1、东海科学技术学院本科毕业论文 目录 I 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 58m 布缆船结构强度数值模拟 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 II 目 录 摘 要 .1 Abstract .2 1 绪论 .1 1.1 前言 .1 1.2 论文研究的背景目的和意义 .2 1.3 本文研究的主要内容 .4 2 有限元法基本理论 .4 2.1 有限元法基本简介 .4 2.1.1 基本原 理 .4 2.1.2 有限元法基本思路 .4 2.1.3 有限元模型建模准则 .5 2.1.4 有限元模型性能指标 .6 2.
2、2 有限元基本理论与方法 .6 2.2.1 弹性力学基本方程 .6 2.2.2 弹性力学基本原理 .8 2.3 有限元法的应用 .9 2.4 MSC 软件介绍 . 12 2.4.1 前后处理有限元软件 Msc.Patran . 12 2.4.2 MSC.NASTRAN 有限元分析软件 . 13 3 有限元建模 . 14 3.1 建模方法 . 14 3.2 模型网格划分 . 15 3.2.1 网格 . 15 3.2.2 网格密度 . 15 3.2.3 单元形状限制 . 15 3.2.4 网格过渡 . 16 3.3 船体资料概述 . 16 3.3.1 图纸资料 . 16 3.3.2 主要参数 .
3、16 3.3.3 结构图与有限元模型 . 17 4 计算工况和载荷 . 24 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 III 4.1 坐标规定 . 24 4.2 边界条件 . 24 4.3 计算工况 . 25 4.4 加载图 . 26 5 有限元模拟结果汇总及分析 . 27 5.1 有限元结果汇总 . 27 5.2 空载应力云纹图 . 28 5.3 空载位移云纹图 . 31 5.4 满载应力云纹图 . 35 5.5 满载位移云纹图 . 38 6 总结 . 42 致谢 . 45 参考文献 . 46 东海科学技术学院本科毕业论文 摘要 1 58m 布缆船结构强度数值模拟 摘 要 本文探讨了有限元法的基
4、本思路与理论方法。 参考中国船级社 散货船共同结构规范 2006、集装箱船结构强度直接计算指南 2003 要求，采用有限元软件 建立了58m 布缆船 结构有限元模型，针对不同工况对模型进行了总纵强度分析 。最后，进行分析强度计算结果，观察应力是否满足中国船级社入级要求，并给出解决方案。 结论：该船舶结构设计合理， 其应力满足中国船级社入级要求，船舶主体各部分结构也具有足够的强度。 关键词 : 布缆船 ； 强度校核 ；有限元分析 东海科学技术学院本科毕业论文 Abstract 2 Numerical Simulation Structure Strength of 58m Cable Layer
5、 Abstract In this thesis, the foundational theory of Finite Element Method is introduced at first, and then a model of 58m cable layer is built which is used for analyzing its longitudinal strength in different states. According to the Rules for classfication of sea-going steel ships 2006、 A contain
6、er ship structure strength calculation directly guide 2003, 3D FEM model is built, and the direct calculation methodology is adopted to calculate the longitudinal strength of ship main component. Analyzed whether the strength calculation results satisfied the requirement of classification conditions
7、 of CCS, and provide solutions. Conclusion: The calculation results indicate that the design for the ship structure is justified and the stress is satisfied the requirement of classification conditions of CCS, as well as the structure of the other part. Key words: cable layer； strength check； FEM an
8、alysis 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 1 1 绪论 1.1 前言 在整个世界经济快速发展的背景下，中国的经济也在飞速的发展，船舶行业特别是船舶运输在经济的发展中起到了非常巨大的作用 随着世界造船市场竞争日趋激烈，主要依靠要素投入的发展方式将难以为继，必须转变粗放型发展方式，按照中国特色新型工业化的要求，走内涵式发展道路。要把降本增效 作为应对风险的基本措施，引导企业深入挖潜，苦练内功。 应该 大力推进总装造船、数字造船，应用先进工艺方法，提高生产效率，降低能耗物耗。 布缆船是专门用于敷设海底电缆的海洋工程船舶。由于海底电缆的铺设，使人们能远隔重洋进行通电话，互相间的声音就像市内电话
9、一样清晰。建设海底电缆是为了进行有线通信。有线通信具有容量大、距离远、安全可靠、抗干扰能力强等特点。对于没有陆路相通的国家、地区之间，需要在海底敷设通信电缆。布缆船是海上架线兵，不仅担负敷设海底电缆，沟通大洋彼岸通信的重任，还担负维修海底电缆，保证海上通信畅通。 本 文主要研究的对象是 58m 布缆船的主体部分。 布缆船主要用于布设与维修水底电缆，它和一般船舶不同，有以下特点 ： 一 是尺寸较大，船上设置有专门的电缆舱，便于装载各种不同规格的电缆。所以，布缆船尺寸较大，船上要有容积很大的电缆舱，并要有宽大的甲板。布缆船长度一般为六、七十米，排水量在一千吨左右；大型的布缆船船体长在一百多米，排水
10、量为 4 5 千吨。我国自行设计、建造的 “ 邮电一号 ” 布缆船长为 71.4 米，宽为 10.5米，排水量为 1300 吨，船上能装载电缆 400 吨。 二 是船型特殊，它的横断面呈 V 形。这样，有利于保持 良好的稳定性，并能提高推进效率。它的首部水线以上部位向外飘，这样，可以减少船头甲板上的溅沫和碎浪，还可以扩大甲板面积，便于进行布缆作业。船上设有压载水舱，供调整纵倾与重心之用。 三 是有很高的船首，为了敷设、修理电缆的需要，布缆船的船首造得很高，上面装有导缆滑轮。布缆船的尾部采用方尾，以增加尾部甲板面积，便于布缆作业。布缆船上的大部分甲板面积被布缆设备所占用。 四 是装有可变距螺旋桨
11、。为了使布缆船在布缆作业时操纵灵活，船上装有可变距螺旋桨，可通过调整螺距，满足布缆作业的不同需要。有的布缆船上采用电力推进装置和主动舵，以获得良好的操纵性能。还有的布缆船上加装有侧向推进装置，使得布缆船在低速航行时，不会发生偏航。 船舶在航行或作业时承受着各种外力。有船舶自重和载重的重力、水的浮力、波浪抨击力、摇摆惯性力等。在这些力作用下，船舶既不能产生过大的变形，更不能出现裂纹。也就是说，设计的船舶既要保证局部强度，也要保证整体强度；此外，还要保证船体的基本构件稳定性和刚度上的要求。设计者应根据提供的条件和计算方法确东海科学技术学院本科毕业论文 正文 2 定各个构件的适当尺寸。所谓适当尺寸，
12、就是既要保证船体结构的安全，又要使得船体最轻、造价最低。但是安全和经济性是 互相矛盾的。前者要求增加使用的材料；而后者要求减少使用的材料。 在经济全球化的今天，国际造船业已发展成为全球一体化市场，世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务等全方位的角逐。随着全球船舶市场占有率的竞争日趋激烈，世界造船业在技术、体制上发生了重大改革，其中造船技术的发展尤为突出，从最初的焊接技术到大型生产流水线等新技术的成功应用，到现阶段信息集成系统、并行工程、敏捷造船、先进制造模式等先进技术或理念在船舶制造业中广泛应用，使船舶行业凸显成为信息密集、技术密集和资金密集的现代新型产业。世界经 济贸易的发
13、展促进了国际航运业的发展，新型船种的需求量猛增，给造船行业带来了难得的机遇，创造出了历史上最好的商机，给船舶产业注入了新的有利条件。 强度就是船体结构抵抗整体失效的能力，当船受外加载荷作用达到极限状态时受到的弯矩为船所能承受的极限弯矩，船的极限强度就是以此极限弯矩为衡量。船的整体失效本质上就是总体刚度和承载能力的丧失。另外，船舶因存在腐蚀和疲劳等而导致的结构损坏也会使船的承载能力降低。大多数运输船舶需要在甲板上设有大型的矩形开口，有的在舷侧亦设有大型的椭圆开口，形成了具有多个大开口的复杂空间薄壁结 构。 过去传统的船舶结构力学计算方法只能适用于简化后的典型模型，如连续梁、刚架、弹性梁、板架和板
14、壳，而对于稍微复杂的结构都不得不进行割裂或近似的办法来继续计算，实验和计算都证明在杆件与其它构件相连接的地方，或者是本身截面有突变的地方，传统的结构力学平面假设并不成立，而且在这些地方的实际应力都超出了前面理论计算的若干倍。这一缺陷只好用加大安全系数来弥补，这种盲目的措施致使船体设计得十分笨重。因此，要进行合理的结构设计，人们重新建立了适合复杂结构的弹性理论，并结合计算机的广泛应用，得到了现阶段比较成熟而精确的计 算方法 ：有限元法 1。 1.2 论文研究的背景目的和意义 随着国民经济的 迅 速发展， 人民生活质量的上升，交通信息的不断发展，人们对电缆的需求也不断增加。 布缆船是专门用于敷设海
15、底电缆的海洋工程船舶。由于海底电缆的铺设，使人们能远隔重洋进行通电话，互相间的声音就像市内电话一样清晰。建设海底电缆是为了进行有线通信。有线通信具有容量大、距离远、安全可靠、抗干扰能力强等特点。对于没有陆路相通的国家、地区之间，需要在海底敷设通信电缆。布缆船是海上架线兵，不仅担负敷设海底电缆，沟通大洋彼岸通信的重任，还担负维修海底电缆， 保证海上通信畅通。 本设计主要进行的是 58m 布缆船 的有限元分析计算。 其主要研究该船体主体部分的强度是否满足在各工况下的应力要求，并对得出的结果进行分析考察，对该布缆船东海科学技术学院本科毕业论文 正文 3 进行加强，以满足该船舶在各种装载工况下的应力要
16、求 。 由于船舶尺度的急剧增大，船舶营运条件的复杂化，各种新船型的出现，以及新材料的采用，传统计算方法已难以满足船舶结构计算。而有限单元法已经成为船舶结构分析的一种强有力的现代数值方法和数学工具。有限元法很早就被引入到船体结构强度分析中，经过几十年的积累，船舶结构有限元分析已经得到广泛的应用，有各种类 型的计算软件在船舶结构强度分析中得到应用。 随着现代力学、计算数学以及计算机技术在软、硬件方面的发展，有限元分析在理论和应用技术方面都已取得巨大的进步。在工程结构分析中，有限元方法已成为应用最广泛、最有效的数值方法之一。目前流行的通用有限元程序，如 ANSYS, MSC/NASTRAN, ABA
17、QUS, ADINA, ALGOR 等，他们大都提供了友好的用户接口、强大的计算分析功能和前后处理功能，并与多种图形软件提供了接口，如 UG， I-DEAS, CATIA, Pro/E 等，有的软件还为用户提供了二次开 发接口，方便用户开发适用于本专业的专用有限元分析范本 2。 这些通用有限元软件功能强大，能单独或藕合进行多种场计算，如力学、磁学、热学等。因而在航空航天、船舶、水利、土木工程、机械电子、生物医学等领域的应用越来越广泛，发挥了巨大的经济效益。作为一种强有力的数值分析方法，有限元法在结构分析中显示了极大的应用价值，在船舶工业领域，有限元技术已被广泛应用于结构设计、可靠性分析、以及船
18、舶结构强度的评估等方面。 在船舶工业领域，针对船舶结构、运行的特点，通用有限元程序由于其复杂性不易被快速掌握，因而工程人员对通用有 限元软件进行针对性的二次开发，编写适合船舶特点的模块，方便使用 3， 4。各大船级社也很重视对船舶有限元软件的开发，投入了大量的人力、物力进行长期开发。陆续推出了各自的设计 计算系统，具有代表性的有 :英国 LORDS 的 SHIPRIGHT 系统，美国 ABS 开发的 SAFEHULL 系统，挪威 DNV 的 NAUTILUS 系统和法国船级社的 VERISTAR 系统 5等。在我国造船领域，有限元技术的发展始于 20世纪 70年代，经过多年的研究开发，一些专用
19、软件广泛的应用在船舶设计、计算中，对我国船 舶事业的发展作出了重大的贡献。 随着船舶尺度的大型化、船型的新型化，对大型船舶及新型船舶进行船舶结构有限元计算分析 6，是进行船舶结构设计必不可少的环节。在最近的十年里，由于计算机软硬件的大幅度发展，以及高性能有限元软件的开发应用，船舶结构计算的规模己经扩大到船体中部数个舱段的立体结构计算和整船结构的详细计算，船体结构的各个部分都能真实的反映在计算中，并且具有很高的计算精度 7。 有限元在船舶结构中的应用，使船舶结构分析上升到了一个新水平。利用有限元法可以相当准确并迅速的计算出船体的某种响应特性，解决了 许多过去无法解决的问题。船体结构的有限元计算已
20、经扩展到三维舱段立体结构计算或整艘船舶全部结构的有限元计算，船体各细部可以真实的反映在计算中，使结构应力计算达到相当的精确和详细程度 8。对于一些技术密集型船舶、高性能船舶、特种新型船舶，传统的船舶设计规范很难满足其设计需要，有限元方法就成为这类船舶结构设计必不可少的工具。对于这类技术密集型船舶结构设计的特殊要求，采用有限元方法进行结构分析是很有东海科学技术学院本科毕业论文 正文 4 必要的。 1.3 本文研究的主要内容 本文重点研究了如何运用 MSC.Patran/Nastran 进行布缆船（ FR31-FR83）结构应力分析的过程。根据中国船级社要求，建立了布缆船主体部分舱段模型。文中详细
21、阐述了模型建立与分析的整个过程，得出了各个工况模型的应力结果，对各种工况、下的应力结果进行分析总结，并对存在的问题及今后的进一步研究方向进行了展望。 2 有限元法基本理论 2.1 有限元法基本简介 2.1.1 基本原理 在工程技术领域内，对于力学问题或其他场问题，己经得到了基本微分方程和相应的边界条件。但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单且几何边界相当规则的少数问题。因此，人们多年来一直在寻求另一种方法，即数 值解法。 有限元法是一种新的现代数值方法。它将连续的求解域离散为由有限个单元组成的组合体。这样的组合体能用来模拟和逼近求解域。因为单元本身可以有不同的几何形状，且单元间能够按各
22、种不同的联结方式组合在一起，所以这个组合体可以模型化几何形状非常复杂的求解域。有限元法另一重要步骤是利用在每一单元内假设的近似函数来表示全求解域上未知场函数。单元的近似函数通常由未知场函数在各个单元节点上的函数值以及单元插值函数表达，因此，在一个问题的有限元分析中，未知场函数的节点值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题化为 离散的有限自由度问题。一经求出这些节点未知量，就可以利用插值函数确定单元组合体上的场函数。显然，随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，解答的近似程度将不断改进。如果单元满足收敛条件，得到的近似解最后将收敛于精确解。 有限元法的应用已由求解弹性力学平面问题扩展到空
23、间问题、板壳问题；由求解静力平衡问题扩展到动力问题、稳定问题；从线性分析扩展到物理、几何和边界的非线性分析；分析的对象也从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他领域。 2.1.2 有限元法基本思路 有限元法的基本思路是通过连续体离散化的方法，寻 求适应控制方程并满足边界条件和连续条件的数值方法。具体做法是：先将物体假想地分割 (离散化 )成许多小单元，各个单元由节点联结起来。对于每个单元，用节点未知量通过插值函数近似地表征单元内部的各种物理量，并使它们在单元内部以积分的形式满足问题的控制方程，从而将每个单元对整体的影响和贡献，转化到各自单元的节点上。然后将这些单元总装成一个整体，并使它们
24、满足整个求解域的边界条件和连续条件，得到一组有关节点东海科学技术学院本科毕业论文 正文 5 未知量的联立方程，方程解出后，再用插值函数和有关公式，求得物体内部各点所要求的各种物理量。 有限元法计算的基本步骤分 为三步： a)、整体舱段有限元强度分析，用于 评估货舱结构主要支撑构件的整体强度。 b)、详细应力评估，用细化网格评估高应力区域。c)、热点应力分析，用精细网格计算应力集中点的热点应力进行疲劳强度评估。 有限元分析是设计人员在计算机上调用有限元程序完成的。为此，必须了解所用程序的功能、限制以及支持软件运行的计算机硬件环境。分析者的任务是建立有限元模型、进行有限元分析并解决分析出现的问题、
25、以及计算后的数据处理。 有限元模型数据主要包括 : (1)主控数据，包括分析任务描述 (结构静力分析、模态分析、时程响应分析、非线 性分析、接触分析、弹塑性分析等等 )以及输出控制数据； (2)材料性质数据，包括材料的弹性常数、热膨胀系数、热传导系数、密度、极限强度等参数； (3)荷载数据，包括基本荷载模式、工况组合等； (4)有限元网格节点坐标数据； (5)单元类型及单元拓扑结构描述数据； (6)边界条件和连接条件数据等。 2.1.3 有限元模型建模准则 所谓建模就是根据工程分析精度要求，建立合适的能模拟实际结构的有限元模型。在连续体离散化及用有限个参数表征无限个形态自由度过程中不可避免地引
26、入了近似。为使分析结果有足够的精度，所建立的有 限元模型必须在能量上与原连续系统等价。具体地应满足下述准则 。 (1) 有限元模型满足平衡条件 。 即结构的整体和单元在节点上都保持静力平衡 。 (2) 变形协调条件 。 交汇于一点上的各元素在外力作用下，引起元素变形后必须仍保持交汇于一个节点 ； 整个结构上的各个节点，也都应同时满足变形协调条件 ； 若用协调元，元素边界上应满足相应的位移协调条件 。 (3) 必须满足边界条件 (包括结构边界条件及单元边界条件 )和材料的本构关系 。 (4) 刚度等价原则。有限元模型的抗弯、抗扭、抗拉及抗剪刚度应尽可能等价 。 (5) 单元能较好地反映 结构构件的传力特点，尤其是对主要受力构件，尽可能地不失真。单元内部所采用的应力和位移函数必须是当单元大小递减时有限元解趋于连续系统的精确解 ； 避免使用非收敛元，对于波动收敛元应慎用 。 (6)根据结构特点、应力分布、单元性质、精度要求及计算量大小仔细划分网格 。 (7) 在几何上要尽可能地逼近真实结构体，特别要注意曲线与曲面的逼近问题 。 (8) 仔细处理载荷模型，正确生成节点力，载荷的简化不应跨越主要受力构件 。 (9) 质量的堆聚应满足质量质心、质心矩及惯性矩等效要求 。 (10) 当量阻尼折算应符合能量等价要求 。
