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： 73.6m 甲板驳船总纵强度有限元分析 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 1 绪论 .1 1.1 前言 .1 1.2 论文研究内容 .2 2 有限元法基本原理 .2 2.1 有限元法基本简介 .2 2.1.1 有限元法基本理论 .2 2.1.2 有限元法基本思路 .2 2.1.3 有限元模型建模 准则 .3 2.1.4 有限元模型性能指标 .4 2.2 有限元基本理论与方法 .4 2.2.1 弹性力学基本
2、方程 .4 2.2.2 弹性力学基本原理 .6 2.3 有限元法的应用 .7 2.4 MSC 软件介绍 . 10 2.4.1 前后处理有限元软件 Msc.Patran . 10 2.4.2 有限元分析软件 MSC.NASTRAN. 11 3 有限元建模方法 . 12 3.1 建模方法 . 12 3.2 模型网格划分 . 13 3.2.1 网格 . 13 3.2.2 网格密度 . 13 3.2.3 单元形状限制 . 13 3.2.4 网格过渡 . 13 4 驳船船体说明及有限元模型 . 14 4.1 图纸资料 . 14 4.2 主要参数 . 14 4.2.1 主尺度 . 14 4.2.2 船型及
3、用途 . 14 4.3 模型范围 . 14 4.4 坐标规定 . 15 4.5 边界条件 . 16 4.6 有限元结构说明 . 16 4.7 主要横剖面图及相应模型 . 17 5 计算工况和载荷 . 23 5.1 计算工况 . 23 5.1.1 满载时的工况 . 23 5.1.2 空载时的工况 . 24 5.2 船体受 到载荷情况 . 26 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 III 5.2.1 满载时的载荷情况 . 26 5.2.2 空载时的载荷情况 . 26 5.3COMPASS 装载计算表 . 27 6 有限元模拟 . 28 6.1 许用应力 . 28 6.2MSC 计算结果 . 29
4、6.3 应力位移云图 . 31 7 有限元模型分析结论 . 51 7.1 模型结果汇总 . 51 7.2 应力分布特征 . 51 7.3 变形位移规律 . 52 8 总结 . 52 致谢 . 53 参考文献 . 54 东海科学技术学院本科毕业论文 摘要 1 73.6 甲板驳船总纵强度有限元分析 摘 要 本文通过对甲板驳船为分析对象，利用有限元分析软件，先通过对 73.6 米的驳船船体进行有限元建模。在软件中通过节点和网格将船体主要钢结构构架起来，并附上属性，再考虑船舶实际航行工作时的各种主要工况，最后通过 Nnastran 的分析、计算，与并参照 中国船级社 钢质海船入级规范 2006， 校核
5、结构的应力、位移， 观察应力是否满足中国船级社入级要求，并 给出解决方案。 在船体总纵强度方面，通过上述方法可以方便、有效地得出结论：船体各主要板材、桁梁满足规范应力要求，结构设计合理。 关键词 强度校核 ； 甲板驳船 ；有限元分析东海科学技术学院本科毕业论文 摘要 2 Longitudinal strength FEM Analysis of 73.6m deck transports AbstractDeck barge for analysis using the finite element analysis software, finite element model is the
6、73.6 meters of the barge hull . Hull main steel frameworkted up by node and grid in software and along with property , then consider a variety of conditions in the actual navigation of the ship and finally through analysis and calculation of Nnastran . Consult the Specification of Seagoing Steel Shi
7、ps 2006 of China Classification Society , checking the structure of the stress and excursion, stress weather meet the China classification Society entry level requirements , and find solutions . By the above method the hull longitudinal strength can conveniently and effectively conclud : the hull of
8、 the main plate and truss meet the requirements of norms stress , structural design is reasonable . Key words strength check； deck transports； FEM analysis 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 1 1 绪论 1.1 前言 目前国 际大环境的影响，造船主要向以下几个大方向发展。第一，大型化。如集装箱船的平均吨位从以往数百箱发展到目前的近万箱，巴拿马型散货船从最初 6 万载重吨发展到 8 万载重吨， 30 万吨级 VLCC 大量使用，矿砂船开始研
9、究 50 万吨级的。第二，高速化。最近 15 年内， 1 万总吨以上船舶的航速平均提高 1kn 左右，高速客船、货船、车客渡船和集装船等开发更新，如航速 50kn 滚装高速五体型船、航速 38kn1400 箱快速集装箱船、航速 40kn1000 吨高速穿浪型货船等。第三，技术性能不断升级。首先，经济性明显提高，主要体现在船舶的燃料消耗量和 船员数量同步减少；其次，安全性、环保性有极大提高，避免一再出现的海损灾难，减少船舶对海水和大气的污染。第四，设计方法不断进步。直接设计计算法、船舶水动力性能预报与优化技术、新型高效低激振螺旋桨设计技术等广为应用。第五，制造技术不断创新发展。主要造船工序自动化
10、、壳、涂一体化的现代造船模式取代传统造船模式，而造船技术装备也在不断发展，如机器人和激光技术的普通应用等。第六，海洋工程装备深水化。现时发达国家研究开发的深海探测器工作水深已超过 1 万米，可到达世界任意海底，国外深水石油开采装备的工作水深早已超过 3000 米 。 17 虽然近年来，我国在造船完工量、手持订单量和新接订单量方面均位于世界前三位，但与世界造船强国日、韩相比，在“质”与“量”方面都存在着较大的差距，高端船市场目前还主要被日、韩、欧洲占有。本文主要研究的对象是 73.6 米甲板驳船的主体部分，通过软件对船体结构进行了分析，校核各种工况下的总纵强度，对现有船舶软件分析计算作一个参考。
11、 4 作为研究对象的运输船舶航行时承受着各种外力。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。 2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。 3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
12、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。 船舶 总纵强度计算 的过程实际上是一个科学的研究、论证的过程。在保证船体强度和满足使用要求的情况下，尽量降低建造成本。但绝对不能盲目地追求性能，至使船舶强度不够 ， 而导致船体损伤 ， 发生事故 。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 2 1.2 论文研究内容 文章以 73.6 米甲板驳船为主要研究对象，利用有限元分析软件，先通过对 73.6米的驳船船体进行有限元建模。在软件中通过节点和网格将船体主要钢结构构架起来，并附上属性，再考虑
13、船舶实际航行工作时的各种主要工况，最后通过 Nnastran 的分析、计算，与并参照中国船级社钢质海船入级规范 2006，校核结构的应力、位移，观察应力是否满足中国船级社入级要求，在船体总纵强度方面，通过上述方法可以方便、有效地得出船体各主要板材、桁梁满足规范应力要求，结构设计合理的结论。 2 有限元法基本原理 2.1 有限元法基本简介 2.1.1 有限元法基本理论 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。 6 有限元法是一
14、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
15、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，就可以得到的近似解最后将收敛于精确解。 58 有限元法的应用已由求解弹性力学平面问题扩展到空间问题、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
16、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。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 3 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
17、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、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.
18、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
19、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。
20、 (10) 当 量阻尼折算应符合能量等价要求。 (11) 超单元的划分尽可能单级化并使剩余结构最小。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 4 2.1.4 有限元模型性能指标 有限元模型是借助计算机进行分析的离散近似的模型。对于线性静力问题，它包括有限元网格的离散点组成的近似几何模型，由材料力学特性数据和单元刚度矩阵表达的变形应力平衡近似，以及外载荷近似和边界条件近似的总体。因此，即便理论模型是准确的，模型误差总是难免的。要控制和减小误差，有限元模型应满足下述性能指标： (1)可靠性：简化模型的变形和受力及力的传递等应与实际结构一致。例如，有限元模型中的 杆、梁、板 (壳 )、平面应力、平面应变
21、以及连接条件和边界条件等，均应与实际结构相符合。确定模型的可靠性可用下列准则判断 :物理力学特性保持 ;相应的数学特性保持。 (2)精确性：有限元解的近似误差与分片差值函数的逼近误差成正比。因此，在建立有限元模型时，应根据问题的性质和精度要求，选用一阶精度元，二阶精度元和高阶精度元等不同类型的单元。 (3)鲁棒性：其确切含义是指有限元方法对有限元模型的几何形状变化，对于材料参数的变化 (例如泊松比从接近不可压缩变成不可压缩 )以及对于从中厚度板模型变成薄板的板厚变化的依赖性 :也是 有限元法的可靠性对上述变化的敏感程度。 (4)计算成本的经济性：计算经济性问题不仅与算法的复杂性、算法结构、程序
22、的优化程序以及总的算术运算次数相关，而且在精度确定下，与有限元建模的质量有很大的关系。选用单元时，应尽量选取在顶点设置节点的单元。 除了节点自由度相对布置对计算效率的影响外，单元剖分全局性的疏密配置更为重要。如在应力集中部位，为达到好的计算效果，应该布置较密的网格，以刻画位移变化梯度较大的实际情况。 5自适应网格技术可以很好地解决全局疏密合理配置问题。 2.2 有限元基本理论与方法 2.2.1 弹性力学基本方程 弹性体 V 在表面力 , zyx pppp 和体积力 , qqqq yx 的作用下，任意一点产生位移为 , wvuf 。其中， zyx ppp , ， qqq yx , 和 wvu,
23、分别为表面力、体积力和位移沿直角坐标轴方向的三个分量。体内的应力状态由六个应力分量zxyzxyzyx , 来表示，其中 zyx , 为正应力， zxyzxy , 为剪应力。应力分量的矩阵形式称为应力列阵或应力分量 Tzxyzxyzyx , 。 弹性体内任意一点的应变可以由六个应变分量 zxyzxyzyx , 表示，其中zyx , 为正应变 , zxyzxy , 为剪应变。应变的矩阵形式为Tzxyzxyzyx , 称为应变列阵或应变向量。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 5 （ 1）平衡方程 对于一般三 维问题，弹性力学基本方程如下： 000zzyzxyyxyyxyxyzxyxqzyxqzy
24、xqzyx(2-1) 其矩阵形式为： 0 qL T (2-2) 其中 L 为微分算子矩阵。 （ 2）几何方程 对于线性弹性力学问题，应变和位移的关系为： xwzuywzvxvyuzwyvxu zxyzxyzyx , (2-3) 几何方程的矩阵形式为： uL (2-4) （ 3）物理方程 弹性力学中应力与应变之间的关系也称物理关系。对于各向同性线弹性材料，其矩阵表达式为 ： D （ 2-5） 其中 D 称为弹性矩阵，它由弹性模量和泊松比 确定。 （ 4）边界条件 弹性体 V 的全部边界为 S，在一部分边界上作用着表面力 , zyx pppP ，这部分边界称为给定力的边界，记为 S ；在另一部分边界上弹性体的位移 wvu , 已知。这部分边界称为给定位移的边界，记为 uS ，这两部分边界构成弹性体的全部边界，即 uSSS 所以弹性体的边界条件为： nmlpnmpnmlpzyzxyzzyyxyyzxyzxx（ 2-6）
