船舶局部强度计算方法
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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。
1、结构的安全性是指结构能承受在正常施工和正常使用时大概浮现的各种载荷和(或)载荷效应,同时在偶然事件发生时及发生后,仍能保持必须的整体稳定性。
此外,结构在正常使用时,还必须适合营运的要求,并在正常的维护保养条件下,具有足够的耐久性。
2、船体强度计算包括:(1) 确定作用在船体或各个结构上的载荷的大小及性质,即外力问题;外载荷(2) 确定结构剖面中的应力与变形,即结构的响应分析(亦称载荷效应分析);或者求使结构失去它应起的各种作用中的任何一种作用时的载荷,即结构的极限状态分析(亦或求载荷效应的极限值),即内力问题。
响应(3) 确定合适的强度标准,并检验强度条件。
衡准(结构的安全性衡准都普遍采纳确定性的许用应力法)3、通常将船体强度分为总强度和局部强度来研究。
4、结构的安全性是属于概率性的。
5、把船体当做一根漂移的空心薄壁梁(成为船体梁),从整体上研究其变形规律和抵抗破坏的能力,通常成为总强度。
总强度就是研究船体梁纵弯曲问题。
从局部上研究局部构件变形规律和抵抗破坏的能力,通常称为局部强度。
6、作用在船体结构上的载荷,按其对结构的阻碍可分为:总体性载荷、局部性载荷。
按载荷随时刻变化的性质可分为:不变载荷、静变载荷、动变载荷和冲击载荷。
7、总体性载荷是指引起整个船体的变形或破坏的载荷和载荷效应。
局部性载荷是指引起局部结构、构件变形或破坏的载荷。
冲击载荷,是指在特别短的时刻内猛然作用的载荷,例如砰击。
8、结构设计的基本任务是:抉择合适的结构材料和结构型式,决定全部构件的尺寸和连接方式,在保证具有足够的强度和安全性等要求下,使结构具有最佳的技术经济性能。
9、船体结构设计,一般随全船设计过程分为三个时期,即初步设计、详细设计和生产设计。
10、结构设计应考虑:安全性、营运适合性、船舶的整体配合性、耐久性、工艺性、经济性。
11、大多数结构的优化设计都以最小重量(或最小体积)作为设计的目标。
然而,减小结构尺寸、降低结构重量,往往会增加建筑工作量,从而增加制造成本同时还会引起维护保养费用的增加。
船舶强度与设计名词解释引起船体梁总纵弯曲的外力计算总纵弯曲:船体梁在外力的作用下沿其纵向铅垂面内所发生的弯曲总纵强度:船体梁抵抗总纵弯曲的能力波浪剪力:完全是由波浪产生的附加浮力引起的附加剪力重量曲线:船舶在某一计算状态下,描述船体重量沿船长分布的曲线不变重量:即空船重量,包括船体结构、舾装设备、机电设备等各项固定重量变动重量:即装载重量,包括货物、燃油、淡水、旅客压载等各项可变重量总体性重量:即沿船体梁全长分布的重量,包括主体结构、油漆、索具等局部性重量:沿船长某一区段分布的重量,包括货物、燃油、机电设备等浮力曲线:船舶在某一装载时,描述浮力沿船长分布状况的曲线载荷曲线:引起船体梁总纵弯曲的载荷沿船长分布状况的曲线静水剪力曲线:船体梁在静水中所受到的剪力沿船长分布状况的曲线计算状态:在总纵强度计算中为确定最大弯矩所选取的船舶典型装载状态波浪要素:包括波形、波长与波高坦谷波:波峰陡峭、波谷平坦,波浪轴线上下的剖面积不相等的波史密斯修正:考虑波浪动力压力影响对浮力曲线所做的修正总纵弯矩:船舶在同一计算状态下,静水弯矩和静波浪弯矩的代数和重量的分布原则:遵循静力等效原则。
保持重量的大小不变;保持重量的重心的纵向坐标不变;近似分布曲线的范围与该项重量的实际分布范围相同或大体相同重量曲线绘制的方法与原理?梯形法:船舶往往中部丰满,两端尖瘦,可以将平行中体部分用均匀的重量分布,两端部分用两个梯形分布,根据重量分布原则确定梯形要素围长法:假设船体结构单位长度的重量与该横剖面围长(包括甲板)成比例。
该方法适用于船舶主体结构重量的分布库尔求莫夫法:用特定的阶梯型分布曲线来表示船体重量的分布装载曲线、剪力曲线、弯矩曲线的特征:首尾端点处的剪力和弯矩为零,亦即剪力和弯矩曲线在端点处封闭零载荷点与剪力的极值相对应,零剪力点与弯矩的极值相对应剪力曲线大致是反对称的,零点在靠近船中的某处,而在离首尾约船长的1/4 处具有最大正值或负值弯矩曲线在两端的斜率为零,最大弯矩一般在船中0.4倍船长范围内载荷曲线特点:与坐标轴之间所围面积之和等于零;该面积对纵轴上任一点惯性矩为零。
笔记(局部强度校核)
1.各货舱装货重量的计算公式:
Pi=Vchi/∑Vch*∑Q±调整值
式中:
Vchi-----第i舱的容积
∑Q-----航次载货总重量
2.根据实际吃水判断总纵弯矩变形:
δ=|dφm-dm|
dφm----船中处的平均吃水
dm-----首尾平均吃水
Lb p/1200≥δ(正常的拱垂变形范围)
δ= Lb p/800(极限拱垂变形值)
δ= Lb p/600(危险拱垂变形值)
3.局部强度的校核:
A.上甲板
Pd=9.81*Hc*γc=9.81 Hc/SF (kРа)
Hc---甲板设计堆货高度,重结构取1.5 m;轻结构取1.2 m
γc---舱内货物重量与货舱容积之比
SF—货物积载因数,等于该船的设计舱容系数
B.中间甲板和舱底
Pd=9.81*Hc*γc (kРа)
Pd----二层舱或底舱高度
当船上没有设计装载率γc的资料时,一般可取γc=0.72t∕m#,对满足规定的重货加强要求的船舶的舱底,可取γc=1.2t∕m#
C.根据具体的装载计划计算确定单位面积的实际负荷量Pd′和所有有集中载货限制的部位的拟装货物重量∑Р及该部分货位底部所跨过的骨材间距数目n..
Pd′=∑9.81 H′ci/SFi (kРа)
H′ci ----自上而下第i层货物之货堆高度
SFi-----该层货物的积载因数(m#∕t)
D.比较Pd′和Pd.若该部位有集中载货的要求,则还应比较该部位实际载货重量∑Р′和集中载货P与数值n的乘积.其中n为该货物底部所跨过的骨材数目.若Pd′≤Pd且∑Р′≤n P,则该部位局部结构的安全有保障.。
第三章船体局部强度校核计算方法船体各部分结构抵抗局部载荷直接作用而不产生破坏和超过允许限度的变形的能力称为船体结构局部强度。
船体结构主要组成部分为船底结构、甲板结构、舷侧结构和舱壁结构。
在局部强度校核计算中,首先要将船体空间立体结构简化为板、梁、板架和框架来进行计算,在确定局部结构受到最大载荷(设计载荷)后,建立数学模型计算局部结构的内力与变形。
最后要确定局部结构的强度校核衡准。
§3.1 局部强度计算的力学模型*局部强度概念:船体在外力作用下除发生总纵弯曲变形外,各局部结构,如船底、甲板、船侧和舱壁板架以及横向肋骨框架也会因局部载作用而发生变形、失稳或破坏。
研究它们的强度问题称为局部强度。
*局部强度的主要研究内容:板架、框架、各种骨材以及壳板的强度计算。
*局部强度研究方法:(1)传统的局部强度计算方法:即把船体结构划分成各种板架、刚架、连续梁和板等进行计算;(2)有限元法:可以扩展成各种结构的整体计算,如立体舱段计算等。
一、建立计算模型的原则结构模型化是计算的前提和结构分析成败的关键,影响计算模型的主要因素有下列几点:(1)结构的重要性:对重要结构应采用比较精确的计算模型;(2)设计阶段:在初步设计阶段可用较粗糙的模型,在详细设计阶段则需要较精确的计算模型;(3)计算问题的性质:对于结构静力分析,一般可用较复杂的计算模型,对于结构动力和稳定性分析,由于问题比较复杂,可用较简单的计算模型。
二、构件几何尺寸的简化1、板架计算时:其长度、宽度取相应的支持构件间距离。
例如,船底板架和甲板板架的长度取横舱壁之间的距离,宽度取组成肋骨框架梁中和轴的跨距,或简单地取为船宽。
2、肋骨刚架计算时:其长度、宽度取组成肋骨框架梁的中和轴线交点间距离,用中和轴线代替实际构件。
3、构件剖面要素计算时应包括带板(附连翼板)三、骨架支承条件简化1、骨架支座形式:(1)自由支持在刚性支座上;(2)刚性固定;(3)弹性支座和弹性固定。
笔记(局部强度校核)
1.各货舱装货重量的计算公式:
Pi=Vchi/∑Vch*∑Q±调整值
式中:
Vchi-----第i舱的容积
∑Q-----航次载货总重量
2.根据实际吃水判断总纵弯矩变形:
δ=|dφm-dm|
dφm----船中处的平均吃水
dm-----首尾平均吃水
Lb p/1200≥δ(正常的拱垂变形范围)
δ= Lb p/800(极限拱垂变形值)
δ= Lb p/600(危险拱垂变形值)
3.局部强度的校核:
A.上甲板
Pd=9.81*Hc*γc=9.81 Hc/SF (kРа)
Hc---甲板设计堆货高度,重结构取1.5 m;轻结构取1.2 m
γc---舱内货物重量与货舱容积之比
SF—货物积载因数,等于该船的设计舱容系数
B.中间甲板和舱底
Pd=9.81*Hc*γc (kРа)
Pd----二层舱或底舱高度
当船上没有设计装载率γc的资料时,一般可取γc=0.72t∕m#,对满足规定的重货加强要求的船舶的舱底,可取γc=1.2t∕m#
C.根据具体的装载计划计算确定单位面积的实际负荷量Pd′和所有有集中载货限制的部位的拟装货物重量∑Р及该部分货位底部所跨过的骨材间距数目n..
Pd′=∑9.81 H′ci/SFi (kРа)
H′ci ----自上而下第i层货物之货堆高度
SFi-----该层货物的积载因数(m#∕t)
D.比较Pd′和Pd.若该部位有集中载货的要求,则还应比较该部位实际载货重量∑Р′和集中载货P与数值n的乘积.其中n为该货物底部所跨过的骨材数目.若Pd′≤Pd且∑Р′≤n P,则该部位局部结构的安全有保障.。