船舶强度讲座(杨永谦)

关于油船结构强度计算的几种方法
张少雄;杨永谦
【期刊名称】《武汉造船》
【年(卷),期】1999()1
【摘要】对油船结构分析计算的各种方法进行简单的综述，对船体梁法、压缩平面法和有限元直接计算方法等方法的发展和应用进行回顾、比较和评述，从实用和高效的角度出发，提出一种分析计算油船结构纵横强度的有限元直接计算方法。

【总页数】8页(P5-12)
【关键词】油船;横强度;有限元法;直接计算;结构强度
【作者】张少雄;杨永谦
【作者单位】武汉交通科技大学
【正文语种】中文
【中图分类】U674.133.1;U661.43
【相关文献】
1.油船系泊绞车船体支撑结构强度计算研究 [J], 郭哲璐;张华;董明海;傅静军;孙通
2.油船锚机船体支撑结构强度数值计算分析 [J], 郭哲璐;张华;董明海;洪波杰;傅引峥
3.研究油船系泊绞车船体支撑结构的强度计算 [J], 卢煜秋;范磊;赵海彬
4.64900DWT原油船系泊绞车船体支撑结构强度计算 [J], 顾俊; 彭亚康; 张思航; 张玉奎
5.研究油船系泊绞车船体支撑结构的强度计算 [J], 卢熀秋; 范磊; 赵海彬
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大型液化天然气船船体极限强度研究第14卷第1-2期船舶力学Vol.14No.1-2 2010年2月Journal of Ship Mechanics Feb.2010文章编号：1007-7294（2010）01-0066-08大型液化天然气船船体极限强度研究祁恩荣1，张晓杰2，滕蓓2，陈小平1，蒋彩霞1（1中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082；2江苏科技大学，江苏镇江212003）摘要：船体极限强度是大型液化天然气（LNG）船海洋环境适应能力的显示指标，而薄膜型LNG船的船体结构具有大舱容和较强的箱形凸起甲板等特点。

为了精确评估大型LNG船的船体极限承载能力，文中采用具有代表性的解析方法、简化方法、理想结构单元法和非线性有限元法进行比较研究。

首先介绍了上述方法的基本原理和计算步骤。

然后以大型LNG船的船中肋骨间结构为研究对象建立了精细的计算模型，并对计算结果进行了比较分析。

最后，按法国船级社规范要求对大型LNG船极限强度进行了校核。

研究结果表明，文中给出的计算方法适合于大型LNG船的船体极限强度评估，而凸起的箱形甲板显著提高了大型LNG船中垂和中拱极限弯矩比值。

关键词：LNG船；极限强度；解析方法；简化方法；理想结构单元法；非线性有限元法中图分类号：U661.43文献标识码：AStudy of ultimate hull girder strength oflarge liquefied natural gas carriersQI En-rong1,ZHANG Xiao-jie2,TENG Bei2,CHEN Xiao-ping1,JIANG Cai-xia1(1China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China;2Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang212003,China)Abstract：Ultimate hull girder strength is an explicit index ofthe seaworthiness of large liquefied natural gas(LNG)carriers.The compartment volume of the membrane LNG carriers is large and the trunk deck is strong.In order to accurately evaluate the load capacity of large LNG carriers,comparative study was con-ducted using representative analytic method,simplified method,idealized structural unit method and non-linear finite element method.The basic principle and calculation program of the above methods were out-lined.Fine models of inter-frame structures of amidships of a large LNG carrier were established and cal-culation results were analyzed.The ultimate strength of the LNG carrier was also checked according to BV rules.Study results show that the above methods are suitable for evaluating ultimate hull girder strength of large LNG carriers and the ratio of ultimate sagging moment to ultimate hogging moment is remarkably el-evated due to the strong trunk deck.Key words:LNG carrier;ultimate strength;analytic method;simplified method;idealized structural unit method;nonlinear finite element method1引言船舶在航运过程中不可避免地会遭遇恶劣海况，由风、浪和流引起的极值环境载荷可能超过船体收稿日期：2009-08-31基金项目：工信部十一五高新技术船舶科研计划项目—大型液化天然气船工程开发科研项目基础技术研究（Z107）作者简介：祁恩荣（1965-），男，博士，中国船舶科学研究中心研究员。

大连理工大学硕士学位论文船舶总强度分析及开孔板受力特性研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：***20061201大连理工大学硕士研究生学位论文于开孔而产生的应力集中现象并降低结构的承载能力所导致的。

为降低开孔对船体结构造成的不利影响，各国的船舶结构设计规范都对开孔的部位以及开孔的尺度做出了一些强制性规定。

比如避免在高应力区域开孔；在强横梁、桁材、强肋骨和实肋板等构件上开孔的直径不能超过其腹板高度的一半，等等１７】。

对于开孔对构件的强度所产生的影响，开孔后的应力分布情况，是否需要在结构开孔处进行补强以及采用何种补强方式等等，对这些问题进行研究也是十分有意义的。

特别是当结构开孔的参数超出规范规定时，必须通过数值计算和模型试验分析等手段进行相关的研究，以确保结构设计的安全性。

图０．１船舶结构中的各种开孔Ｆｉｇ．０．１Ｏｐｅｎｉｎｇｓｉｎｔｈｅｓｈｉｐｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ本文试图从船舶与海洋工程中常见的开孔板模型着手，结合板的相关理论，研究开孔板的静力特性，对开孔板补强前后应力分布和强度的变异情况做了具体的分析，从而为开孔板动力特性的分析莫定了一定的理论基础，为船舶与海洋工程中结构物开孔的设计方面作出了有益的探索。

０．２国内外研究状况及发展趋势有限元法在船舶结构领域的应用最早始于２０世纪６０年代。

２０世纪６０年代中期以前，人们完全依靠手工计算的方法，确定结构内部应力。

具体的做法是根据经典的固体力学理论，结合结构内部构件多为梁系、板材和加筋板的特点，发展出适合船舶和海洋结构物的船舶结构力学，建立了一系列专用的方法和公式。

但是由于手工计算能力的限制，人们只能计算从整个结构中取出的某一小部分，并对取出的真实结构按其力学特征进行粗略地简化，其结果带有明显的局限性和不精确性【８】。

２０世纪６０年代中期起，随着计算机和有限元方法的发展，计算技术进入迅速发展的阶段。

有限元法当时已经成为船舶结构强度设计中很受欢迎的一种数值方法。

第３７卷　第６期江苏船舶Ｖｏｌ．３７　Ｎｏ．６ ２０２０年１２月ＪＩＡＮＧＳＵＳＨＩＰＤｅｃ．２０２０浙北主通道集装箱船型主尺度比选徐红昌１，王　奇２（１．嘉兴市港航管理服务中心，浙江嘉兴３１４０３３；２．嘉兴市金航船舶设计有限公司，浙江嘉兴３１４００１）摘　要：针对现有集装箱船型航道利用率低、集装箱单箱运输成本高等问题，以浙北集装箱主通道为研究对象，根据航道弯曲半径、宽度、水深、净空高度及船闸、港口装卸等限制条件，分析集装箱船允许装载的最大列数、层数及船舶在弯曲航道中的运动轨迹，得出主通道集装箱船型的主尺度。

结果表明：该集装箱船型较现有集装箱船型极大提高了载箱量，降低了单箱运输成本。

关键词：集装箱；主通道；主尺度中图分类号：Ｕ６６２．２文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．１９６４６／ｊ．ｃｎｋｉ．３２ １２３０．２０２０．０６．００２０　引言浙江省作为长三角经济带重要组成部分，内河集装箱运输发展迅猛。

自２０１０年第一艘内河集装箱船投入运营以来，内河集装箱运输业得到发展，特别是在“十三五”规划中提出建设内河集装箱运输主通道后，全省内河集装箱运输得到快速发展。

主通道由三级航道和四级航道组成，建成后水面以上净空高度大于等于７ｍ，可航行装载３层集装箱的船舶。

目前，受到部分航道桥梁净空高度不足的影响，现有内河集装箱船只能装载２层集装箱，因此，必须改变现有集装箱船型已落后航道发展的现状，降低单箱运输成本高，提高经济性。

浙北地区航道在营运的集装箱船型主要有３０、３６、４８、５４、６４ＴＥＵ，主尺度总长为５４～６４ｍ，船宽为９．７～１２．７ｍ。

其主尺度及载箱量都受到现有航道的限制无法继续提高。

集装箱主通道虽给船舶大型化提供了有利条件，但针对集装箱主通道的集装箱船型还是一片空白，因此研发装载３层集装箱的船型显得十分必要。

本文以浙北集装箱主通道为研究对象，根据主通道的限制条件，分析船舶在弯曲航道中的运动轨迹、码头的装卸条件、航道的水深条件等，研究可行的集装箱主尺度。

船　舶　工　程集装箱船整船有限元结构分析上海交通大学船舶及海洋工程学院　白建伟　李润培　顾永宁　胡志强 摘　要　文章以一艘1700箱集装箱船为例,阐述了整船有限元结构分析方法。

先建立全船有限元模型和质量模型,再用三维流体动力计算程序进行波浪随机载荷的长期预报,并在此基础上导出设计波参数组,最后,在全船有限元模型上计算得出船体结构在各个设计波上的应力分布和变形结果,所得到的船体结构有限元分析结果对同类型集装箱船的设计和强度分析有一定的参考价值,对其它类型的船舶结构强度分析也有一定的借鉴意义。

关键词　集装箱船　船体结构强度　有限元方法　波浪诱导载荷　设计波 作者简介:白建伟,男,26岁,硕士研究生。

1　引言 集装箱船作为新型船舶之一,由于其结构上的特殊性—货舱的大开口,使得其在结构强度和变形等问题上不同于常规型的船舶。

要得到比较精确的变形和应力结果,必须使用合适的方法。

目前有两种方法可供选择:(1)变断面薄壁梁方法;(2)整船有限元结构分析方法。

其中,整船有限元方法是精度更高的一种方法。

但是,由于其工作量很大、涉及许多因素,并且对计算机软硬件有较高的要求,所以它的应用尚不广泛,尤其在国内开展此项分析的方法及手段尚不完善,因此笔者认为有必要在这方面进行研究和探讨。

2　全船有限元分析方法 全船有限元分析法就是将全船划分为若干个子结构,首先对于各主要构件按其受力状况分别建立膜、壳、梁、桁条等的有限元模型,这样可详尽地描述船体结构的各个细节,真实地表达出全船结构的协调关系与变化。

然后利用统计的方法求出波浪长期预报极值,确定反映长期极值概率特性的设计波。

最后求出设计波的波浪载荷,并施加到全船有限元模型上,通过大规模的有限元分析求解,求出各主要构件的实际变形与应力。

为表述清楚便利,现以一艘1700箱集装箱船为例来介绍整船有限元结构分析过程。

本文的分析计算工作均采用DNV 的结构分析软件SESAM 来完成。

例船船型资料:总 长　188.56m 结构吃水　10.50m 两柱间长　176.43m 设计吃水　9.00m型 宽　26.50m 航 速　20.40kn 型 深14.20m 方形系数0.679载重量25050t 2.1　全船有限元模型的建立对全船进行有限元分析,必须首先建立有限元模型。

128m打桩船带缆桩支撑结构强度有限元分析王铁;王庆丰【摘要】使用MSC.Nastran软件对128m打桩船带缆桩支撑结构的强度进行校核,为船舶作业时的安全性提供依据,并可用来指导船体支撑结构的设计及优化.计算分析表明,该船支撑结构响应满足强度要求.【期刊名称】《江苏船舶》【年(卷),期】2010(027)004【总页数】3页(P13-15)【关键词】打桩船;带缆桩;支撑结构;强度;有限元【作者】王铁;王庆丰【作者单位】江苏省船舶检验局,江苏,南京,210004;江苏科技大学,江苏,镇江,212003【正文语种】中文【中图分类】U661.43随着船舶工业的发展,工程船舶的作用日益凸现。

工程船舶因其进行一定的水上作业,受多种载荷共同作用,且工作条件十分恶劣,因此其支撑结构的强度一直受到关注。

本文以 128 m打桩船带缆桩支撑结构为研究对象,利用 MSC.Nastran软件对其工作时各种载荷工况下的强度进行有限元分析。

128 m打桩船设置 10个带缆桩,对称地分布于上甲板左右舷。

其具体位置及编号如图1所示。

1.2.1 上层建筑结构有限元模型由于带缆桩、拖力眼板的支撑结构属于非常局部的结构,因此计算中选取带缆桩所在位置的甲板结构,边界延伸至强构件(舱壁、强横梁、纵桁、舷侧等)处即可,但是为了减小边界的影响以及考虑带缆桩同时受力的情况,故建立整个甲板模型。

船体支撑结构以板、梁单元模拟,带缆桩、导缆钳的基座根据型号尺寸,参考相应标准,建立基座的模型,其余部分则直接以MPC单元模拟。

由于左右舷带缆桩对称,故只分析一半(左舷)的情况。

有限元模型如图2所示。

1.2.2 边界条件为了选取与该船实际情况一致的方案,有限元模型下边缘刚性固定,即限制住三个方向的平动位移和三个方向的转动位移,如图3所示。

1.2.3 载荷施加计算载荷根据设计方提供的安全工作负荷SWL来计算,1.25×9.81×SWL即可算得1根系泊索或拖索的计算载荷,多根系泊索或拖索同时作用时,应按所有作用的载荷合力大小及合力方向施加载荷。

船舶开口宽度对极限强度影响研究李永富;周凡;陈晓晨【摘要】主要针对江海直达集装箱船舶宽扁和大开口的特点,研究不同开口尺寸对其极限强度的影响.通过逐步破坏法验证非线性有限元在船舶极限强度计算上的可行性.在此基础上利用非线性有限元方法探讨这类大开口船舶在极限破坏时的崩溃机理和极值载荷,总结不同开口尺寸对极限强度的影响.【期刊名称】《船舶设计通讯》【年(卷),期】2017(000)0z1【总页数】6页(P35-40)【关键词】江海直达;开口尺寸;极限强度【作者】李永富;周凡;陈晓晨【作者单位】中海油田服务有限公司,北京101149;上海船舶研究设计院,上海201203;上海船舶研究设计院,上海201203【正文语种】中文【中图分类】U661.43在长江黄金水道开发的背景下，江海直达运输船舶的研究日显重要。

江海直达集装箱船由于宽扁特点以及大开口造成甲板不连续，所以结构极限强度的研究非常必要。

纵观船舶极限强度的发展，由逐步破坏法到现在的非线性有限元法，计算机技术的发展和数值模拟手段的进步使我们能更加直观地观察到结构破坏时的破坏模式。

近年来，国内外学者针对极限强度问题进行了深入的研究。

Kim等［1］研究矩形截面梁的弯扭剪同时作用下的极限强度，讨论了这些载荷的相互影响，并归纳出计算公式。

师桂杰、王德禹［2］通过集装箱船模型弯扭极限强度模型试验和有限元计算得出弯扭组合下的船舶极限强度关系式。

Hai-Hong Sun等也通过大开口船舶结构模型在弯扭作用下的极限强度试验，讨论了边界条件的影响以及船舶破坏模式。

杨平［3］通过对一条内河重载船舶的缩尺比模型中垂极限强度试验，验证了理论分析结果。

本文参考其他文献计算极限强度的方法后，采用非线性有限元法［4-6］讨论不同开口宽度对舱段在纯弯、纯扭以及弯扭组合下的极限强度的影响，分析结构的破坏模式。

非线性有限元法是解决复杂工程问题有效的工具，利用该方法可以充分考虑结构在不同载荷下屈服和屈曲组合的失效模式，探究结构的崩溃机理。

舰船大风浪中纵向强度标准应用应荣熔;王骁;王菲菲;石爱国【摘要】Because of the complexity and diversity of naval troop's mission, the possibility of ships encountering heavy weather increases greatly. And it's more and more important to calculate ship's total longitudinal strength in order to evaluate the strength risk. The mathematical models for calculating ship's total longitudinal strength and accumulative damage degree of fatigue strength are proposed, and the yardstick of strength risk in heavy weather is discussed.%由于海军舰艇部队使命任务的复杂性和多样性,舰船遭遇大风浪的频率也大大增加.因此,计算舰船在风浪中的纵向总强度从而估计航行舰船强度风险非常重要.本文探讨舰船在风浪中的总纵向强度和疲劳强度的累计损伤度方法模型,提出衡量舰船大风浪中纵向总强度的衡量标准.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】4页(P51-54)【关键词】船舶;纵向总强度;大风浪;船舶结构【作者】应荣熔;王骁;王菲菲;石爱国【作者单位】海军大连舰艇学院航海系,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院航海系,辽宁大连116018;东北财经大学图书馆,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院航海系,辽宁大连116018【正文语种】中文【中图分类】U661.430 引言舰体结构在波浪中整体弯曲 (总纵弯曲、横向弯曲)或扭转破坏，是船舶结构整体破坏的主要形式。

散货船热点应力疲劳强度计算(Fatigue strength)（以80000DWT散货船为例说明计算方法与过程）杨永谦 2010年7月船体结构疲劳强度指南<2007>1.1.1 船舶在海上航行时，船体结构一直受到波浪力及船舶运动产生惯性力的作用。

而波浪力和惯性力都是不断变化的动载荷，他们在船体结构内部引起交变应力，造成结构的疲劳损伤。

1.1.2 疲劳破坏是船舶结构的主要破坏形式之一。

特别对于大型船舶和使用高强度钢的船舶，疲劳问题显得尤为突出。

1.1.3 可通过疲劳强度校核改进结构节点的设计，以保证船体结构中受交变载荷作用的构件有足够的疲劳寿命。

1.1.4 对满足本指南评估要求的入级船舶，可授予COMPASS （F）附加标志。

1.2.1 下列船舶可按本指南的要求对其货舱区域结构进行疲劳强度校核：（1）船长150m 及以上的散货船（包括矿砂船）；（2）船长150m 及以上的集装箱船；（3）船长190m 及以上的油船；1.2.2 具有CSR 附加标志的油船的疲劳强度评估按《钢质海船入级规范》第9 篇的相关规定进行；1.2.3 具有CSR 附加标志的散货船的疲劳强度评估按《钢质海船入级规范》第10 篇的相关规定进行。

1.2.4 对于1.2.1 规定范围以外的船舶也可参照本指南，对其结构进行疲劳强度校核。

（8）应力范围S （）：引起结构疲劳的交变应力的应力范围，按下式计算：S= 式中： ——应力循环的最大值， ； ——应力循环的最小值， 。

（9）设计应力——疲劳评估时的计算应力。

可以是名义应力，也可以是热点应力。

1.4 疲劳分析方法1.4.1 船体结构的疲劳分析可采用简化计算法和直接计算法。

2N/mm 2N/mm 2N/mm max min σσ−maxσminσ1.4.2 简化计算法和直接计算法主要包括下述内容：（1）疲劳载荷计算；（2）各应力范围分量的计算；（3）应力集中系数的确定 ；（4）应力范围的合成；（5）累积损伤度的计算及衡准。

船舶与海洋工程结构极限强度的若干研究杨德喜(中国船级社天津分社，天津300457)摘要：随着科技的发展和国家综合实力的提升，我国在船舶与海洋工程方面，表现出了较大的进步。

在今后的研究当 中在，结构极限强度成为了研究的重点。

通过技术上的分析和实践上的操作，可以逐步的强化结构极限强度，为工程的拓 展和经济效益的提升，提供更多的助力。

文章针对船舶与海洋工程的结构极限强度展开讨论，并提出合理化建议。

关键词：船舶；海洋；结构；极限强度中图分类号：U661 文献标识码：A文章编号：1671-0711 (2016) 07 (下）-0076-02一般而言，在船舶与海洋工程当中，极限强度的 设定，都是经过系统计算和分析后来确定的。

但是随着 国内需求的增加和国家发展的进步，很多的极限强度，根本无法满足客观上的标准，如果固守强度，势必会影 响船舶与海洋工程的进步，并且对今后的发展而言，也 是非常不利的。

所以，要根据船舶与海洋工程的特点及 未来方向，将结构极限强度不断的强化，制定出更多的 应对策略。

1结构极限状态随着船舶与海洋工程的开发深度不断增加，结构 极限状态获得了业界和社会上的高度关注。

简单而言，结构极限状态，其最明显的特征在于“崩溃”。

—旦出 现了崩溃的情况，则结构会丧失相应的承载能力，总体 刚度遭到了极大的破坏，进而产生较多的危险和事故。

目前，我国对结构极限状态的分析比较深入，在很多方 面都进行了较多的研究。

结构极限状态，是一种非常复 杂的非线性变化过程。

在研究过程中发现，部分壳体结 构的极限强度，可以通过特征数值来计算。

但是，倘若 以船舶与海洋工程作为基础，则在结构极限状态的计算 中，会受到很多因素的影响，最终的结果也表现为多元 化的情况。

例如，工程在投入运营后，整体结构会在不 断的弯矩作用下，发声屈曲、屈服等现象，最终导致工 程的破坏。

由此可见，结构极限状态，对于船舶与海洋 工程而言，是非常重要的，必须采用比较可行的方法进 行计算和分析，之后才能进行系统的优化处理。

波浪中基于惯性释放的工程驳船全船强度分析郑家林摘要：本文以工程驳船运输渤海海域某大型海洋平台组块全船模型直接计算为例，说明惯性释放功能的应用。

详细介绍了工程驳船在自重、舱室压载水、组块重量以及波浪等的作用下，使用有限元分析软件ANSYS进行全船结构强度分析的过程，评估了组块在拖航过程中驳船全船结构强度，结果满足规范设计要求，从而保证了工程项目的安全性。

关键词：惯性释放；直接计算；有限元分析；全船强度1引言航行的船舶结构处于“全自由”状态，但是对它进行有限元静力分析计算时，不能处理为无边界约束结构。

通常我们在做有限元线性静力分析时，需要施加约束条件保证结构没有刚体位移，否则求解器没有办法计算。

因此，在船舶处于正常的航行状态时，整体系统处于载荷平衡状态。

这种状态下，想要计算驳船船体结构上的应力分布，需要采用惯性释放（inertia relief），在船体结构上补偿虚拟的惯性力来保证整体系统的平衡状态。

惯性释放，简单地说就是用结构的惯性（质量）力来平衡外力。

采用惯性释放功能进行静力分析时，需要对一个或多个节点进行6个自由度的约束（虚支座）。

针对该支座，程序首先计算在外力作用下每个节点在每个方向上的加速度，然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上，由此构造一个平衡的力系（支座反力等于零）。

求解得到的位移描述所有节点相对于该支座的相对运动[1]。

2全船强度分析计算实例本文以工程驳船运输渤海海域某大型海洋平台组块全船模型直接计算为例，说明惯性释放功能在ANSYS软件中的应用。

详细介绍了工程驳船在自重、舱室压载水、组块重量以及波浪等载荷的作用下，使用有限元分析软件ANSYS进行全船结构强度分析的过程，评估了组块在拖航过程中驳船全船结构强度，使结果满足规范设计要求，从而保证了工程项目的安全性。

2.1计算模型全船强度分析模型，主要分为三个部分：工程驳船、滑道和滑靴、平台组块。

建立全船分析模型的大致过程如下：（1）为了确保计算结果的精确性，ANSYS全船模型以毫米为单位创建，并且驳船的船底与舷侧外轮廓尽量与型线图保持一致；（2）驳船的整体刚度尽量与实际相近，同时降低模型创建的难度并减少计算时间，建模时单元使用类型如下：船壳、主甲板、舱壁、强横梁等主结构，统一使用Shell181壳单元；舱壁扶强材、结构翼缘板以及次要骨材，统一使用Beam 4和Link8梁单元；（3）组块重量通过滑靴和滑道传递到驳船甲板，滑道和滑靴模型部分使用Shell181壳单元；（4）在组块的重心位置使用Mass21质量点单元模拟组块重量，使用Beam 4梁单元连接组块框架；（5）驳船全船网格大小取0.5*肋距，滑道和滑靴网格大小取300mm*300mm。