1、淺談內河船舶局部強度有限元分析船舶設計技術交流2008年第3.4期(總141期)文章編號:2016/zy(2008)03,04.06.04淺談內河船舶局部強度有限元分析黃(長江船舶設計院瑩武漢 430062)摘要:內河船舶的主尺度或結構構件的選取由于某些原因超過規范要求值時，需對 其進行肓接計算，有限元分析是校核在此情況下局部強度的最常見的方法.本文利用有限元軟件ansys就 某歪船的局部強度有限元計算為例，淺析了此類船舶的局部強度有限元分析方法,以供同類船舶參考.關鍵詞:有限元內河船舶，局部強度,ansysabstract: whenthemaindimensionsorstructurem

2、emberssizeexcesstherequirementsofthe regulationjtneedsto caityoutdirectcalculaliontoproveitsfeasibility.whilethefemanalysisisthemostcommo nmethodunderthiscondition.thethesissuperficiallydiscussedthefemanalysismethodinlocalstrengthcalculationofinl andshipstakingthelocalstrengthfemcalculationofapontoo

3、nasasample,whichcouldbereferredbysimilarconditio ns.key words:femjnlandshipjocalstrength,ansys1 前言有限元分析(fea,finiteelementanalysis)的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元 假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導 求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條 件），從而得到問題的解這個解不是準確解， 而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所 代替由于大多數實際問題難以得到準確解， 而有限元不僅計算精度高

4、，而且能適應各種復 雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段. 有限元分析的基木研究方法可以概括為 ”結構離散一單元分析一整體求解”的過程. 經過近50年的發展，有限元法的理論日趨完 善,已經開發了一批通用和專用的有限元軟件. ansys軟件是融結構，流體，電場，磁場，聲 場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，可 以用來求解結構，流體，電力，電磁場及碰撞 等問題因此它可應用于以下工業領域:航空 航天，汽車工業，船舶工業，生物醫學,橋梁， 建筑，電子產品，重型機械，微機電系統，運 動器械等運用ansys軟件可以高效準確地建 立分析結構的三維實體模型，自動或手動生成 收稿日期:2008.11.5 作

5、者簡介:黃瑩，女,工程師 有限元網格,建立相應的約束及載荷工況，并 自動進行有限元求解在船舶設計領域，越來 越廣泛地應用于船體結構的強度計算及校核. 內河船舶主尺度或結構構件的選取超出規 范要求時,需要進行直接計算對受力危險區域 進行強度計算校核，以保證船舶的安全運營. 木文以某崑船的艙段有限元分析為例,利用有 限元軟件ansys對其進行建模以校核其結構構 件的局部強度.2.船舶概述此船從事汽車的滾裝作業，級航區.其主要參數如下：總長型寬型深設計吃水梁拱肋距甲板縱骨間距船底縱骨間距 航區為內河b0.o.0.o.00m.00m80m30m0momomom由于此船的寬深比b/d=7.895&

6、;gt;7.0,超出ccs鋼質內河船舶入級與建造規范(2002) 及其修改通報(2004)的要求，為了證明在此主尺度下，船舶結構的安全性，除按鋼質 內河船船體結構直接計算指南要求校核總 縱強度外，還應采用艙段模型有限元分析，校 核運營過程中構件的局部強度.25淺淡內河船舶局部強度有限元分析一一黃葦3.有限元模型在三維笛卡爾坐標系中建立艙段有限元計 算模型，船寬方向為x軸，正方向由右舷指向 左舷;型深方向為y軸,正方向由船底指向甲 板;船長方向為z軸，正方向由船尾指向船首. 模型范圍為在船腫范圍的三個艙，甲板各向兩 邊延伸兩個強橫梁間距,由于整個模型左右舷 對稱,沿船寬方向僅取左舷船底板，舷側板

7、， 艙壁板，甲板板，強肋骨腹板均用shell單元 離散，縱骨，肋骨，而板扁鋼等均用beam 188 單元離散在不影響計算結果的前提下，有限 元模型忽略了骨材的連接肘板或加強筋.為了 保證鋼引橋輪子下的船舶結構的的安全，在鋼 引橋的輪子軌跡（見圖2）中心各相外500mm 的甲板上加上了 20mm的復板.模型共有單元 147816個，節點150569個,參見圖1.圖1有限元模型4 計算工況當鋼引橋在船上滑動時，由于船是由錨鏈 固定，會隨著水流的波動而移動，使鋼引橋的 輪子會偏移到其原軌跡附近的板格上,而使板 格的應力增大.故共需計算兩個工況下的局部強度，工況a為按相應位置施加鋼引橋的壓力，即將橋下

8、 的輪壓力簡化為集屮力施加在離船屮4500mm 的位置的甲板縱骨上;工況b為假設鋼引橋的 輪子偏移甲板縱骨到其附近的板格上,即將橋 下的輪壓力簡化為集中力施加在離船中 4500mm旁的板格中間的兩個節點上，以校核此 時板的局部強度.5 .邊界條件由于模型僅取了左舷,故在船中剖面26所有節點上施加對稱邊界條件，即ux二oroty 二 0,rotz 二 0.(2) 甲板從兩端橫艙壁向外延伸兩個強橫 梁間距，在艙壁及邊界處取自由支持.(3) 船底板架在橫艙壁處取剛性固定.6. 載荷在該船營運過程屮，可能會受到鋼引橋及 鋼連橋的壓力，其上行走的汽車的壓力，自身 重力以及在水中所產牛的浮力,故在有限元模

9、 型中具體的加載考慮如下：(1) 鋼引橋的壓力鋼引橋下的四個輪子在甲板的鋼引橋區滾 動,將輪子的四個線壓力簡化為節點力施于甲 板上的相應位置上,每個集中力為392.4kn. 滾輪運行軌跡見下圖所示.嘲/目fil 圖2鋼引橋滾輪在滾裝平臺上運行軌跡圖(2) 鋼連橋的壓力鋼連橋搭于兩舷的甲板平臺上，每舷壓力為981kn,壓力而積長為8000mm,寬為300mm, 將其轉化為單元壓力施于甲板平臺上相應位置 上.(3) 汽車的壓力根據船東提供的汽車資料,汽車的前軸與中軸距離為1400mm,中軸與后軸的距離為 4000mm,每軸兩輪z間寬為1800mm,前軸重為 60kn,中后軸均重120kn.將各輪壓

10、力簡化為 節點力施與相應位置上30t汽車平面尺寸如 下圖所示.11 一斗生二船舶設計技術交流2008年第3.4期(總141期)圖330t汽車平面尺寸(nrni)舷外水舷外水按設計吃水(1300mm)加船舶所處航 區的半波高(750ram)確定，以函數形式施與船 的外殼板上.自重定義重力加速度和材料屬性,由程序自動 加入.邊界條件及載荷的施加可見下圖所示.圖4工況a邊界條件及載荷示意圖圖5工況b邊界條件及載荷示意圖7. 仿真結果及分析工況a總體模型最大相當應力為 124.817mpa（見圖6）,發生鋼引橋的施力點 上，小于141 mpa,滿足規范”的強度要求.工況b總體模型最大相當應力為 234

11、.78mpa（見圖7）,發生鋼引橋的施力點即 板格上，小于235mpa,滿足規范”的強度要求. 對于此工況，由于鋼引橋的滾輪是鋼質不變形 的，故滾輪與甲板為線接觸，而木計算將線接 觸簡化為兩個集中力施加于板上，故求得的最 大應力234.78mpa應是偏于危險的情況，實際 應力應比求得的應力小故在各種工況下，船體 結構的局部強度是滿足規范要求的.（各類 船體構件的局部強度見下表1所示） 兩種工況下的最大相當應力均發生在車輪 下方的甲板結構上，這一現象與結構實際情況 相吻合的，可見模型載荷及約束條件的設置真 實地模擬了實船結構鋼引橋的輪子軌跡（見 圖2）中心各相外500mm的甲板上加上了 20mm

12、 的復板，由此可見在船體結構可能受到較大集 中載荷時,應在這些區域進行局部加強，如進 行復板加厚或是進行局部縱骨加強，同時在有 固定集中載荷區域，盡可能將大的集中載荷置 于強構件上或強構件較為密集的區域,以保證 船體結構的局部強度.圖6工況a最大相當應力云圖圖7工況b最大相當應力27淺談內河船舶局部強度有限元分析一一黃繁表1齊類構件的局部強度校核表工況a工況b類別名稱實際最火應應力許用實際最大應力許力(mpa)值(mpa)結論用值結論應力(mpa)(mpa)甲板縱桁，旁龍縱向強骨材34594128滿足41.959128滿足骨，舷側縱桁船底縱骨65.565153滿足80.998153滿足縱向普通骨材甲板縱骨107.429141滿足122.809141滿足實肋板17.661165滿足15.23165滿足橫向強骨材強肋骨62.667153 滿足 109.811153 滿足甲板強橫梁36.361128滿足4