遇，創(chuàng)造出了歷史上最好的商機，給船舶產(chǎn)業(yè)注入了新的有利條件。</p><p>　　強度就是船體結(jié)構(gòu)抵抗整體失效的能力，當(dāng)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(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞也會使船的

24、承載能力降低。大多數(shù)運輸船舶需要在甲板上設(shè)有大型的矩形開口，有的在舷側(cè)亦設(shè)有大型的橢圓開口，形成了具有多個大開口的復(fù)雜空間薄壁結(jié)構(gòu)。</p><p>　　過去傳統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法只能適用于簡化后的典型模型，如連續(xù)梁、剛架、彈性梁、板架和板殼，而對于稍微復(fù)雜的結(jié)構(gòu)都不得不進行割裂或近似的辦法來繼續(xù)計算，實驗和計算都證明在桿件與其它構(gòu)件相連接的地方，或者是本身截面有突變的地方，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)平面假設(shè)并不成立，而

25、且在這些地方的實際應(yīng)力都超出了前面理論計算的若干倍。這一缺陷只好用加大安全系數(shù)來彌補，這種盲目的措施致使船體設(shè)計得十分笨重。因此，要進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，人們重新建立了適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)的彈性理論，并結(jié)合計算機的廣泛應(yīng)用，得到了現(xiàn)階段比較成熟而精確的計算方法：有限元法[1]。</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，交通

26、信息的不斷發(fā)展，人們對電纜的需求也不斷增加。布纜船是專門用于敷設(shè)海底電纜的海洋工程船舶。由于海底電纜的鋪設(shè)，使人們能遠隔重洋進行通電話，互相間的聲音就像市內(nèi)電話一樣清晰。建設(shè)海底電纜是為了進行有線通信。有線通信具有容量大、距離遠、安全可靠、抗干擾能力強等特點。對于沒有陸路相通的國家、地區(qū)之間，需要在海底敷設(shè)通信電纜。布纜船是海上架線兵，不僅擔(dān)負敷設(shè)海底電纜，溝通大洋彼岸通信的重任，還擔(dān)負維修海底電纜，保證海上通信暢通。</p>

27、;<p>　　本設(shè)計主要進行的是58m布纜船的有限元分析計算。其主要研究該船體主體部分的強度是否滿足在各工況下的應(yīng)力要求，并對得出的結(jié)果進行分析考察，對該布纜船進行加強，以滿足該船舶在各種裝載工況下的應(yīng)力要求。</p><p>　　由于船舶尺度的急劇增大，船舶營運條件的復(fù)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(gòu)計算。而有限單元法已經(jīng)成為船舶結(jié)構(gòu)分析的一種強有力的現(xiàn)代數(shù)

28、值方法和數(shù)學(xué)工具。有限元法很早就被引入到船體結(jié)構(gòu)強度分析中，經(jīng)過幾十年的積累，船舶結(jié)構(gòu)有限元分析已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，有各種類型的計算軟件在船舶結(jié)構(gòu)強度分析中得到應(yīng)用。</p><p>　　隨著現(xiàn)代力學(xué)、計算數(shù)學(xué)以及計算機技術(shù)在軟、硬件方面的發(fā)展，有限元分析在理論和應(yīng)用技術(shù)方面都已取得巨大的進步。在工程結(jié)構(gòu)分析中，有限元方法已成為應(yīng)用最廣泛、最有效的數(shù)值方法之一。目前流行的通用有限元程序，如 ANSYS, MSC/

29、NASTRAN, ABAQUS, ADINA, ALGOR 等，他們大都提供了友好的用戶接口、強大的計算分析功能和前后處理功能，并與多種圖形軟件提供了接口，如 UG，I-DEAS, CATIA, Pro/E 等，有的軟件還為用戶提供了二次開發(fā)接口，方便用戶開發(fā)適用于本專業(yè)的專用有限元分析范本[2]。</p><p>　　這些通用有限元軟件功能強大，能單獨或藕合進行多種場計算，如力學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)等。因而在航空航天、

30、船舶、水利、土木工程、機械電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟效益。作為一種強有力的數(shù)值分析方法，有限元法在結(jié)構(gòu)分析中顯示了極大的應(yīng)用價值，在船舶工業(yè)領(lǐng)域，有限元技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計、可靠性分析、以及船舶結(jié)構(gòu)強度的評估等方面。</p><p>　　在船舶工業(yè)領(lǐng)域，針對船舶結(jié)構(gòu)、運行的特點，通用有限元程序由于其復(fù)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

31、舶特點的模塊，方便使用[3]，[4]。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(shè)計—計算系統(tǒng)，具有代表性的有: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)[5]等。在我國造船領(lǐng)域，有限元技術(shù)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

32、應(yīng)用在船舶設(shè)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，對大型船舶及新型船舶進行船舶結(jié)構(gòu)有限元計算分析[6]，是進行船舶結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用，船舶結(jié)構(gòu)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(gòu)計算和整船結(jié)構(gòu)的詳細計算，船體結(jié)構(gòu)的各個部分都能真實的反映在計算中，并且具有

33、很高的計算精度[7]。</p><p>　　有限元在船舶結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，使船舶結(jié)構(gòu)分析上升到了一個新水平。利用有限元法可以相當(dāng)準確并迅速的計算出船體的某種響應(yīng)特性，解決了許多過去無法解決的問題。船體結(jié)構(gòu)的有限元計算已經(jīng)擴展到三維艙段立體結(jié)構(gòu)計算或整艘船舶全部結(jié)構(gòu)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(gòu)應(yīng)力計算達到相當(dāng)?shù)木_和詳細程度[8]。對于一些技術(shù)密集型船舶、高性能船舶、特種新型船舶，傳統(tǒng)的船舶設(shè)

34、計規(guī)范很難滿足其設(shè)計需要，有限元方法就成為這類船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計必不可少的工具。對于這類技術(shù)密集型船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計的特殊要求，采用有限元方法進行結(jié)構(gòu)分析是很有必要的。</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 進行布纜船（FR31-FR83）結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的過程。根據(jù)中國船級社要求，建立了布纜船主體部分艙段模型。文

35、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(yīng)力結(jié)果，對各種工況、下的應(yīng)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><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

36、><p>　　在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對于力學(xué)問題或其他場問題，己經(jīng)得到了基本微分方程和相應(yīng)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?guī)缀芜吔缦喈?dāng)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，

37、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(fù)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(shè)的近似函數(shù)來表示全求解域上未知場函數(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)

38、。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>　　有限元法的應(yīng)用已由求解彈性力學(xué)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(xué)擴展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等其他領(lǐng)域。</p><p>　　2.

39、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(yīng)控制方程并滿足邊界條件和連續(xù)條件的數(shù)值方法。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

40、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(guān)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(guān)公式，求得物體內(nèi)部各點所要求的各種物理量。</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(gòu)主要支撐構(gòu)件的整體強度。b)、詳細應(yīng)力評估，用細化網(wǎng)格評估高應(yīng)力區(qū)域。c)、熱點應(yīng)力分析，用精細網(wǎng)格計算應(yīng)力集中點的熱點應(yīng)力進行疲勞強度評估。</

41、p><p>　　有限元分析是設(shè)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。分析者的任務(wù)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(wù)描述(結(jié)構(gòu)靜力分析、模態(tài)分析、時程響應(yīng)分析、非線性分

42、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(dǎo)系數(shù)、密度、極限強度等參數(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(gòu)描述數(shù)據(jù)；<

43、/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><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(gòu)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(yīng)滿足下述準則。&l

44、t;/p><p>　　(1) 有限元模型滿足平衡條件。即結(jié)構(gòu)的整體和單元在節(jié)點上都保持靜力平衡。</p><p>　　(2) 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(gòu)上的各個節(jié)點，也都應(yīng)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(yīng)滿足相應(yīng)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(gòu)邊界

45、條件及單元邊界條件)和材料的本構(gòu)關(guān)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(yīng)盡可能等價。</p><p>　　(5) 單元能較好地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點，尤其是對主要受力構(gòu)件，盡可能地不失真。單元內(nèi)部所采用的應(yīng)力和位移函數(shù)必須是當(dāng)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(yīng)慎用。</p><

46、p>　　(6)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)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實結(jié)構(gòu)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(yīng)跨越主要受力構(gòu)件。 </p><p>　　(9) 質(zhì)量的堆聚應(yīng)滿足質(zhì)量質(zhì)心、質(zhì)心矩及慣性矩等效要求。<

47、;/p><p>　　(10) 當(dāng)量阻尼折算應(yīng)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剩余結(jié)構(gòu)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(xué)特性數(shù)據(jù)和單元

48、剛度矩陣表達的變形應(yīng)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(yīng)滿足下述性能指標。</p><p>　　(1)可靠性：簡化模型的變形和受力及力的傳遞等應(yīng)與實際結(jié)構(gòu)一致。例如，有限元模型中的桿、梁、板(殼)、平面應(yīng)力、平面應(yīng)變以及連接條件和邊界條件等，均應(yīng)與實際結(jié)構(gòu)相符合。確定模型的可靠性可用下列準則判斷:物理力學(xué)特性保持;相應(yīng)的數(shù)學(xué)

49、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(yīng)根據(jù)問題的性質(zhì)和精度要求，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

50、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(fù)雜性、算法結(jié)構(gòu)、程序的優(yōu)化程序以及總的算術(shù)運算次數(shù)相關(guān)，而且在精度確定下，與有限元建模的質(zhì)量有很大的關(guān)系。選用單元時，應(yīng)盡量選取在頂點設(shè)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(yīng)力集中部位，

51、為達到好的計算效果，應(yīng)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(yīng)網(wǎng)格技術(shù)可以很好地解決全局疏密合理配置問題。</p><p>　　2.2 有限元基本理論與方法</p><p>　　2.2.1 彈性力學(xué)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)

52、的應(yīng)力狀態(tài)由六個應(yīng)力分量來表示，其中為正應(yīng)力，為剪應(yīng)力。應(yīng)力分量的矩陣形式稱為應(yīng)力列陣或應(yīng)力分量。</p><p>　　彈性體內(nèi)任意一點的應(yīng)變可以由六個應(yīng)變分量表示，其中為正應(yīng)變,為剪應(yīng)變。應(yīng)變的矩陣形式為稱為應(yīng)變列陣或應(yīng)變向量。</p><p><b>　　（1）平衡方程</b></p><p>　　對于一般三維問題，彈性力學(xué)基本方程如下：&

53、lt;/p><p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　其矩陣形式為：</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　其中為微分算子矩陣。</p><p><b>　　（2）幾何方程</b

54、></p><p>　　對于線性彈性力學(xué)問題，應(yīng)變和位移的關(guān)系為：</p><p><b>　　(2-3)</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</

55、b></p><p>　　彈性力學(xué)中應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系也稱物理關(guān)系。對于各向同性線彈性材料，其矩陣表達式為</p><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>

56、;<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位移的邊界，記為，這兩部分邊界構(gòu)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)

57、 ,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><b>　　(2-7)</b></p><p>　　以上是三維彈性力學(xué)問題的基本方程和邊界條件，對于彈性力學(xué)平面問題、軸對稱問題和板殼問題都有與之對應(yīng)的類似方程和邊界條件。</p><p>　　2.2.2

58、 彈性力學(xué)基本原理</p><p><b>　　（1）虛位移原理</b></p><p>　　虛位移原理，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(dǎo)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

59、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><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><

60、p><b>　?。?）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)的應(yīng)變能為</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　A為應(yīng)變能密度函數(shù)，可以證明A與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系如下</p><p><b>　　(2-1

61、2)</b></p><p>　　對于線彈性體，上式積分得</p><p>　　(2-13) </p><p><b>　　外力的勢能為</b></p><p>　?。?-14） </p><p>　　彈性體的總勢能為應(yīng)變能和外力勢能之和<

62、/p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　對總勢能取一階變分，并根據(jù)虛位移原理，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

63、，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(xué)問題的能量法，也是有限元法的理論基礎(chǔ)之一。</p><p>　　2.3有限元法的應(yīng)用</p><p><b>　　（1）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(gòu)分

64、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(gòu)強度評估的足夠精確的整船結(jié)構(gòu)有限元模型與質(zhì)量模型是此有限元技術(shù)的關(guān)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>　?。?）

65、船舶上層建筑計算模型分析</p><p>　　在船舶結(jié)構(gòu)初步設(shè)計階段不可能也不需要對整船作完整的應(yīng)力分析，因此有必要對上層建筑分析進行簡化。</p><p>　?。?）分析船舶靜力學(xué)問題</p><p>　　選取典型船舶板架[9]，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(yīng)的屈曲壓力不一定最低；高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)了梁腹板平面外的失

66、穩(wěn)；大開口邊緣構(gòu)件的側(cè)向剛度大大削弱；縱梁的理論臨界應(yīng)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[10]，并在用有限元方法進行艙口蓋破壞分析的基礎(chǔ)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(yù)測方法。</p><p>　　

67、在船舶結(jié)構(gòu)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(fù)雜。有限元方法[10]介紹了一種船舶分布外載荷自動離散化的方法，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(xué)問題</p><p>　　a. 有限元方法在船舶撞擊分析中的應(yīng)用</p><p>　

68、　當(dāng)前，有限元方法應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)雜的非線性彈塑性結(jié)構(gòu)分析問題。船舶結(jié)構(gòu)在碰撞中的變形就是這種非線性彈塑性的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，碰撞的過程往往是一瞬間完成的，具有明顯的動力效應(yīng)，當(dāng)研究追蹤到結(jié)構(gòu)破損時，問題將變成結(jié)構(gòu)塑性動力學(xué)課題。</p><p>　　近來，船舶結(jié)構(gòu)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(gòu)響應(yīng)都己經(jīng)可以用有限元方

69、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[11]，指出典型的簡化解析方法中會導(dǎo)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(shè)計。</p><p>　　采用有限元模型計算了船舶機艙結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)[12]，應(yīng)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(yīng)。動力分析的計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在短

70、時間沖擊時的最大應(yīng)力和最大位移略大于結(jié)構(gòu)在長時間沖擊的響應(yīng)，更遠大于靜力作用下的響應(yīng)，因此對結(jié)構(gòu)在短時間沖擊的工況要更加重視，而對結(jié)構(gòu)的局部進行加強，可以明顯地改善結(jié)構(gòu)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[13]，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(gòu)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

71、效應(yīng)和彈性效應(yīng)，研究了在質(zhì)量沖擊載荷下結(jié)構(gòu)從彈塑性變形到結(jié)構(gòu)撕裂破壞的動態(tài)力學(xué)過程。</p><p>　　b. 有限元方法在船舶振動分析中的應(yīng)用</p><p>　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和大型有限元計算程序的出現(xiàn)，可以建立復(fù)雜的三維計算模型來模擬實際結(jié)構(gòu)，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(fù)雜的艦船結(jié)構(gòu)，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

72、來較大的影響。主從自由度方法的應(yīng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的重要方法之一：Hurty 提出了固定界面模態(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(gòu)之間是剛性聯(lián)接，然而工程上許多結(jié)構(gòu)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(gòu)，其各子結(jié)構(gòu)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(gòu)進行分析受到限制。

73、</p><p>　　文獻[14]提出一種“中間結(jié)構(gòu)”的概念，將彈性連接件作為柔性子結(jié)構(gòu)單獨處理，使了結(jié)構(gòu)間不協(xié)調(diào)的界面位移轉(zhuǎn)化為柔性子結(jié)構(gòu)的內(nèi)部變形，這樣柔性子結(jié)構(gòu)與其余子結(jié)構(gòu)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(fù)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&g

74、t;　　(5）分析船舶結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中問題</p><p>　　應(yīng)力集中通常是由于船體結(jié)構(gòu)不連續(xù)而引起的。集裝箱船由于甲板大開口，使船體水平彎曲、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、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(yīng)力和剪應(yīng)力占有較大比例，這兩類反對稱應(yīng)力與彎曲正應(yīng)力的聯(lián)合作用，造成了集裝箱船的艙口角隅應(yīng)力集中嚴重，特別在后艙口角隅處最為嚴重。文獻[15][16]討論了角隅結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中、大開口船舶艙

75、口角隅應(yīng)力集中、以及為鋪設(shè)縱骨而在艙壁板上開孔的應(yīng)力集中問題。</p><p>　　（6）分析船舶結(jié)構(gòu)中的疲勞強度問題</p><p>　　一般用于計算船舶構(gòu)件疲勞強度的方法有S- N曲線方法和斷裂力學(xué)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(yīng)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(yīng)力分析時結(jié)果可能存在巨大的誤差。研究表明

76、，熱點應(yīng)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(yīng)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(xué)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

77、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(dāng)簡化的深水多點系泊系統(tǒng)[17]。作者根據(jù)Morison方程模擬施加在系纜繩上的水動力載荷，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(chǔ)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(shè)。</p><p>　?。?）在船舶流—固藕合分析中的應(yīng)用</p><p>

78、;　　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(lǐng)域中的重要課題。由于問題的復(fù)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(lǐng)域中如何設(shè)計一個合理的流體一固體禍合模型，構(gòu)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(gòu)部分采用二維有限元方法計算，流體部分采

79、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(yīng)網(wǎng)格和自適應(yīng)時間步長的技術(shù)</p><p>　　一般而言，船舶和海洋平臺的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是加筋板殼結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性和安全性。</p><p>　　

80、自適應(yīng)的網(wǎng)格劃分和自適應(yīng)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部細分，并在時間誤差估計的基礎(chǔ)上使時間步長自適應(yīng)變化。這種方法可以求出加筋的板殼構(gòu)件在靜力和動力載荷作用下的響應(yīng)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>　　（10）與人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合應(yīng)用</p><

81、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(luò)(ANN)與有限元方法相結(jié)合應(yīng)用給這一難題帶來了新的解決方法。文獻提出了一種梁形結(jié)構(gòu)損傷檢測的算法。該算法用有限元方法求出結(jié)構(gòu)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(luò)(ANN)，進而預(yù)測梁形結(jié)構(gòu)中損傷所發(fā)生的位置及其嚴重程度。作為全局變量的固

82、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）與面向?qū)ο蠓椒ㄏ嘟Y(jié)合在船舶結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與展望</p><p>　　船體結(jié)構(gòu)本身是由殼板、型材等構(gòu)件組成的組合體，其力學(xué)模型可以抽象為大型空間薄壁結(jié)構(gòu)。在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)力膜單元、桿單元、梁單元

83、等)來直接離散船體結(jié)構(gòu)，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。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(dāng)前，在這一思想的引導(dǎo)下，把面向?qū)ο蠓椒☉?yīng)用于船舶有限元計算己成為船舶領(lǐng)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 &l

84、t;/p><p>　　2.4.1 前后處理有限元軟件Msc.Patran</p><p>　　Msc.Patran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(dǎo)開發(fā)，是工業(yè)領(lǐng)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(gòu)可將工程設(shè)計、工程分析、結(jié)果評估、用戶化設(shè)計和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成了一個完整的CA

85、E集成環(huán)境。</p><p>　　使用Msc.Patran，可以幫助用戶實現(xiàn)從設(shè)計到制造全過程的產(chǎn)品性能仿真。Msc.Patran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(yīng)用程序窗口三部分組成，可以從主窗口選擇相應(yīng)的應(yīng)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

86、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><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(fù)建模，消除由此帶來的不必要的錯誤，Msc.Patran 應(yīng)用直接幾何訪問技術(shù)(DGA)，能

87、夠使用戶直接從一些世界先導(dǎo)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(shè)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(guān)的有限元信息，以最大限度減少設(shè)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.Pat

88、ran 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(shù)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(dān)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.

89、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(shè)計給出正確的判斷，進行相應(yīng)的改進，這就大大地提高了工作效率。</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(yīng)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.Pa

90、tran 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。</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

91、象逼真、準確可靠。</p><p>　　2.4.2 MSC.NASTRAN有限元分析軟件</p><p>　　MSC.NASTRAN 是世界上功能最全面的、具有高度可靠性的結(jié)構(gòu)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(yīng)用的驗證 M

92、SC.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(guān)機構(gòu)的嚴格控制下完成的。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(gòu)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(yīng)用系統(tǒng)。</p><p>　　工程結(jié)構(gòu)設(shè)計人員

93、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(gòu)在與時間無關(guān)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(yīng)，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(yīng)力和應(yīng)變能等。該分析同時還提供結(jié)構(gòu)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、

94、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 利用N

95、ASTRAN對某布纜船進行強度計算</p><p>　　圖2.3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，使工程設(shè)計人員首先能對結(jié)構(gòu)的變形或者應(yīng)力分布有一個比較直觀的認識 便于對結(jié)構(gòu)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

96、*.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(gòu)應(yīng)力和變形位移各方面的具體數(shù)值大小。</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(gòu)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

97、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(gòu)。船舶結(jié)構(gòu)無論是整體還是局部結(jié)構(gòu)都是比較大而復(fù)雜的，需要劃分很多個單元，很難直接給出整個結(jié)構(gòu)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

98、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(gòu)將要發(fā)生的行為有大致了解，以便對實際模型進行合理的結(jié)構(gòu)簡化，并采用適當(dāng)?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(gòu)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(gòu)。</p><p

99、>　　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(dǎo)致錯誤的結(jié)果。若未能及時發(fā)現(xiàn)，等到結(jié)構(gòu)在營運過程中出現(xiàn)問題后發(fā)現(xiàn)，那時候再回頭更改設(shè)計或修改結(jié)構(gòu)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(gòu)系統(tǒng)的幾何外型達成一

100、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。它主要是用于建立龐大或復(fù)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(shè)計是將結(jié)構(gòu)離散成一系列的有限單元，這是有限元建模

101、中最關(guān)鍵、也是最重要的一個環(huán)節(jié)。在設(shè)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(yīng)力梯度變化大的地方，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，

102、載荷的分布以及分析目的決定。主要的原則是在應(yīng)力梯度越陡的地方網(wǎng)格越密。</p><p>　　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(shè)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(yīng)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(yīng)力場，為了獲得精確的結(jié)果，也要有適當(dāng)細密的網(wǎng)格。<

103、;/p><p>　　3.2.3 單元形狀限制</p><p>　　單元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(yīng)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

104、質(zhì)決定。通常，單元形狀越歪斜，單元的性能越差。當(dāng)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。對這類問題，通常可以采用三角形單元來模擬結(jié)構(gòu)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

105、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(yīng)力梯度方向改變單元密度；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>

106、;<b>　　3.3.2主要參數(shù)</b></p><p><b>　　(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>　　58米布纜船，布纜船是專門用于敷設(shè)海底電纜的海洋工程船舶。由于海底電纜

107、的鋪設(shè)，使人們能遠隔重洋進行通電話，互相間的聲音就像市內(nèi)電話一樣清晰。建設(shè)海底電纜是為了進行有線通信。有線通信具有容量大、距離遠、安全可靠、抗干擾能力強等特點。對于沒有陸路相通的國家、地區(qū)之間，需要在海底敷設(shè)通信電纜。布纜船是海上架線兵，不僅擔(dān)負敷設(shè)海底電纜，溝通大洋彼岸通信的重任，還擔(dān)負維修海底電纜，保證海上通信暢通。</p><p>　　3.3.3 結(jié)構(gòu)圖與有限元模型</p><p>

108、　　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(gòu)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FR31到FR83；垂向范圍為船底至甲板。各船體構(gòu)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><b>　?。?）結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　圖3.2 45

109、號肋位橫剖面圖</p><p>　　圖3.3 46號肋位橫剖面圖</p><p>　　圖3.4 57號肋位橫剖面圖</p><p>　　圖3.5 58號肋位橫剖面圖</p><p>　　圖3.6 縱剖面圖</p><p>　　圖3.7 縱艙壁圖</p><p><b>　?。?/p>