1、CH4 結構分析與屈服屈曲強度評估結構分析與屈服屈曲強度評估4.1 概述概述 1. 解析法與有限元法解析法與有限元法 傳統解析方法傳統解析方法: 梁理論，板理論等；梁理論，板理論等； 現代方法：現代方法： 計算結構力學計算結構力學，有限元，邊界元等。，有限元，邊界元等。1）解析法）解析法 縱向合成：縱向合成： 分別計算，合成應力分別計算，合成應力1234 + + +總= = 2）有限元法：）有限元法： 亦可在一定程度上分開亦可在一定程度上分開2有限元分析過程有限元分析過程 1）結構建模；）結構建模； 2）邊界條件處理；）邊界條件處理； 3）計算工況與載荷；）計算工況與載荷； 4）應力提取）應力

2、提取 5）強度校核（屈服，屈曲強度校核）強度校核（屈服，屈曲強度校核） 6）其他方面（疲勞，極限強度）。）其他方面（疲勞，極限強度）。考考核核各各細細節節結結構構取取適適當當的的模模型型和和單單元元，可可一一次次得得到到合合成成應應力力板板元元，梁梁元元膜膜元元，桿桿元元1）結構建模）結構建模某散貨船三艙段有限元模型某散貨船三艙段有限元模型2）邊界條件處理）邊界條件處理根據散貨船共同規范中關于根據散貨船共同規范中關于“直接強度分析直接強度分析”有限元模型邊有限元模型邊界條件的要求，模型兩端應按界條件的要求，模型兩端應按下表下表要求簡支。端部兩剖面的縱要求簡支。端部兩剖面的縱向構件節點應與位于中

3、心線上中和軸處的獨立點剛性關聯向構件節點應與位于中心線上中和軸處的獨立點剛性關聯。3）計算工況與載荷）計算工況與載荷以以CSR散貨船疲勞計算工況為例散貨船疲勞計算工況為例載荷工況載荷工況裝載工況裝載工況4.2 結構模型的建立結構模型的建立4.2.1 船舶結構有限元分析的層次船舶結構有限元分析的層次 1. 整船分析整船分析 1）用于應力和變形的整體分析）用于應力和變形的整體分析 2）總振動分析）總振動分析 3）特殊船：大開口船（集裝箱船），滾裝船，軍船、）特殊船：大開口船（集裝箱船），滾裝船，軍船、 軍輔船軍輔船 特點：工作量較大，全面特點：工作量較大，全面某船某船一階垂向彎曲振型一階垂向彎曲振

4、型某船某船一階水平彎曲振型一階水平彎曲振型某船某船一階扭轉振型一階扭轉振型MM2. 艙段分析艙段分析 1）可算舯部總體響應）可算舯部總體響應 通過加斷面載荷反映總體載荷通過加斷面載荷反映總體載荷 疊加了船體梁載荷響應和局部載荷響應疊加了船體梁載荷響應和局部載荷響應 2)用于甲板，舷側，船底和艙壁等結構在總體和用于甲板，舷側，船底和艙壁等結構在總體和 局部載荷作局部載荷作用下的強度用下的強度特點：工作量適中，適合于分析規整，常規船型的舯部結構特點：工作量適中，適合于分析規整，常規船型的舯部結構MMM3. 局部結構有限元分析局部結構有限元分析 1）在整船分析基礎上更詳細分析主要構件局部強度或關）在

5、整船分析基礎上更詳細分析主要構件局部強度或關鍵部件應力水平。鍵部件應力水平。 2）計算應力集中系數（應力集中模型）計算應力集中系數（應力集中模型） 3）類型）類型 a. 獨立模型（子模型），模型尺寸足夠大，有充分的獨立模型（子模型），模型尺寸足夠大，有充分的邊界條件過渡（來自總體分析）；邊界條件過渡（來自總體分析）； b. 內嵌式模型內嵌式模型 ：直接在整船或艙段模型上局部用網格：直接在整船或艙段模型上局部用網格細化。細化。獨立子模型獨立子模型應力集中模型（嵌入式）應力集中模型（嵌入式）4.2.2 船舶結構有限元建模原則船舶結構有限元建模原則l 船舶結構復雜，對不同的模型粗細要適當，若網格太細

6、，船舶結構復雜，對不同的模型粗細要適當，若網格太細，則工作量大，對則工作量大，對 計算機要求高；網格太粗則不能反映實計算機要求高；網格太粗則不能反映實際結構。際結構。l 要合理使用桿元、梁單元、板元、膜元。要合理使用桿元、梁單元、板元、膜元。散貨船舷側肋骨趾端細網格模型散貨船舷側肋骨趾端細網格模型1. 單元：桿元、梁單元、板元、膜元單元：桿元、梁單元、板元、膜元 1）板元：以四邊形單元為主（四邊形長寬比不宜大于）板元：以四邊形單元為主（四邊形長寬比不宜大于3:1），少量用三角形單元（構件連接與圓弧過渡處）用），少量用三角形單元（構件連接與圓弧過渡處）用于，各種內外板、腹板、肋板等。于，各種內外

7、板、腹板、肋板等。 2）梁單元：用于尺寸較大且連續的縱骨、加強筋、扶）梁單元：用于尺寸較大且連續的縱骨、加強筋、扶強材考慮梁截面和偏心。強材考慮梁截面和偏心。 3）桿單元：用于面板，間斷且尺寸較小的加強筋等。）桿單元：用于面板，間斷且尺寸較小的加強筋等。 4）膜元：現在較少使用，在總振動計算中有應用。）膜元：現在較少使用，在總振動計算中有應用。 b. 骨材方向骨材方向屬性屬性或在工作中加入或在工作中加入帶板帶板屬性屬性a. 偏心處理偏心處理.在在patranpatran中附屬性時，軟件會計算出骨材的偏移量中附屬性時，軟件會計算出骨材的偏移量VERT=196.08914 2. 模型范圍模型范圍:

8、 CSR-B, CSR-T, HCSR油船和散貨船規范油船和散貨船規范。 1）三艙段模型）三艙段模型 中間貨艙向前后各延伸一個艙段。中間貨艙向前后各延伸一個艙段。1+1+1目標艙目標艙 、 邊界條件過渡艙邊界條件過渡艙 以往指南：中間貨艙向前后各延伸以往指南：中間貨艙向前后各延伸1/2個貨艙個貨艙2）全寬模型、半寬模型）全寬模型、半寬模型 若載荷對稱，結構對稱可采用半寬模型若載荷對稱，結構對稱可采用半寬模型 目前：工況多，載荷不一定對稱、腐蝕余量不同等。目前：工況多，載荷不一定對稱、腐蝕余量不同等。 一般用全寬模型。一般用全寬模型。3網格寬度網格寬度 1）常規網格密度）常規網格密度縱向：以肋骨

9、間距為基準縱向：以肋骨間距為基準橫向：以縱骨間距為基準橫向：以縱骨間距為基準高度：縱桁和肋板在高度方向上有三個單元高度：縱桁和肋板在高度方向上有三個單元槽型艙壁的翼板和腹板采用一個板單元槽型艙壁的翼板和腹板采用一個板單元 肋距肋距縱骨間距縱骨間距 2）細網格模型）細網格模型對應力較大或指定區域，用細化網格，進一步評估對應力較大或指定區域，用細化網格，進一步評估CSR-T, 5050或更細或更細CSR-B， 每個肋距，縱骨間距為四個間距每個肋距，縱骨間距為四個間距HCSR 5050 3）應力集中模型）應力集中模型 網格為網格為 t/2, t 量級。量級。底縱桁開口結構細化模型（底縱桁開口結構細化

10、模型（50 x50）底邊艙斜板與內底折角處細化模型（底邊艙斜板與內底折角處細化模型（tXt）底邊艙斜板與內底折角應力集中模型底邊艙斜板與內底折角應力集中模型4.合理簡化合理簡化 1）次要構件合并（如加強筋合并）次要構件合并（如加強筋合并） 原則：原則： a. 幾何中心一致幾何中心一致 b. 剛度相當剛度相當2）小構件不計入）小構件不計入 以不影響局部結構為準以不影響局部結構為準 按剛性節點處理，小肘板可略按剛性節點處理，小肘板可略 若專門計算局部應力，則需要細化模型。若專門計算局部應力，則需要細化模型。5. 板厚處理板厚處理 1）板厚，根據規范）板厚，根據規范 建造厚度（以前規范）建造厚度（以

11、前規范） 凈尺寸（新船，去掉腐蝕余量凈尺寸（新船，去掉腐蝕余量CSR） 測量尺寸（老齡船）測量尺寸（老齡船） 2）板厚突變，變線作為邊界）板厚突變，變線作為邊界4.3 邊界條件邊界條件 1. 約束的概念約束的概念 Xyxy= =0 0, ,0 0 ( (軸軸向向力力= =0 0) )xyz = = = = = = 0 0yz = = = 0= 0z = 0= 0z = 0= 0 xz = = 0 0, , = = 0 0 x xy y= = 0 0, , = = 0 0 約束位置與變形圖（基準點）約束位置與變形圖（基準點）EI,lPx = 0 xy = = 0不必不必， xyz = 0, =

12、0, = 00 x2.平衡狀態平衡狀態 靜平衡，動平衡靜平衡，動平衡 N個約束點，平衡狀態則應有個約束點，平衡狀態則應有 若不是平衡狀態，若不是平衡狀態， 為約束反力之和，可以作為不平衡力之差。為約束反力之和，可以作為不平衡力之差。 1）若結構處于平衡狀態，則約束點可以任意，為去除方）若結構處于平衡狀態，則約束點可以任意，為去除方程求解的奇異性。或用慣性釋放法，要注意應用的條件。程求解的奇異性。或用慣性釋放法，要注意應用的條件。例如：潛器若例如：潛器若 平衡平衡 GBF =FBFGFif = 0if 2）平衡調整）平衡調整 a. 全船沿船長重量分布全船沿船長重量分布 為模型沿船長重量分布（可分

13、段稱量）為模型沿船長重量分布（可分段稱量） 為質量修正（沿縱向）為質量修正（沿縱向） b艙段艙段0u (x)su (x) c0sux = ux -u (x)不平衡不平衡C. HCSR 規范中規范中 船體梁載荷的調整船體梁載荷的調整1 1、縱向不平衡力調整、縱向不平衡力調整 HCSR HCSR邊界條件邊界條件x x方向約束施加于內底板一節點，須平方向約束施加于內底板一節點，須平衡縱向總合力，衡縱向總合力，CSR-BC/OTCSR-BC/OT邊界約束邊界約束x x方向通過方向通過MPCMPC施加，施加，因此無此要求。因此無此要求。2 2、剪力跨零調整、剪力跨零調整 對于給定的載荷工況，船體梁垂向和

14、水平彎矩在艙段對于給定的載荷工況，船體梁垂向和水平彎矩在艙段中心點要達到目標值，這就需要垂向和水平船體梁剪中心點要達到目標值，這就需要垂向和水平船體梁剪力分布交叉在貨艙中的零中心。力分布交叉在貨艙中的零中心。 3 3、剪力目標值修正、剪力目標值修正 在中間艙段有限元模型前段和后端橫艙壁處需在中間艙段有限元模型前段和后端橫艙壁處需要進行剪力調整，船體梁剪力作用的目標位置在艙段要進行剪力調整，船體梁剪力作用的目標位置在艙段有限元模型中部的橫艙壁上，調整后的船體梁彎矩不有限元模型中部的橫艙壁上，調整后的船體梁彎矩不應超過目標船體梁剪力。應超過目標船體梁剪力。 HCSRCSR-BCCSR-OT目標位置

15、目標位置前和后艙壁前和后艙壁前或后艙壁前或后艙壁前和后艙壁前和后艙壁調整方法調整方法強框架節點力強框架節點力端部彎矩端部彎矩強框架節點力強框架節點力節點力計算節點力計算剪流理論剪流理論-系數分配法系數分配法哈爾濱工程大學船舶工程學院哈爾濱工程大學船舶工程學院 4 4、彎矩調整、彎矩調整 船體梁彎矩的目標位置在有限元模型中部貨艙船體梁彎矩的目標位置在有限元模型中部貨艙的中心，如果最大彎矩值不在貨艙中心，調整后的最的中心，如果最大彎矩值不在貨艙中心，調整后的最大彎矩應該位于中部貨艙內部并且不應該超過目標目大彎矩應該位于中部貨艙內部并且不應該超過目標目標船體梁彎矩。標船體梁彎矩。 HCSRCSR-BCCSR-OT目標位置目標位置Max/min艙中艙中艙中艙中調整方法調整方法端部節點力端部節點力端部修正彎矩端部修正彎矩端部修正彎矩端部修正彎矩節點力計算節點力計算等效彎矩公式等效彎矩公式- 5 5、扭矩調整、扭矩調整 船體梁扭矩的目標位置在有限元模型中部艙段船體梁扭矩的