58m布纜船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值模擬【畢業(yè)設(shè)計(jì)】_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、<p>  本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</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(jiǎn)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(zhǔn)則5</p><p>  2.1.4 有限元模型性能指標(biāo)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(guò)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(jì)算工況和載荷24</p><p>  4.1坐標(biāo)規(guī)定24</p>&l

7、t;p>  4.2 邊界條件24</p><p>  4.3 計(jì)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(xiàn)46</b></p><p>  58m布纜船結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(guó)船級(jí)社《散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》2006、《集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)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(duì)不同工況對(duì)模

10、型進(jìn)行了總縱強(qiáng)度分析。最后,進(jìn)行分析強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果,觀察應(yīng)力是否滿足中國(guó)船級(jí)社入級(jí)要求,并給出解決方案。</p><p>  結(jié)論:該船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,其應(yīng)力滿足中國(guó)船級(jí)社入級(jí)要求,船舶主體各部分結(jié)構(gòu)也具有足夠的強(qiáng)度。</p><p>  [關(guān)鍵詞]: 布纜船;強(qiáng)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(gè)世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下,中國(guó)的經(jīng)濟(jì)也在飛速的發(fā)展,船舶行業(yè)特別是船舶運(yùn)輸在經(jīng)濟(jì)

16、的發(fā)展中起到了非常巨大的作用隨著世界造船市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guó)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(duì)風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)總裝造船、數(shù)字造船,應(yīng)用先進(jìn)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(yuǎn)隔重洋進(jìn)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(jìn)行有線通信。有線通信具有容量大、距離遠(yuǎn)、安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)于沒(méi)有陸路相通的國(guó)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(fù)敷設(shè)海底電纜,溝通大洋彼岸通信的重任,還擔(dān)負(fù)維修海底電纜,保證海上通信暢通。本文主要研究的對(duì)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(diǎn) :</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(zhǎng)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(zhǎng)在一百多米,排水量為4—5千噸。我國(guó)自行設(shè)計(jì)、建造的“郵電一號(hào)”布纜船長(zhǎng)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(jìn)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(kuò)大甲板面積,便于進(jìn)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(shí)操縱靈活,船上裝有可變距螺旋槳,可通過(guò)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(jìn)裝置和主動(dòng)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(jìn)裝置,使得布纜船在低速航行時(shí),不會(huì)發(fā)生偏航。</p><p>  船舶在航行或作業(yè)時(shí)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(guò)大的變形,更不能出現(xiàn)裂紋。也就是說(shuō),設(shè)計(jì)的船舶既要保證局部強(qiáng)度,也要保證整體強(qiáng)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(jì)者應(yīng)根據(jù)提供的條件和計(jì)算方法確定各個(gè)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(jià)最低。但是安全和經(jīng)濟(jì)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(jì)全球化的今天,國(guó)際造船業(yè)已發(fā)展成為全球一體化市場(chǎng),世界各國(guó)造船企業(yè)在全球范圍內(nèi)展開(kāi)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(chǎng)占有率的競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)制造模式等先進(jìn)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(jì)貿(mào)易的發(fā)展促進(jìn)了國(guó)際航運(yùn)業(yè)的發(fā)展,新型船種的需求量猛增,給造船行業(yè)帶來(lái)了難得的機(jī)遇,創(chuàng)造出了歷史上最好的商機(jī),給船舶產(chǎn)業(yè)注入了新的有利條件。</p><p>  強(qiáng)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(dá)到極限狀態(tài)時(shí)受到的彎矩為船所能承受的極限彎矩,船的極限強(qiáng)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(huì)使船的

24、承載能力降低。大多數(shù)運(yùn)輸船舶需要在甲板上設(shè)有大型的矩形開(kāi)口,有的在舷側(cè)亦設(shè)有大型的橢圓開(kāi)口,形成了具有多個(gè)大開(kāi)口的復(fù)雜空間薄壁結(jié)構(gòu)。</p><p>  過(guò)去傳統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法只能適用于簡(jiǎn)化后的典型模型,如連續(xù)梁、剛架、彈性梁、板架和板殼,而對(duì)于稍微復(fù)雜的結(jié)構(gòu)都不得不進(jìn)行割裂或近似的辦法來(lái)繼續(xù)計(jì)算,實(shí)驗(yàn)和計(jì)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(shí)際應(yīng)力都超出了前面理論計(jì)算的若干倍。這一缺陷只好用加大安全系數(shù)來(lái)彌補(bǔ),這種盲目的措施致使船體設(shè)計(jì)得十分笨重。因此,要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,得到了現(xiàn)階段比較成熟而精確的計(jì)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(duì)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(yuǎn)隔重洋進(jìn)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(jìn)行有線通信。有線通信具有容量大、距離遠(yuǎn)、安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)于沒(méi)有陸路相通的國(guó)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(fù)敷設(shè)海底電纜,溝通大洋彼岸通信的重任,還擔(dān)負(fù)維修海底電纜,保證海上通信暢通。</p>

27、;<p>  本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行的是58m布纜船的有限元分析計(jì)算。其主要研究該船體主體部分的強(qiáng)度是否滿足在各工況下的應(yīng)力要求,并對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行分析考察,對(duì)該布纜船進(jìn)行加強(qiáng),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(yíng)運(yùn)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(jì)算方法已難以滿足船舶結(jié)構(gòu)計(jì)算。而有限單元法已經(jīng)成為船舶結(jié)構(gòu)分析的一種強(qiáng)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(qiáng)度分析中,經(jīng)過(guò)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(jì)算軟件在船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中得到應(yīng)用。</p><p>  隨著現(xiàn)代力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)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(jìn)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(qiáng)大的計(jì)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(kāi)發(fā)接口,方便用戶開(kāi)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(qiáng)大,能單獨(dú)或藕合進(jìn)行多種場(chǎng)計(jì)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(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。作為一種強(qiáng)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(jià)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(jì)、可靠性分析、以及船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評(píng)估等方面。</p><p>  在船舶工業(yè)領(lǐng)域,針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)、運(yùn)行的特點(diǎn),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(duì)通用有限元軟件進(jìn)行針對(duì)性的二次開(kāi)發(fā),編寫適合船

31、舶特點(diǎn)的模塊,方便使用[3],[4]。各大船級(jí)社也很重視對(duì)船舶有限元軟件的開(kāi)發(fā),投入了大量的人力、物力進(jìn)行長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)。陸續(xù)推出了各自的設(shè)計(jì)—計(jì)算系統(tǒng),具有代表性的有:英國(guó) LORD`S 的 SHIPRIGHT 系統(tǒng),美國(guó) ABS 開(kāi)發(fā)的 SAFEHULL 系統(tǒng),挪威 DNV 的 NAUTILUS 系統(tǒng)和法國(guó)船級(jí)社的 VERISTAR 系統(tǒng)[5]等。在我國(guó)造船領(lǐng)域,有限元技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)70年代,經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā),一些專用軟件廣泛的

32、應(yīng)用在船舶設(shè)計(jì)、計(jì)算中,對(duì)我國(guó)船舶事業(yè)的發(fā)展作出了重大的貢獻(xiàn)。</p><p>  隨著船舶尺度的大型化、船型的新型化,對(duì)大型船舶及新型船舶進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析[6],是進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)。在最近的十年里,由于計(jì)算機(jī)軟硬件的大幅度發(fā)展,以及高性能有限元軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,船舶結(jié)構(gòu)計(jì)算的規(guī)模己經(jīng)擴(kuò)大到船體中部數(shù)個(gè)艙段的立體結(jié)構(gòu)計(jì)算和整船結(jié)構(gòu)的詳細(xì)計(jì)算,船體結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分都能真實(shí)的反映在計(jì)算中,并且具有

33、很高的計(jì)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(gè)新水平。利用有限元法可以相當(dāng)準(zhǔn)確并迅速的計(jì)算出船體的某種響應(yīng)特性,解決了許多過(guò)去無(wú)法解決的問(wèn)題。船體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算已經(jīng)擴(kuò)展到三維艙段立體結(jié)構(gòu)計(jì)算或整艘船舶全部結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算,船體各細(xì)部可以真實(shí)的反映在計(jì)算中,使結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算達(dá)到相當(dāng)?shù)木_和詳細(xì)程度[8]。對(duì)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(jì)規(guī)范很難滿足其設(shè)計(jì)需要,有限元方法就成為這類船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必不可少的工具。對(duì)于這類技術(shù)密集型船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊要求,采用有限元方法進(jìn)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(diǎn)研究了如何運(yùn)用 MSC.Patran/Nastran 進(jìn)行布纜船(FR31-FR83)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的過(guò)程。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社要求,建立了布纜船主體部分艙段模型。文

35、中詳細(xì)闡述了模型建立與分析的整個(gè)過(guò)程,得出了各個(gè)工況模型的應(yīng)力結(jié)果,對(duì)各種工況、下的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié),并對(duì)存在的問(wèn)題及今后的進(jìn)一步研究方向進(jìn)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(jiǎn)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(duì)于力學(xué)問(wèn)題或其他場(chǎng)問(wèn)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(jiǎn)單且?guī)缀芜吔缦喈?dāng)規(guī)則的少數(shù)問(wèn)題。因此,人們多年來(lái)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(gè)單元組成的組合體。這樣的組合體能用來(lái)模擬和逼近求解域。因?yàn)閱卧旧砜梢杂胁煌膸缀涡螤睿?/p>

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(gè)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(lái)表示全求解域上未知場(chǎng)函數(shù)。單元的近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)在各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值以及單元插值函數(shù)表達(dá),因此,在一個(gè)問(wèn)題的有限元分析中,未知場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值就成為新的未知量,從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題化為離散的有限自由度問(wèn)題。一經(jīng)求出這些節(jié)點(diǎn)未知量,就可以利用插值函數(shù)確定單元組合體上的場(chǎng)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(jìn)。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(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題;由求解靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到動(dòng)力問(wèn)題、穩(wěn)定問(wèn)題;從線性分析擴(kuò)展到物理、幾何和邊界的非線性分析;分析的對(duì)象也從固體力學(xué)擴(kuò)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(guò)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(gè)單元由節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來(lái)。對(duì)于每個(gè)單元,用節(jié)點(diǎn)未知量通過(guò)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?cè)趩卧獌?nèi)部以積分的形式滿足問(wèn)題的控制方程,從而將每個(gè)單元對(duì)整體的影響和貢獻(xiàn),轉(zhuǎn)化到各自單元的節(jié)點(diǎn)上。然后將這些單元總裝

40、成一個(gè)整體,并使它們滿足整個(gè)求解域的邊界條件和連續(xù)條件,得到一組有關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)所要求的各種物理量。</p><p>  有限元法計(jì)算的基本步驟分為三步:a)、整體艙段有限元強(qiáng)度分析,用于 評(píng)估貨艙結(jié)構(gòu)主要支撐構(gòu)件的整體強(qiáng)度。b)、詳細(xì)應(yīng)力評(píng)估,用細(xì)化網(wǎng)格評(píng)估高應(yīng)力區(qū)域。c)、熱點(diǎn)應(yīng)力分析,用精細(xì)網(wǎng)格計(jì)算應(yīng)力集中點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估。</

41、p><p>  有限元分析是設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)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(yùn)行的計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境。分析者的任務(wù)是建立有限元模型、進(jìn)行有限元分析并解決分析出現(xiàn)的問(wèn)題、以及計(jì)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?cái)?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(shí)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(qiáng)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(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù);</p><p>  (5)單元類型及單元拓?fù)浣Y(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(zhǔn)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(shí)際結(jié)構(gòu)的有限元模型。在連續(xù)體離散化及用有限個(gè)參數(shù)表征無(wú)限個(gè)形態(tài)自由度過(guò)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(jià)。具體地應(yīng)滿足下述準(zhǔn)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(diǎn)上都保持靜力平衡。</p><p>  (2) 變形協(xié)調(diào)條件。交匯于一點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn);整個(gè)結(jié)構(gòu)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn),也都應(yīng)同時(shí)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(jià)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(jià)。</p><p>  (5) 單元能較好地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點(diǎn),尤其是對(duì)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(shí)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(duì)于波動(dòng)收斂元應(yīng)慎用。</p><

46、p>  (6)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)力分布、單元性質(zhì)、精度要求及計(jì)算量大小仔細(xì)劃分網(wǎng)格。</p><p>  (7) 在幾何上要盡可能地逼近真實(shí)結(jié)構(gòu)體,特別要注意曲線與曲面的逼近問(wèn)題。</p><p>  (8) 仔細(xì)處理載荷模型,正確生成節(jié)點(diǎn)力,載荷的簡(jiǎn)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(jià)要求。</p><p>  (11) 超單元的劃分盡可能單級(jí)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(biāo) </p><p>  有限元模型是借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的離散近似的模型。對(duì)于線性靜力問(wèn)題,它包括有限元網(wǎng)格的離散點(diǎn)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(dá)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(zhǔn)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(biāo)。</p><p>  (1)可靠性:簡(jiǎn)化模型的變形和受力及力的傳遞等應(yīng)與實(shí)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(shí)際結(jié)構(gòu)相符合。確定模型的可靠性可用下列準(zhǔn)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(shí),應(yīng)根據(jù)問(wèn)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(duì)有限元模型的幾何形狀變化,對(duì)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(duì)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(duì)上述變化的敏感程度。</p><p>  (4)計(jì)算成本的經(jīng)濟(jì)性:計(jì)算經(jīng)濟(jì)性問(wèn)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(yùn)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(shí),應(yīng)盡量選取在頂點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)的單元。</p><p>  除了節(jié)點(diǎn)自由度相對(duì)布置對(duì)計(jì)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(dá)到好的計(jì)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(shí)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(wèn)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(diǎn)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(biāo)軸方向的三個(gè)分量。體內(nèi)

52、的應(yīng)力狀態(tài)由六個(gè)應(yīng)力分量來(lái)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(diǎn)的應(yīng)變可以由六個(gè)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(duì)于一般三維問(wèn)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> ?。?)幾何方程</b

54、></p><p>  對(duì)于線性彈性力學(xué)問(wèn)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>  (3)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(duì)于各向同性線彈性材料,其矩陣表達(dá)式為</p><p><b>  (2-5)</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>  (2-6) </b></p><p>  其中l(wèi)

57、 ,m ,n為彈性邊界法外法線與三個(gè)坐標(biāo)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(wèn)題的基本方程和邊界條件,對(duì)于彈性力學(xué)平面問(wèn)題、軸對(duì)稱問(wèn)題和板殼問(wèn)題都有與之對(duì)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> ?。?)虛位移原理</b></p><p>  虛位移原理,又稱可能位移原理,它表達(dá)了彈性體平衡原理,它表達(dá)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(wú)限小位移,可以用來(lái)表示。虛位移原理表述了一個(gè)彈性體在外力作用下處于平衡狀態(tài),則對(duì)于任何約束

59、允許的虛位移來(lái)說(shuō),外力所做的虛功。其表達(dá)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(shì)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(chǔ)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(duì)于線彈性體,上式積分得</p><p>  (2-13) </p><p><b>  外力的勢(shì)能為</b></p><p> ?。?-14) </p><p>  彈性體的總勢(shì)能為應(yīng)變能和外力勢(shì)能之和<

62、/p><p><b>  (2-15)</b></p><p>  對(duì)總勢(shì)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(shí),系統(tǒng)總勢(shì)能的一階變分為零。根據(jù)變分法,總勢(shì)能將駐值。在物理上,總勢(shì)能取極小值可能是穩(wěn)定平衡狀態(tài),故最小勢(shì)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(shì)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(shì)能取極小值的條件尋找答案。這就是彈性力學(xué)問(wèn)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> ?。?)整船強(qiáng)度分析</b></p><p>  90年代起,造船界對(duì)大開(kāi)口船采用了基于整船有限元模型的彎扭強(qiáng)度計(jì)算法,使船體結(jié)構(gòu)分

64、析上升到一個(gè)新水平。國(guó)外先進(jìn)船級(jí)社對(duì)大型集裝箱船的總縱強(qiáng)度計(jì)算,通常采用動(dòng)態(tài)載荷法進(jìn)行整船有限元直接計(jì)算,建立和處理針對(duì)縱向主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)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(duì)于整船的有限元分析,在有限元建模過(guò)程中主要涉及三個(gè)重要問(wèn)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(duì)船體有限元模型的加載。</p><p> ?。?)

65、船舶上層建筑計(jì)算模型分析</p><p>  在船舶結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段不可能也不需要對(duì)整船作完整的應(yīng)力分析,因此有必要對(duì)上層建筑分析進(jìn)行簡(jiǎn)化。</p><p> ?。?)分析船舶靜力學(xué)問(wèn)題</p><p>  選取典型船舶板架[9],對(duì)開(kāi)口和不開(kāi)口的板分別進(jìn)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(duì)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(kāi)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(jìn)行分析。人們已經(jīng)用一系列大撓度彈塑性有限元方法對(duì)承受側(cè)壓力的散貨船艙口蓋進(jìn)行分析,對(duì)折疊式和側(cè)移式兩種類型的艙口蓋進(jìn)行碰撞的受力分析[10],并在用有限元方法進(jìn)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(qiáng)度的預(yù)測(cè)方法。</p><p>  

67、在船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析時(shí),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(dòng)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(dòng)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(diǎn)上的等效節(jié)點(diǎn)力。</p><p> ?。?)用有限元方法分析船舶動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(jì)的線性彈性問(wèn)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(wèn)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(guò)程往往是一瞬間完成的,具有明顯的動(dòng)力效應(yīng),當(dāng)研究追蹤到結(jié)構(gòu)破損時(shí),問(wèn)題將變成結(jié)構(gòu)塑性動(dòng)力學(xué)課題。</p><p>  近來(lái),船舶結(jié)構(gòu)碰撞和觸礁損傷的詳細(xì)模擬已經(jīng)可以用有限元方法實(shí)現(xiàn),譬如,剛體運(yùn)動(dòng)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(jì)算。另一方面,簡(jiǎn)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(guò)用有限元方法分析船舶碰撞的幾個(gè)例子[11],指出典型的簡(jiǎn)化解析方法中會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生的七個(gè)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(jì)。</p><p>  采用有限元模型計(jì)算了船舶機(jī)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(dòng)特性,采用模態(tài)疊加法研究了其響應(yīng)。動(dòng)力分析的計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)在短

70、時(shí)間沖擊時(shí)的最大應(yīng)力和最大位移略大于結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間沖擊的響應(yīng),更遠(yuǎn)大于靜力作用下的響應(yīng),因此對(duì)結(jié)構(gòu)在短時(shí)間沖擊的工況要更加重視,而對(duì)結(jié)構(gòu)的局部進(jìn)行加強(qiáng),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(duì)于交叉梁系而言較小[13],并目變形的彈性階段相對(duì)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(jiǎn)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(dòng)態(tài)力學(xué)過(guò)程。</p><p>  b. 有限元方法在船舶振動(dòng)分析中的應(yīng)用</p><p>  隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和大型有限元計(jì)算程序的出現(xiàn),可以建立復(fù)雜的三維計(jì)算模型來(lái)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu),但正確的計(jì)算結(jié)果還取決于計(jì)算模型的正確建立。對(duì)于一個(gè)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(huì)給計(jì)算結(jié)果帶

72、來(lái)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(wèn)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(duì)此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析受到限制。

73、</p><p>  文獻(xiàn)[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(dú)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(dòng)特性。 </p><p&g

74、t;  (5)分析船舶結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中問(wèn)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(kāi)口,使船體水平彎曲、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、橫向強(qiáng)度在其總強(qiáng)度中所占的比例明顯上升。在船體彎扭變形時(shí),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(duì)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(yán)重,特別在后艙口角隅處最為嚴(yán)重。文獻(xiàn)[15][16]討論了角隅結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中、大開(kāi)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(kāi)孔的應(yīng)力集中問(wèn)題。</p><p> ?。?)分析船舶結(jié)構(gòu)中的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題</p><p>  一般用于計(jì)算船舶構(gòu)件疲勞強(qiáng)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(wèn)題。S一N曲線方法中的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法中存在一些不確定因素,造成了用有限元方法進(jìn)行疲勞應(yīng)力分析時(shí)結(jié)果可能存在巨大的誤差。研究表明

76、,熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的不同是產(chǎn)生這些誤差的一個(gè)重要原因。用有限元方法進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)分析時(shí),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(jiǎn)化等的影響。</p><p>  (7)分析靠泊船只的系纜系統(tǒng)</p><p>  對(duì)于靠泊船只的系纜系統(tǒng),傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)是與船舶動(dòng)力學(xué)方法相結(jié)合來(lái)分析系纜繩的受力及運(yùn)動(dòng)。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(gè)新的有限元模型來(lái)模擬一個(gè)經(jīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化的深水多點(diǎn)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(dòng)力載荷,并考慮阻尼和摩擦的影響,在傳統(tǒng)的系纜繩運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化方程的基礎(chǔ)上,沿著對(duì)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(wèn)題提出了一個(gè)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(wèn)題的復(fù)雜性,其計(jì)算模型和計(jì)算方法都需要進(jìn)一步研究。譬如,在船舶領(lǐng)域中如何設(shè)計(jì)一個(gè)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(shí)現(xiàn)流體一固體禍合系統(tǒng)分析。</p><p>  對(duì)高速船建立了一個(gè)桿一膜和梁一膜的一維有限元船體模型[18]。對(duì)于船體結(jié)構(gòu)部分采用二維有限元方法計(jì)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(jì)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(shí)間步長(zhǎng)的技術(shù)</p><p>  一般而言,船舶和海洋平臺(tái)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(dòng)態(tài)載荷,這些載荷所引起的響應(yīng)值的計(jì)算精度在很大程度上影響著船舶和海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)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(shí)間誤差估計(jì)方法,可以使網(wǎng)格和時(shí)間步長(zhǎng)的優(yōu)化達(dá)到所需的精度,并目耗費(fèi)盡量少的計(jì)算機(jī)資源。該方法對(duì)需要細(xì)分的單元采用平分或二等分的方法進(jìn)行局部細(xì)分,并在時(shí)間誤差估計(jì)的基礎(chǔ)上使時(shí)間步長(zhǎng)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(dòng)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(fèi)的計(jì)算機(jī)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(cè)是一個(gè)逆運(yùn)算過(guò)程,其中又涉及到非線性與解的不唯一等問(wèn)題,因此通常無(wú)法找到簡(jiǎn)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(lái)了新的解決方法。文獻(xiàn)提出了一種梁形結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)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(dòng)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(dòng)模態(tài)曲線)的振動(dòng)分析數(shù)據(jù)輸入人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),進(jìn)而預(yù)測(cè)梁形結(jié)構(gòu)中損傷所發(fā)生的位置及其嚴(yán)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(dòng)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>  (11)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(jì)計(jì)算時(shí),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?jiǎn)卧?/p>

83、等)來(lái)直接離散船體結(jié)構(gòu),進(jìn)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(diǎn),有限元方法同樣具有可重用性和可擴(kuò)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(jì)算己成為船舶領(lǐng)域的一個(gè)研究方向,用以實(shí)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(gè)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(guó)宇航局(NASA)倡導(dǎo)開(kāi)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(kāi)放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計(jì)、工程分析、結(jié)果評(píng)估、用戶化設(shè)計(jì)和交互圖形界面集于一身,構(gòu)成了一個(gè)完整的CA

85、E集成環(huán)境。</p><p>  使用Msc.Patran,可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造全過(guò)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(biāo)

86、拾取和按語(yǔ)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(shí)間,減少重復(fù)建模,消除由此帶來(lái)的不必要的錯(cuò)誤,Msc.Patran 應(yīng)用直接幾何訪問(wèn)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(dú)立幾何建模和編輯工具,以使用戶更靈活地完成模型準(zhǔn)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(dòng)地轉(zhuǎn)換成相關(guān)的有限元信息,以最大限度減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的時(shí)間消耗。所有的分析結(jié)果均可以可視化。</p><p>  自動(dòng)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(shí)提供了工業(yè)界最先進(jìn)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(shí)也提供手動(dòng)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(gè)公共的環(huán)境。這樣可以使用戶不必?fù)?dān)心不同軟件之間的兼容問(wèn)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(duì)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)給出正確的判斷,進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),這就大大地提高了工作效率。</p><p>  用戶可自主開(kāi)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(qiáng)大的 PCL (PATRAN COMMAND LANGUAGE) 語(yǔ)言和編程函數(shù)庫(kù)把自行開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序和功能及針對(duì)特殊要求開(kāi)發(fā)的內(nèi)容直接鑲嵌入 Msc.Pa

90、tran 的框架系統(tǒng),或單獨(dú)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(kāi)發(fā)的一個(gè)良好平臺(tái),可以為用戶提供更強(qiáng)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(wèn)題之所在,快速修改,為產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)贏得時(shí)間,提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。Msc.Patran 能夠提供圖、表、文本、動(dòng)態(tài)模擬等多種分析結(jié)果形式,形

91、象逼真、準(zhǔn)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(kāi)發(fā)和改進(jìn)歷史,并通過(guò)5000多個(gè)最終用戶的長(zhǎng)期工程應(yīng)用的驗(yàn)證 M

92、SC.NASTRAN 的整個(gè)研制及測(cè)試過(guò)程是在MSC公司的QA部門、美國(guó)國(guó)防部、國(guó)家宇航局、聯(lián)邦航空管理委員會(huì)(FAA)及核能委員會(huì)等有關(guān)機(jī)構(gòu)的嚴(yán)格控制下完成的。每一版的發(fā)行都要經(jīng)過(guò)4個(gè)級(jí)別5000個(gè)以上測(cè)試題目的檢驗(yàn)。MSC.NASTRA 全模塊化的組織結(jié)構(gòu)使其不但擁有很強(qiáng)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(wèn)題和系統(tǒng)需求,通過(guò)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(jì)人員

93、使用最為頻繁的分析手段是靜力分析,主要用來(lái)求解結(jié)構(gòu)在與時(shí)間無(wú)關(guān)或時(shí)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(qiáng)制位移、慣性力等)作用下的響應(yīng),并得出所需的節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)、線和面載荷、熱載荷、

94、強(qiáng)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(shí)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(gè)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(guò)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(jìn)行分析,最后得到分析結(jié)果。</p><p>  圖2.2 利用N

95、ASTRAN對(duì)某布纜船進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算</p><p>  圖2.3是利用NASTRAN對(duì)某工程支架進(jìn)行分析和計(jì)算的一個(gè)實(shí)例,可以利用 PATRAN 的后處理功能,將提交 NASTRAN 計(jì)算所得到的數(shù)據(jù)讀取回來(lái),轉(zhuǎn)換成云紋圖,使工程設(shè)計(jì)人員首先能對(duì)結(jié)構(gòu)的變形或者應(yīng)力分布有一個(gè)比較直觀的認(rèn)識(shí) 便于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)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(xì)的計(jì)算過(guò)程以及計(jì)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(diǎn)的位置建立有限元模型,這種方法只適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)不多的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。船舶結(jié)構(gòu)無(wú)論是整體還是局部結(jié)構(gòu)都是比較大而復(fù)雜的,需要?jiǎng)澐趾芏鄠€(gè)單元,很難直接給出整個(gè)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分布,并保證其合理性,所以通常較少采用直接法而是通過(guò)間接法來(lái)建立有限元模型的。間接法先建立工程模型,然后對(duì)工程模型劃分網(wǎng)格生成節(jié)點(diǎn),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(dòng)劃分網(wǎng)格,也可以通過(guò)手工劃分網(wǎng)格來(lái)控制網(wǎng)格的性能以滿足特定的計(jì)算需要,可以很快地

98、生成合理的節(jié)點(diǎn),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(duì)結(jié)構(gòu)將要發(fā)生的行為有大致了解,以便對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,并采用適當(dāng)?shù)膯卧愋?,因?yàn)槊恳环N單元類型都有其局限性,通常只是用來(lái)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(gè)建立的模型不一定是合適的,通常需要進(jìn)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。</p><p

99、>  有限元模型是否合理,直接影響計(jì)算結(jié)果的精度。不好的有限元模型,會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn),等到結(jié)構(gòu)在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題后發(fā)現(xiàn),那時(shí)候再回頭更改設(shè)計(jì)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(yuǎn)比及早發(fā)現(xiàn)缺陷的損失巨大。因此,在解算前要認(rèn)真地檢驗(yàn)工程模型和有限元模型,確保沒(méi)有人為的疏忽引起的錯(cuò)誤。</p><p>  在建立有限元模型時(shí),首先要考慮的是如何使有限元模型與機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何外型達(dá)成一

100、致。本文對(duì)某散貨船貨艙段建模采用的是實(shí)體建模的方式。實(shí)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(jìn)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(duì)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(jì)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(gè)環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)網(wǎng)格時(shí),需要注意以下參數(shù):網(wǎng)格密度,網(wǎng)格過(guò)渡。通常來(lái)說(shuō),在應(yīng)力梯度變化大的地方,要有細(xì)密的網(wǎng)格。也可以對(duì)整個(gè)模型采用細(xì)密網(wǎng)格,但是耗時(shí)很大,而且會(huì)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(guò)渡處需要特別注意,突然的網(wǎng)格過(guò)渡也會(huì)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(duì)網(wǎng)格的密度也有影響,在節(jié)點(diǎn)處有載荷作用的在網(wǎng)格設(shè)計(jì)時(shí)必須先確定。對(duì)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(duì)較稀的網(wǎng)格。對(duì)低階單元,如果為線性或常應(yīng)力場(chǎng),為了獲得精確的結(jié)果,也要有適當(dāng)細(xì)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(zhǎng)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(lái)說(shuō),高階單元對(duì)單元是否為理想形狀不很敏感。實(shí)體單元也是如此。</p><p>  單元對(duì)形狀比的敏感度主要由單元公式和要求解的問(wèn)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(diǎn)不在同一平面時(shí),單元就是翹曲的,這種單元通常不宜采用。對(duì)這類問(wèn)題,通??梢圆捎萌切螁卧獊?lái)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(guò)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(guò)渡,來(lái)縮小不同網(wǎng)格間的差異。采用三角形單元也很容易進(jìn)行網(wǎng)格過(guò)渡,許多有限元軟件允許四邊形單元的兩

105、個(gè)節(jié)點(diǎn)可以被定義為單一節(jié)點(diǎn),來(lái)拆分成兩個(gè)三角形單元。對(duì)均勻的四邊形網(wǎng)格,有兩種過(guò)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(guò)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(yuǎn)隔重洋進(jìn)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(jìn)行有線通信。有線通信具有容量大、距離遠(yuǎn)、安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)于沒(méi)有陸路相通的國(guó)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(fù)敷設(shè)海底電纜,溝通大洋彼岸通信的重任,還擔(dān)負(fù)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(jìn)行甲板運(yùn)輸船主要構(gòu)件的強(qiáng)度直接計(jì)算時(shí),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?jiǎn)卧M。有限元模型見(jiàn)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(hào)肋位橫剖面圖</p><p>  圖3.3 46號(hào)肋位橫剖面圖</p><p>  圖3.4 57號(hào)肋位橫剖面圖</p><p>  圖3.5 58號(hào)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>  (

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