甲板船的结构规范设计与有限元强度校核【毕业设计】.doc

1、东海科学技术学院本科毕业论文 目录 1 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 甲板船的结构规范设计与有限元强度校核 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 2 目 录 摘 要 . 3 第一章 绪论 . 5 1.1 前言 . 5 1.2 论文研究背景目的和意义 . 6 1.3 本文研究的主要内容 . 6 第二章 总体部分 . 7 2.1 船型 . 7 2.2 主尺度和船型系数 . 7 2.3 总布 置概述 . 7 2.4 干舷及稳性 . 8 2.5 备具和属具 . 8 第三章 结构部分 . 9 3.1 设计船船体结

2、构规范设计计算 . 9 3.2 主要构件尺寸汇总 . 31 3.3 设计船舶中剖面特性 . 33 3.4 剖面模数及惯性矩计算 . 34 3.5 总强度校核 . 34 第四章 有限元强度校核 . 36 4.1 有限元法 基本理论 . 36 4.2 有限元法的应用 . 38 4.3 船体资料概述 . 41 4.4 船体说明 . 41 4.5 边界条件 . 45 4.6 算工况和载荷 . 45 4.7 舷外水压力 . 46 4.8 计算结果 . 49 4.9 强度校核 . 49 4.10 应力图 . 50 4.11 结论 . 56 设计总结 . 57 参考文献 . 58 致谢信 . 60 东海科学

3、技术学院本科毕业论文 摘要 3 甲板船的结构规范设计与有限元强度校核 摘 要 本文介绍的是 58m 的甲板船 的结构规范设计与有限元强度校核 。本次设计出图较少，整个设计过程中要求对该船舶的强度校核是否满足许用强度。该设计涉及到全船的主要技术形态的建立和各项性能指标的确立。 本船本船的设计总长 58m，型宽 13.8m，型深 3.2m，设计吃水 2.5m，方型系数 0.8729，单甲板、单底、单舷侧的有自航能力的甲板船。设计航区为国内沿海航区，货品以在甲板上装运石头等不燃的货物，散装货物应在整个甲板处所范围内均匀装载，并尽可能形成水平 。该设计主要包括四个部分。一、绪论部分 :介绍 国内外 在

4、甲板驳船的强度结构设计方面额 要求及技术；二、总体部分：介绍了设计船的主单位与船型及总布置情况；三、结构部分：对甲板船的结构规范计算；四、有限元强度校核，通过建立模型对船体进行模拟校核其强度。 关键词 甲板驳船 ； 结构规范 ； 强度校核 ； PATRAN 软件 ； 结构设计 东海科学技术学院本科毕业论文 摘要 4 The structural strength design and Intensity Examination of Deck Ship Abstract This article introduced the primarily design of 58m deck ship.

5、 The design task have a few drawing. The whole task required to determine the main dimension of the ship. During the period principal dimension, overall performance, stability, hull structure should be finished. This is a simple deck ship ： length overall： 58m, draft：2.5m, Cp： 0.8729have a single pr

6、opulsion, single bottom, single machinery. It has two tank and after/fore attic. It runs between the harbors of the coast of china and the Changjiang river. It carries coal, ore, salt etc. The ship has three features: (1)it have two long large hatch and dont facilitate bottom ballast tank. So the ca

7、pacity of the tank is assuranced; (2) the crane is facilitated between the two tank, it is very convenient for loading, especially when doesnt exist harbor loading facility. (3) contrary to the original ship, the new lines and the principal of the new ship lower the cost of building, and makes the o

8、peration more economy. Key words deck ship structure code Intensity examination software of PATRAN structure design 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 5 第一章 绪论 1.1 前言 船舶是一项复杂的系统工程，它既是整个水运运系统的一个分系统，受系统各方面的影响和约束，船本身又有许多子系统组成，这些子系统相互影响，相互制约，又存在相互矛盾，因而船舶设计是一个相当复杂的过程，是一门综合性技术。同时船舶又是一项技术复杂，投资大，使用期长的工程建筑物，特别是甲板船，他们主要负责运输重大

9、器件，比如大型货车，大型轮机以及一些重要的大型机器，因此有必要通过有限元建立模型来校核该船体结构极限承载能力的真实大小，从而论证设计意图的合理性及计算 分析的可靠性，以确保该船结构型式的合理性及结构有足够的强度，比如三峡工程用来运输水轮机、发电机等大型重要的器件的甲板驳船，其必须保证期船具有足够的强度和一定的稳定性。 甲板驳船的结构强度是指船体结构在正常的使用过程和一定的使用年限中具有不破坏或不发生过大变形的能力。又船舶结构强度通常是总纵强度，总纵强度计算通常是将船舶静置在静水或波浪上，通过力学方法计算沿船长方向分布的重力与浮力作用下的弯曲变形与应力。这种将船舶作为一个整体来研究的强度问题就称

10、为船体的总纵强度。实际上，船体在重力和浮力的作用下，往往不仅会发 生总纵变形与扭转变形，同时在局部范围内船体结构还会发生局部变形，如果局部变形超过一定的限度，就会对船体造成损坏，进而危及到船舶安全。 此次设计为 58m 的沿江甲板驳船结构规范设计和有限元强度校核。根据给定船舶的设计任务书，以及及四张图纸（总布置图、基本结构图、典型的横剖面图、外板展开图），对此甲板船进行结构强度规范计算并使用 PATRAN 软件画出模型，以外板展开图确定其厚度，最后据中国船级社钢质海船入级规范 2008 修改通报要求，对其货舱区域主要构件应用直接计算方法进行强度计算，直接计算应符合钢质海船入级规 范要求，本计算

11、按上述要求进行，用三维有限元模型进行该船主要构件的强度直接计算，计算载荷计及舱内货物载荷、舷外水载荷。在该船计算过程中 ,结合了散货船本身的特点 ,在设计的各阶段尽量在满足规范 ,相关法则及任务书要求的基础上 ,注重了船体结构 ,空间 ,性能间的相互关系。 该甲板驳船的强度有限元校核主要通过 PATRAN建立模型再直接计算法测出其强度是否满足设计要求。 作为第一次船舶的总体设计，囿于能力所限，所得设计结果不尽如人意。但成绩并不是最重要的，关键在于踏踏实实地摸索过，探究过，争取从这次毕业设计中总结出经验和教训 ，为以后工作和继续学习奠定一个基础。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 6 1.2

12、论文研究背景目的和意义 在运输类船舶中，甲板船主要负责运输一些大的器械以及绝大多数充当渡轮，其应用广泛，运输翻遍。在内陆及近海水域中航行的甲板船吨位有数百吨、上千吨，甲板船具有方便、简单、成本低等特点，在我国沿海各港口之间发挥着不可替代的作用。 甲板船通常据货源具体情况及货运需要航行于各港口，设有固定的船期和航线。近几年来，由于我国沿海经济的快速发展，随之也产生了许多问题，首要的便是运输问题，小吨位甲板船的应用使这个问题得到有效的缓解， 它能方便合理的做到各港口之间资源的最优化分配。 甲板船要求有良好的经济性和安全性以及稳定性，但不必追求高速。根据目前我国普遍使用的甲板船船型，存在的不少问题：

13、 一船舶安全性能差，船龄老化现象严重。过去的船舶在设计技术上与现今国际规范有很大偏差，普通甲板船的海难事故记录比其它种类的船舶高出许多，国际船级社协会（ IACS）已经注意到这个现象，将强行实施普通甲板船的结构规范与强度要求。 二船舶用途单一。同类船型只能用于运输一些大型构件，不能运输煤炭，石子，液体等，碰到件货运输就苦于船上缺少相应起吊设 备。为提高杂货船对各种货物运输的良好适应性，最好能载运大件货、件杂货，以及某些散货，现代新建甲板船常设计成多用途船。 三环保意识弱后。一方面是船上卫生设施简陋，船员生活空间狭小、污水排放不合理；另一方面是各货运航道沿线都存在不同程度的油污污染。 为了确保船

14、舶在各种条件下的安全和正常航行，要求船舶具有良好的稳定性能，这些航行性能包括浮力、稳性、抗沉性、快速性、摇摆性和操作性。这次我的课题是对 58 米的甲板船结构规范计算及有限元强度校核，就是甲板船在外力作用下能承受的强度是否在许用应力范围。 另外为了确 保新近研究的船舶能够顺利通航于各货运航道，甲板船的强度以及结构要求必须符合国际法规与规范的要求，通过所给的结构图建模来校核该甲板船能承受的强度。通过强度校核，其甲板、纵舱壁、外板、横舱壁、强横框架、弱框架、梁单元都能满足强度要求。 1.3 本文研究的主要内容 此论文主要根据 钢质海船入级与建造规范（ 2006）对 58 米的甲板船进行强度规范计算

15、，另外还进行 如何运用 MSC.Patran/Nastran 进行甲板驳船结构应力分析的完整过程。根据中国船级社要求，建立了甲板运输船主体部分舱段模型。文中详细阐述 了模型建立与分析的整个过程，对各种工况下的应力结果进行分析总结。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 7 第二章 总体部分 2.1 船型 58m 自航甲板驳，船体采用 CCSA 级钢。主船体区域为单壳、单底结构，船中区域肋骨间距为 550mm；强框架间距有 1650,2200mm；并设有 2 根底纵桁。 2.2 主尺度和船型系数 总 长 LOA 58 m 垂线间长 LPP 56 m 型 宽 B 13.80 m 型 深 D 3.2

16、m 吃 水 d 2.5 m 方形系数 Cp =0.8729 艉楼甲板到驾驶甲板 2.35m 驾驶甲板至驾驶机甲板 2.60m 2.3 总布置概述 2.3.1 主船体由尾至首，主甲板以下设： 舵机舱（艉 #2） 淡水舱（ #2 #7） ; 机 舱（ #77 #22）其中 : #19 #22 单层底下设燃油舱 (右 )； NO.1 货舱 （ #22-#64 ） NO.2 货舱 （ #64-#94 ） 压载水舱 （ #94-#98 ） 锚链舱 （ #96-#98 ） 艏尖舱 （ #107-#艏） 2.3.2 本船主甲板以下设六道水密舱壁，自艉到艏分隔成舱机舱、淡水舱、机舱、 NO.1 货 舱、 NO

17、.2 货舱、压载舱、锚链舱、艏尖舱。艏楼内设有杂物室艉部主甲板室内设有厨 房、餐厅、浴室、卫生间、机舱入口、单人船员室和双人船员室各二间。艉楼甲板室 内设单人船员室 4 间、双人船员室 4 间及机舱开口。驾驶甲板室内设 驾驶室、海图室、 报务室，驾驶室后部设有烟囱、机舱棚，左右舷设有救生筏等。货舱区域舯部舱口围 板高 0.80m，其上设钢质风雨密折叠式舱盖板。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 8 2.3.3 主机航速及续航力 1)主机采用 6300Z1DZCA 额定功率 551KW 额定转速 500r/min 2) 航速 本船在设计吃水 4.30m，深水平潮，船壳清洁无污底，风 力不超过蒲

18、氏 3 级时，其试航 速率不小于 10 节。 3）续航力与自持力 本船续航力为 1500 海里，自持力为 30 天。 2.3.4 载重量、载货量及吨位 在设计吃水 4.30m 时，载重量为 1475.1t，载货量为 1393.4t。 载重量是指在指定吃水时的船舶排水量和空船重量的差值。指定吃水时的排水量由静 水力曲线表查得。 载货量是指在指定吃水时的排水量减除空船重量、油、水、压载、人员、食品及规范 要求以外的备品、备件的差值。 吨位根据中华人民共和国海事局船舶与海上设施法定检验规则（国内航行海船法定 检验技术规则）（ 2004）与（ 2006 年修改通报）第 2 篇要求计算。总吨位 GT=8

19、46，净 吨位 NT=474。 2.4 干舷及稳性 本船在设计吃水 2.50m 时的干舷为 570mm，满足中华人民共和国海事局船舶与海上设施法定检验规则（国内航行海船法定检验技术规则）（ 2004）第 3 篇对“ B”型船舶要求所核算的最小干舷。各种装载情况时的稳性满足中华人民共和国海事局船舶与海上设施法定检验规 则（国内航行海船法定检验技术规则）（ 2004）第 4 篇对航行于沿海航区货船要求。 2.5 备具和属具 配齐规范规定的备品和属具，超过规范要求的机电产品随机备件和业主指定的备件由船厂安放在适当的位置。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 9 第三章 结构部分 3.1 设计船船体结

20、构规范设计计算 3.1.1 规范要求 根据钢质海船入级与建造规范（ 2006）中（ 2.2.4.1）和（ 2.2.4.7）规定：本规范适用于海上航行入级船舶，且不适用于军船、木质船、非营业性游艇、高速船、小水线面船、帆船以及 20L m 以下的船。 由于本船在采用规范第 2 篇的第 2 章（ 2.2.1.2）中提到本章适合于： 5/ BL 5.2/ DB 6.0bC 所以本设计船的结构可选用钢质海船入级与建造规范（ 2006）第 2 篇第 2 章船体部分有关要求进行计算和校核，以下计算部所涉及的规范均指的钢质海船入级与建造规范（ 2006）。 3.1.2 船型参数说明 船 长 58m 船 宽

21、13.8m 型 深 3.2m 吃 水 2.5m 纵骨间距 0.3m 肋 距 0.55m 3.1.3 外板 3.1.3.1 船底外板 规范（ 2.3.1.3）、（ 2.3.1.4） 船底为纵骨架式，船 中 0.4L 区域内的船底板厚度 t 应不小于按下列两式计算所 得之值 : )230(043.01 Lsf bt =6.192mm 12 6.5 hdsf bt =5.335mm 式中： bf = bF 取 0.1bF ； 9 8 5.61 0 03 0 075.10 23 LC； Ch 26.01 =1.816 计算时，取不大于 0.2d=0.5 实取 0.5 实取 8t mm 东海科学技术学院

22、本科毕业论文 正文 10 船端 0.075L 区域内的船底板厚度 sbsLt /)60 3 5.0( =7.7mm 式中： s =0.55m； 5.00016.0 Lsb =0.5928m。 实取 8t mm 3.1.3.2 平板龙骨 规范（ 2.3.2.1） 平板龙骨的宽度 b 应不小于按下式计算所得之值： 11035.3900 Lb mm 平板龙骨的宽度应在整个船长内保持不变。 平板龙骨的厚度： 102 底tt mm 实取 b=12001 2 mm 3.1.3.3 舭列板 规范（ 2.3.3.1） 舭列板厚度 t 应不小于按下式计算所得之值： )230(043.01 Lsf bt 811.

23、6 mm 式中： bf = bF 取 0.1bF ； 且船中 0.4L 区域内舭列板厚度应与船底板厚度相同。 实取 t=8 mm 3.1.3.4 舷侧外板 规范（ 2.3.4.3）、（ 2.3.4.4） 舷侧为纵骨架式时，船中部 0.4L 区域内舷侧外板厚度 t 应不小于系列规定： （ 1）距基线 21 D 以上的舷侧外板厚度 t 不应小于按下 列两式计算所得之值： dFLst )110(06.01 =5.544 mm 2t = 22.4 hds =4.26 mm 式中： Ch 5.02 =3.49 计算时，取不大于 0.36d =0.9 实取 0.9。 实取 t=6mm （ 2）距基线 41 D 以下（舭 列板除外）的舷侧外板厚度 t 不应小于按下两式计算 所得之值： dFLst )1 1 0(06.01 =5.544 mm bFhdst )(4.5 12