当前位置：文档之家 › 船体结构应力集中数值计算

船体结构应力集中数值计算

  • 格式：pdf
  • 大小：417.87 KB
  • 文档页数：7

船体结构应力集中数值计算
王甲畏何祖平王德禹
上海交通大学船舶与海洋工程学院结构力学研究所
船体结构应力集中数值计算
FEM Computation for the Stress
Concentration of ship structures
王甲畏何祖平王德禹
上海交通大学船舶与海洋工程学院结构力学研究所 200030
摘要：结构在不连续及开口处容易产生应力集中，进而会产生结构的局部破坏，危害到整船的安全性。

本文通过有限元数值计算，对某船体进行了整体有限元计算，并选取部分构件进行了应力集中分析。

针对该船体的结构特点，模型主要采用板梁单元，采用大型通用有限元软件MSC.Nastran进行了数值模拟分析。

计算结果显示，在开口的部位应力集中现象很明显，通过与利用光弹性试验得到的结果比较，发现两种方法的结果中应力集中的位置基本吻合，大小也比较接近，证明了有限元计算的可靠性。

关键词：有限元应力集中船体结构 MSC.Nastran
1 前言
根据有关资料，某型船分别在甲板，侧壁和内底上有较大的开口。

由于几何形状的突变，当船体在波浪上行驶时，大开口角隅处会产生较大的应力集中，这种现象将是造成角隅处低周疲劳破坏或脆性断裂的主要因素，从而导致对船体总强度安全的严重威胁。

为了保证船体强度，必须对这种应力集中现象做细致的分析，并对应力集中系数比较大的区域采取必要的加强措施。

2 力学模型
限于篇幅的大小，本文主要选择该船的机舱段来研究。

该机舱段主要由内底、外板、舱壁、纵桁和肋板等结构组成。

本机舱段位于总船的中部。

其结构相对比较简单，同时在内底上有若干的开孔，这些地方都可能产生应力集中。

针对机舱段的结构特点，忽略内底上的一些小的开孔，只保留两处比较大的且重要的开口（此处取为开口1，开口2，见图1）。

针对船体的结构特点，模型建立时主要采用板梁单元对船体结构进行模拟，为了分析的精确性及方便性，采用梁单元模拟纵骨、舱壁和围壁的扶强材，强横梁，纵桁以及强肋骨等T型材的腹板用板单元来模拟，翼缘板用矩形梁单元模拟。

本模型节点数6495个，单元数13859个。

3 载荷工况和边界条件
计算中考虑机舱受一沿船体长度方向的拉力作用，由于我们只关心应力集中现象，而不考虑应力的实际大小，为了便于数据分析，取拉力的值的大小为1牛顿。

实际在有限元模型中施加载荷时，考虑结构的受一总体拉力的作用，在前端面前部首先定义一个节点，把前端面上的所有节点都定义成一个MPC，然后把作用力加在这个节点上。

边界条件的选取为：把后端面刚性固定，即完全限制这些点的线位移和转动。

4 材料参数
计算中取材料特性如下
弹性模量： 2310210mm N E ×= 泊松比： 3.0=ν
质量密度： 36108.7mm Kg −×=ρ 长度单位： mm
图
1机舱段整体有限元模型
5 计算结果
5.1内底开口1处
图2 和表1分别是内底开口1处的应力分布云纹图和应力值。

图2 开口1处的应力云纹图 图3 开口1处的节点标号
表1 开口1处的各节点应力值（Mpa ）
节点标号
MISES 应力
节点标号
MISES 应力
1 4.285E-007 14 1.106E-007
2 3.609E-007 15 1.472E-007
3 3.230E-007 16 2.614E-007
4 7.412E-007 17 4.153E-007
5 1.562E-00
6 18 9.721E-00
7 6 1.981E-006 19 1.469E-006
7 1.444E-006 20 1.628E-006
8 1.432E-006 21 2.071E-006
9 9.352E-007 22 1.549E-006
10 4.072E-007 23 7.529E-007
11 2.292E-007 24 3.585E-007
12 1.427E-007 25 3.389E-007
13 1.172E-007 26 3.833E-007
5.2 内底开口2处
图4 和表2分别是内底开口2处的应力分布云纹图和应力值。

图4 开口2处的应力云纹图图5开口2处的节点标号
表2 开口2处的应力值（Mpa）
节点标号MISES应力节点标号MISES应力
1 5.008E-007 14 4.468E-007
2 4.181E-007 15 4.143E-007
3 4.493E-007 16 4.214E-007
4 6.616E-007 17 6.196E-007
5 1.349E-00
6 18 1.355E-006
6 1.974E-006 19 1.972E-006
7 1.772E-006 20 1.907E-006
8 2.092E-006 21 2.093E-006
9 1.469E-006 22 1.440E-006
10 6.800E-007 23 6.724E-007
11 4.419E-007 24 4.258E-007
12 4.035E-007 25 4.116E-007
13 4.364E-007 26 4.848E-007
5.3 光弹试验结果
图6、7是利用光弹性试验得到的应力云纹图。

图6、7中的阴影区不是应力云纹，而是构件连接处。

表3列出了相应的最大应力，平均应力以及应力集中系数。

表3 光弹试验结果
开口号
最大应力值σ
（以条纹级表示）
平均应力σ平均 （以条纹级数表示）
应力集中系数k
1 1.9908 0.9065 2.196
2 1.9597
0.9065
2.162
图6 开口1处光弹试验云纹图 图7 开口2处光弹试验云纹图
6.结论
由于最关心的是应力集中现象，而不是应力的实际大小，从上面的结果中可以看出，利用有限元计算得到的应力集中云纹图与用光弹性试验得到的光谱图非常符合。

这也验证了有限元计算结果的可靠性与准确性，另外，根据计算结果，可以对应力集中现象比较明显的区域进行相应的改进或保护措施，以增加整个结构的安全性。

另外，除了机舱段，我们还对该船的前、后端部分别进行了分析，在此处，只列出一些有限元结果。

图形列在附图中。

参考文献
[1] MSC.Patran User ’s Manual , MSC.Nastran User ’s Manual.
附图
附图1 船体前端有限元模型
附图2 船体前端应力云纹图
附图3 船体后端有限元模型
附图4 船体后端应力云纹图。

合集下载

船体结构规范计算书【提交学生】

船体结构规范计算书【提交学生】

目录一、说明二、外板1、船底板2、平板龙骨3、舭列板4、舷侧外板5、舷侧顶列板三、甲板1、强力甲板2、其它甲板四、单层底1、实肋板2、中内龙骨3、旁内龙骨4、舭肘板五、双层底1、中桁材2、非水密旁桁材3、水密旁桁材4、实肋板5、水密实肋板6、内底板7、货舱区舷侧底部结构8、双底部分外底纵骨9、双底部分内底纵骨10、肘板六、舷侧骨架1、货舱区域(#34~#131)2、机舱部分(#10~#34)3、首尖舱4、尾尖舱七、甲板骨架1、露天强力甲板计算压头2、甲板各区域压头值3、首楼甲板骨架计算4、尾～#8尾楼甲板骨架5、#8～#29尾楼甲板骨架6、尾～#35主甲板骨架7、#35～#134主甲板骨架8、#134～首主甲板骨架9、#35～#134平台骨架10、机舱平台骨架11、首尖舱平台骨架12、主甲板机舱舱口纵桁13、货舱端横梁八、水密舱壁1、舱壁板厚2、扶强材3、桁材4、内舷板纵骨架式骨架九、首柱十、机座十一、支柱1、支柱负荷计算2、支柱剖面积计算及支柱壁厚十二、上层建筑及甲板室1、首楼后壁2、尾楼前壁3、首尾楼舷侧4、甲板室十三、货舱围板十四、舷墙一、说明本船主要运输矿石及钢材，兼顾煤碳及水泥熟料等货物。

航行于长江武汉至宁波中国近海航区及长江A、B级航区。

船舶结构首尾为横骨架形式，中部货舱区采用双底双舷、单甲板、纵骨架式形式，所有构件尺寸均按CCS《国内航行海船建造规范》(2006)要求计算。

1、主要尺度设计水线长：L WL107.10米计算船长：L 104.10米型宽：B 17.5米型深：D 7.6米结构计算吃水：d 5.8米2、主要尺度比长深比：LB= 104.117.5= 5.95＞5宽深比：BD= 17.57.6= 2.30 ≤2.5舱口宽度比：bB l= 10.417.5=0.594 ＜0.6舱口长度比：l Hl BH=2833.6= 0.833 ＞0.73、肋距及中剖面构件布置：尾～#10及#140～首肋距为600mm #10～#140 肋距为700mm 本船规范要求的标准肋距为：S = 0.0016L+0.5 = 0.0016×104.1+0.5= 0.667 mm (以下均同)二、外板1、船底板(2.3.1.3)(1)船中0.4区域船底t1 = 0.043s (L+230) F b= 0.043×0.667×(104.1+230) 1= 9.58 mm取F b=1，不折减t2 = 5.6s（d+h1）F b= 5.6×0.667×（5.8+1.16）×1= 9.854 mm式中：取h1 = 0.2d = 1.16(2)船端0.075L区域(2.3.1.4)t = (0.035L+6) s s b= (0.035×104.1+6)0.7 0.667= 9.88 mm(3)船首底板加强(2.15.3)a、加强范围及长度分段垂向范围为：0.014B = 0.014×17.5 = 0.245 m高度纵向范围：X = (0.65 - C b2)·L = （0.65 -0.82）×104.1= 26.025m长度，并划分为三段长度，分别计算三段长度及修正系数c。

船体结构规范及标准要求-陈楚明

船体结构规范及标准要求-陈楚明

船体结构规范及标准要求
Powered by Hull Section of Tech. Dept. COSCO (Guangdong) SHIPYARD
一、共同规范对建造的要求
二、IACS质量标准公差要求
1 ，钢板负公差：
2 ，球扁钢允许偏差：（一般采用欧标）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3 ，主尺度允许偏差：
说明：以上为IACS质量标准，按CSQS(中国造船质量标准)分别为±L(B,D)/1000。
b) 强构件端部趾部下设切口时，应按下图补强:
c) 分段大接头处、纵骨（横梁）通焊孔距相邻扇形孔太近时，可 按下图补强：
谢谢！
e)凡船体结构上的开孔，都会影响船体结构的强度，因此尽可能不开 孔。若要在构件上开设超过规定的孔或在特殊部位开孔，应事先与有 关专业人员协商开孔位置，并应采取补强措施。
2，CCS规范对开孔的规定
a)防撞舱壁上不准开设任何门、人孔、通风管道或任何其他开口。 b)所有肋板、旁桁材上均应开设人孔，开孔的高度应不大于该处双层底高度 的50%，否则应予加强。各肋板开孔位置在船长方向应尽量按直线排列，便 利人员出入。在肋板的端部和横舱壁处的一个肋距内的旁桁材上不应开人孔 和减轻孔，否则应作有效加强。
★典型横剖面应力 区：
★ 平板龙骨上部肋板应力区：
★支柱上下端构件的应力区：
★ 韩国标准:
典型横剖面1
★ 韩国标准:
典型横剖面2
b) 共同规范开孔要求：
c) ABS规范开孔要求：（适应于海工船）
7，次要构件的开孔要求：
a) 通常，在货（油）舱的纵骨范围内， 不允许设间距很近的扇形孔，见右图所示:
75mm。
4、甲板开孔：
a) 共同规范及BV规范要求：主甲板开孔边缘距舷侧外板距离如下图。 (阴影区域避免开孔）
船体梁剪应力计算公式

船体梁剪应力计算公式

船体梁剪应力计算公式
船体梁的剪应力计算公式可以通过材料力学和结构力学的知识来推导。

在船体结构中，梁是承受剪切力的重要构件，因此计算剪应力是非常重要的。

首先，我们知道剪应力是由剪切力和梁截面积共同决定的。

剪切力可以通过静力学计算得到，而梁的截面积则取决于梁的几何形状。

假设梁的剪切力为V，梁的截面积为A，剪应力可以用公式来表示：
τ = V / A.
其中，τ代表剪应力，V代表剪切力，A代表梁的截面积。

在实际工程中，梁的截面形状多种多样，可以是矩形、圆形、T 形等等，因此截面积A的计算方法也各不相同。

例如，对于矩形截面的梁，截面积A可以通过梁的宽度和高度来计算；对于圆形截面的梁，截面积A可以通过圆的半径来计算。

除了上述简单的剪应力计算公式外，对于复杂的梁结构，我们还需要考虑横向剪切变形等因素，因此在实际工程中可能会使用更复杂的理论和计算方法来准确地计算船体梁的剪应力。

总之，船体梁的剪应力计算涉及到剪切力和梁的截面积，可以通过简单的公式来表示，但对于复杂的结构需要考虑更多因素。

在工程实践中，需要根据具体情况选择合适的计算方法来进行剪应力的准确计算。

船舶结构与强度设计 第5章 应力集中

船舶结构与强度设计 第5章 应力集中


（2）疲劳特点
①只有在交变应力作用下，疲劳才会发生。 ②疲劳破坏起源于高应力局部。 构件应力集中处，常常是疲劳破坏的起源。 ③疲劳破坏是是一个发展过程，在足够多次的扰 动载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂。
2.疲劳断裂是船舶结构损伤的主要原因 （1）为什么船舶容易疲劳破坏？ ① 交变载荷作用 海洋波浪周期5-10秒，船舶寿命期内结构受交变应 力作用次数约108
1.舱口角隅应力集中 甲板上大舱口破坏了甲板结构连续性，在角隅处 引起应力集中。 舱口角隅应力集中系数k：舱口角隅处最大应力与 平均应力之比。 影响应力集中系数的主要因素是角隅半径r与舱口 宽度b之比。当r/b增大，应力集中系数急剧减小，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ r/b＞0.2时，k不再变化。
影响应力集中系数的主 要因素是角隅半径r与 舱口宽度b之比。当r/b 增大，应力集中系数急 剧减小，当r/b＞0.2时， k不再变化。
② 结构存在应力集中和裂纹 结构不连续、焊接缺陷、装配误差，应力集中难免。 ③海水腐蚀加速疲劳。
（2）提高结构疲劳强度的措施 为了结构疲劳强度，主要措施是降低应力集中。 ① 改善连接点设计，如结构平顺过渡 ② 提高工艺、焊接质量、装配精度 ③ 结构防腐
第4节《规范》降低应力集中的措施
①甲板开口 当强力甲板上的货舱开口角隅是圆形时, 角隅处 要求加厚板, 且角隅半径与舱口宽度之比不小于1/20。 开口角隅是抛物线形或椭圆形时, 角隅处的甲板不 需加厚板。
② 机座纵桁和龙骨的过渡 如机座纵桁在整个机舱长度内贯通, 在两端舱 壁的背面均设有过渡肘板。 在中内龙骨中断处的 机舱内应设置长度不小于2 个肋距的肘板过渡。
③ 肘板趾端 为避免主要强力构件端部的应力集中，在大型 肘板趾端处，肘板的面板应向端部削斜。