1、东海科技学院本科毕业论文 目录 I 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 6900DWT多用途货船总纵强度有限元模拟 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： 东海科技学院本科毕业论文 目录 II 目 录 摘 要 .1 Abstract .2 1 绪论 .3 1.1 前言 .3 1.2 论文研究的背景目的和意义 .4 1.3 本文研究的主要内容 .5 2 有限元法基本理论 .5 2.1 有限元法基本简介 .5 2.1.1 基本原理 .5 2.1.2 有限元法基本思路 .6 2.1.3 有限元模型建模准则 .7 2.1.4 有限元模型性能指标 .7 2
2、.2 有限元基本理论与方法 .8 2.2.1 弹性力学基本方程 .8 2.2.2 弹性力学基本原理 .9 2.3 有限元法的应用 . 10 2.4 MSC 软件介绍 . 13 2.4.1 前后处理有限元软件 Msc.Patran . 13 2.4.2 MSC.NASTRAN 有限元分析软件 . 15 3 有限元建模 . 16 3.1 建模方法 . 16 3.2 模型网格划分 . 17 3.2.1 网格 . 17 3.2.2 网格密度 . 17 3.2.3 单元形状限制 . 17 3.2.4 网格过渡 . 17 3.3 船体资料概述 . 18 3.3.1 图纸资料 . 18 3.3.2 主要参数
3、 . 18 3.3.3 模型范围 . 18 3.3.4 坐标规定 . 19 东海科技学院本科毕业论文 目录 III 3.3.5 边界条件 . 19 3.3.6 所建有限元结构模型说明 . 19 3.3.7 主要横剖面图及相应有限元模型 . 20 4 工况载荷及有限元模拟 . 26 4.1 工况载荷 . 26 4.2 有限元模拟 . 27 4.2.1 有限元模拟位移图 . 28 4.3.1 有限元模拟应力云图 . 29 4.4.1 梁单元应力分布云图 . 35 5 有限元模型结果分析 . 37 6 总结 . 38 致谢 . 39 参考文献 . 40 东海科技学院本科毕业论文 摘要 1 6900D
4、WT 多用途货船总纵强度有限元模拟 摘 要 本文探讨了有限元法的基本思路与理论方 法，建立了 6900DWT 多用途货船结构有限元模型，并就不同工况对模型进行了总纵强度分析。 参考中国船级社 钢质海船入级规范 2006、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，对计算结果进行分析，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。 关键词 : 多用途货船 ； 设计；强度校核 ；有限元分析 东海科技学院本科毕业论文 Abstract 2 FEM Simulation of Longitudinal St
5、rength for 6900DWT Multi-purpose Cargo Ship Abstract In this thesis, the foundational theory of Finite Element Method is introduced. A model of 6900t multi purpose cargo ship is built to analyze s in the four working. According to the Rules for classfication of sea-going steel ships2006、 Common Stru
6、ctural Rules for Bulk Carriers 2006、 A container ship structure strength calculation directly guide 2003, Analyzing whether the results satisfied the requirement of classification conditions of CCS, and provide solutions. Conclusion: the calculation results indicate that the design for the ship stru
7、cture is justified and the stress is satisfied the requirement of classification conditions of CCS. Key words: multi purpose cargo ship； design； strength check； FEM analysis 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 3 1 绪论 1.1 前言 多用途货船是一种既能载运普通件杂货，也能载运散货、大件货和一部分集装箱以及冷藏货的货船。它不仅可以装运干货，也可装运木材、矿砂、煤炭、钢材、谷物，从而，提高了海上货物运输效率。 多用途货船
8、通常为双甲板、尾机型和大舱口，并配有大起重量的回转式起重机，以装卸集装箱。 多用途货船 对货物品种适应性强， 营 运经济性较好。 近年来，由于国际航运市场竞争的日益激烈，各航运公司都希望船舶在投入营运后，能以较大的可变性，较低的闲置率来适应多变的市场，船东们往往也不再满足于一艘船舶仅能转载某种特定的货物，更甚至希望船 舶在同一航次中也能转载几种完全不同的货物，从而对传统多用途船的设计工作也提出了更高的要求 1。船东对船舶的性能和使用要求亦要提高，船舶的高技术和多用途化已成为趋势。然而，受金融危机影响，船价不断下跌，使得造船业中的竞争更加的剧烈。企业为了能在竞争中站稳脚跟，在竞争中求生存，降低造
9、船成本是一条必由之路。 2 随着国际间经济交往的加深、国际贸易以及航运技术的不断发展， 多用途船的 大型化趋势日益明显。全球投入运营的大型 多用途 运输船舶的数量与日俱增，在规模经济效益的驱动下， 多用途船的 大型化趋势已经引起了航运 界的广 泛关 注。 本文主要研究的对象是 6900 吨多用途货船的主体部分。 钢质运输船船体是用各种规格钢板和型材焊接而成，由船底、两舷、首端、尾端和甲板组成水密空心结构。船底有单底和双底结构，由船底外板（包括平板龙骨）、内底板和内底边板 (双层底结构的船有 )、纵向骨架、横向骨架等构件组成。船底骨架有横骨架式和纵骨架式两种。为了加强船体首尾结构 ,在首端有首柱
10、 ,在尾端设尾柱。船体内部设若干道舱壁，形成不同用途的舱室。船的首部和尾部设有防撞舱壁，分别形成首尖舱、尾尖舱，以保安全。船体垂直方向则用甲板和平台分隔，甲板少则一层，如油 船、散货船；多则十余层，如远洋客船。贯通首尾的最上一层水密甲板称上甲板。船体的强度须能承受船上的载荷和外界水压力，以及风浪中所产生的弯曲和扭转等应力。本文研究的 6900吨多用途货船为单甲板，双舷侧，双层底的钢质运输船舶。 整个多用途船舶“两头大、中间小”的趋势越来越明显，即 10000 载重吨级中小型多用途船日渐萎缩，定单持续减少； 20000 载重吨级以上的多用途船不断增加， 2000年统计有 288 艘，占总艘数的
11、18.2%，但载重量总计 1117.3 万 t，占总量进 1/2，且定单仍在增加；小型多用途船仍然占相当重要 地位， 10000 载重吨级以下多用途船共有917 艘，载重量总计为 455.2 万 t，分别占总量的 57.8%和 20.2%。 根据克拉克松公司统计， 1999 年世界多通途船队新增加多用途船为 208 万 dwt，占总载重吨的 9.5%，其艘数的增加占总数的 6.3%。从这个统计数据可以看出，国际新造多用途船的大型化趋势。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 4 虽然多用途船也表现出大型化的趋势，但并不像油船大型化那样明显，这主要是由于多用途货物难以形成稳定的大批量，因而大型类多
12、用途船的大型化受到比较大的限制。同时，小型类多用途船的大型化使得 10000 载重吨 20000 载重吨级船近几年比较兴旺。从近期的多用途船订单看，在未来一段时间内， 30000 载重吨 50000 载重吨多用途船仍将是建造的主流。 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定各个构件的适当尺寸。所谓适当尺寸，就是既要保证船体结构的安全，又要使得船
13、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。 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开口，有的在舷侧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。 船舶设计的过程实际上是一个科学的研究、论证的过程。在满足强度要 求的前提下 ， 优化结构设计。在选用船体构件材料规格时 ， 应注意从
14、经济性上考虑，在保证船体强度和满足使用要求的情况下，尽量减少船体结构重量 ， 从而减少空船重量 ， 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。 多用途货 船设计在满足规范的前提下 ， 才能尽可能多地以性能设计等方面为出发点，合理地布置，提高营运效益。同时在船舶设计中，要灵活运用有关规范，手册和工具书，综合运用所学专业理论知识，分析、解决工程设计实际问题；积极运用计算机辅助设计，通过 Compass、有限元等软件的应用，进一步 的优化船型。 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
15、成熟而精确的计算方法：有限元法 3。 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，港口、航道、桥梁等基础设施的建设，使得运输船舶的需求量大大增加。本设计主要进行的是 6900吨多用途运输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，对该甲板运输船舶进行加强，以满足该船舶在各种装载工况下的应力要求 。 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
16、被引入到船体结构东海科学技术学院本科毕业论文 正文 5 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 4。 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 5， 6。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
17、NAUTILUS 系统和法国船级社的 VERISTAR 系统 7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 8，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 9。 有限元在船舶结构中
18、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 10。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/Nastra
19、n 进行甲板运输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，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。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 6 有限元法是一种新的现代数
20、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，随着单元数目的增加，即
21、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
22、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。 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、
23、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； 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 7 (6)边界条件和连接条件数据等。 2.1.3 有限元模型建模
24、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界
25、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
26、性矩等效要求 。 (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。 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
