船体局部强度计算

基于ANSYS软件的船体局部强度计算模型作者：侯超摘要：船体结构强度是船体设计和建造过程中都必须首先考虑的问题，在传统的设计和计算中，以满足规范要求作为设计前提，同时认为是满足强度要求的。

但是船舶实际航行中很多因素是无法事先估计到的，因此强度安全问题一直人们关注的一个焦点问题。

随着有限元法的引入，各种有限元软件被引入进行船体强度计算和校核。

本文以某船强度分析为例，详细分析了船体的结构特征和受力情况，针对驾驶室前端壁和上层建筑强构件强度计算，提出一种分段拆分式建模的有限元模型处理方法。

实际证明这样的处理方式即能满足强度计算的要求且计算模型简单，对船体上层建筑强度计算相关问题的处理具有一定的实际意义。

一、引言有限元方法是解决工程和数学物理问题的数值方法，也称为有限单元法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用和发展。

由于它的通用性和有效性，有限元方法在工程分析中得到了广泛的应用，己成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要组成部分。

ANSYS有限元分析软件具有功能极为强大的前后处理及计算分析能力，能够模拟结构等多种物理场间的耦合效应，可以实现对结构的“全过程仿真”，和“全过程分析”。

因而为其在船舶结构中静力计算和动力计算提供了方便。

本文以某船强度分析为例，针对驾驶室前端壁和上层建筑强构件强度计算，提出—种分段拆分式建模的有限元模型处理方法。

二、许用应力的确定该船驾驶室前端壁及上层建筑结构为铝合金材质，其屈服强度为215N/mm2，抗拉强度σb=300N/mm2，许用应力标准取为175/K。

材料系数K按《海规》规定计算：K=235/σ0.2，其退火状态下的非比例伸长应力为124N/mm2，则[σ]=175/K=175/（235/125）=93N/mm2。

三、模型处理和强度分析1.前端壁计算模型简化分析对于驾驶室前端壁而言，因为合金板材被挖掉很大部分以安装玻璃，因此结构强度被大大削弱。

为此在校核前端壁强度时，采取空间板梁结构进行模拟，分别以shell板单元和beaml88实体单元模拟结构的板材和骨架结构。

! " ! " # 船舶静水载荷计算基于下述方法： （#） 重量曲线 将各项重量 （船体、 设备、 货物） 沿船长方向分解成梯形重 量分布块， 逐项叠加形成给定装载工况下的船体、 设备及 （ "） 。 货物重量曲线 ! 对于船长 #/*0 及以上的单边壳散装货船建议以肋距计算 重量分布曲线 ! （ "） 。 （!） 浮力曲线 基于船舶静水平衡条件， 求得船舶的平衡浮态 （以首吃水、 尾吃水表达） ， 进而求得沿船长分布的浮力曲线 （ 。 # "） （1） 剪力、 弯矩曲线 作用在 船 体 梁 上 的 静 水 剪 力 $（ （ % " ）和 静 水 弯 矩 & % "） 为：
・’・
修正系数 !"
船长 （%） &’ (’’ (!’ (+’ ($’ (,’ !" ( " )!(! ( " +)*# ( " #*’) ( " #(&’ ( " !&’’ ( " !*$’ 船长 （%） !’’ !!’ !+’ !$’ !,’ #’’ !" ( " !*!* ( " !**( ( " !,*’ ( " #’’# ( " #()! ( " #!*$ 船长 （%） #!’ #+’ #)’ #$’ #,’ +’’ !" ( " ##+, ( " #+*+ ( " ##(# ( " ##!* ( " ##$) ( " #+(+
!"# $
（ !% & " ’ #） !!" （ !% & " ’ #） $% !% & %% !$" !% （ !% & " ’ #） $% !% & %%

“ Q”轮许用均布载荷和集中载荷一览表
某轮车辆许用甲板载荷
堆积负荷
船舶局部强度
三、用经验方法确定的允许负荷 1．上甲板： 允许负荷：
(kPa)
Hc—甲板设计堆高，重结构取1.5m,
轻结构取1.2m。
μ — 设计舱容系数。
三、用经验方法确定的允许负荷
2．中间甲板和底舱：
允许负荷：
实际值的计算
1）集中载荷 P ' 9.81W n
2）均布载荷
Pd
'
9.81 A
Pi
已知重量和底面积
已知高度和积载因数
Pd
'
9.81
hi SFi
四、船舶局部强度条件的校核
2．集装箱船局部强度条件的校核步骤：
1）计算实际值：Pc=∑Pi 2）查取允许值：Ps 3 ) 比较：Pc≤ Ps
四、保证满足船舶局部强度的措施
任务二： 局部强度校核
船舶局部强度
一、船舶局部强度概述 局部强度(local strength)： 船体结构具有抵抗在局部外力作用下产生的局部极度变形或损坏的
能力。 重点考虑的船体局部位置：甲板、平台、舱底、舷侧、舱口、首尾
等。 船舶必须满足局部强度条件。
船舶局部强度
二、局部强度的表示方法 许用符荷的表示方法： 船体局部的允许负荷量可在船舶有关资料中查取。 1．均布载荷：kPa 2．集中载荷：kN 3．车辆甲板负荷：车轮 4．堆积负荷：集装箱
1）考虑船龄
2）货物均匀分布
3）加横跨骨材的衬垫
4）舱盖上不装重货
5）散货平舱
6）控制落底速度
7）注意局部强度的校核
(kPa)
H d — 舱高。 无设计值时，取rc=0.72 t/m3, 重结构取rc=1.2 t/m3。 rc =1/μ

船底板架
对于舱长很短的船底板架（例如，舱长与板架计算 宽度之比小于0.8时），为确定这种板架中桁材的 弯曲应力，可将中桁材当作单跨梁处理。 近年来，有限元方法的应用，使得过去近似计算中 的一些难题得以解决。例如船底板架中构件大小形 状等的不同，间距的不同等。但是在按有限元计算 板架强度时要注意下列事项： 1.构件计算尺寸应按实际外形选取，一般不作任何 假定和简化。
桁架：几何不变性由足够数量杆件来保证。桁架传 递的只是轴力。
计算简图和力学模型
工程上的实际问题并不是理想的刚架或者是桁架， 所以只能根据实际传递力的情况来判断用刚架还是 桁架来作为模型。船体肋骨框架各构件连接有肘板 连接，节点刚性极大，约束角位移，所以简化为刚 架，节点为刚性节点；工程上的桁架节点不是理想 的铰支，而是近似刚性节点，但仍简化为桁架计算， 是因为在对比轴力和弯曲内力后，前者远大于后者， 可以将后者忽略不计，故计算时仍按照铰支算。
船底板架
• 内底板结构分析
内底板要求：计算应力不与总纵弯曲应力合成叠加。 横骨架式内底和外底板一样，计算时考虑缩减。
甲板板架
上甲板是船体等值梁的上翼板，是保证总纵强度的 最重要组成部分之一。下甲板主要承受的是货物重 量，局部强度问题在这一部位尤为重要。 横向载荷是甲板板架局部强度计算的主要载荷，无 论是上甲板还是下甲板。横向载荷的主要来源是堆 积货物和甲板上浪，尤其是甲板上浪而造成的积水， 是一定要考虑的。 货船对露天甲板堆积木材有着规范规定，所有的计 算最后都要转化为水头高度来计算。
计算简图和力学模型
• 小结
确定结构计算的力学模型时， 确定结构计算的力学模型时，必须从实际出发和分 清主次。 清主次。 实际出发：考虑结构的布置和构造，了解结构受力 状态的实际情况；