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： 7200DWT 多用途货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： 东海科技学院本科毕业论文 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 .3 2 有限元法基本理论 .3 2.1 有限元法基本简介 .3 2.1.1 基本原理 .3 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 .5
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 .7 2.3 有限元法的应用 .8 2.4 MSC 软件介绍 . 11 2.4.1 前后处理有限元软件 Msc.Patran . 11 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 . 14 3.2.1 网格 . 14 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 . 15 3.3 船体资料概述 . 15 3.3.1 图纸资料 . 15 3.3.2 主要参数
3、. 16 3.3.3 模型范围 . 16 3.3.4 坐标规定 . 16 3.3.5 边界条件 . 17 3.3.6 所建有限元结构模型说明 . 17 东海科技学院本科毕业论文 目录 III 4 工况载荷及有限元模拟 . 23 4.1 工况载荷 . 23 4.2 有限元模拟 . 25 4.2.1 软件计算结果汇总 . 25 4.2.2 有限元模拟位移图 . 27 4.2.3 有限元模拟应力云图 . 29 5 有限元模型结果分析 . 41 6 总结 . 42 致谢 . 44 参考文献 . 45 东海科技学院本科毕业论文 摘要 1 7200DWT 多用途货船总纵强度有限元分析 摘 要 随着船舶 大
4、型 化发展， 有限元计算分析 已经成为 船舶结构设计必不可少的环节 ，不仅可以确定结构规范设计的合理性，同时可以有效指导结构的优化设计 。 论文根据毕业设计任务书的要求，应用 MSC.Patran/Nastran 有限 元计算软件研究了 7200DWT 多用途货船船体模型的建立以及总纵强度有限元分析。主要研究内容包括以下几个方面：建立有限元计算模型；确定计算载荷工况；实现总纵强度计算；完成应力与位移计算结果分析。结果显示 7200DWT 多用途货船总纵强度计算的应力满足中国船级社入级要求。 关键词 : 多用途货船 ； 强度校核； 有限元分析 ；总纵强度 东海科技学院本科毕业论文 Abstrac
5、t 2 Finite Element Analysis of Longitudinal Strength for 7200 DWT Multi-purpose Freighters Abstract With the development of modern large-scale ship, the finite element calculation has turned into the essential operation during the ship design, which can not only determine the reasonableness of struc
6、tural design based on rules, but also direct the structure optimization design effectively. According to the assignment of graduation project， the finite element software MSC.Patran/Nastran is used to accomplish the longitudinal strength calculation of 7200 DWT multi-purpose freighters. In the paper
7、, firstly the finite element model is established, secondly the load cases are determined and brought to the model, then the longitudinal strength calculation is achieved, finally the stress and displacement are analyzed. The results show that the stress of longitudinal strength calculation meets th
8、e requirement of classification conditions of CCS. Key words: Multi-purpose freighters； Strength check； FEM analysis； longitudinal strength东海科技学院本科毕业论文 正文 1 1 绪论 1.1 前言 随着美国金融危机的爆发，加上欧洲各国的经济不景气，世界经济贸易形式势已经发生重大了改变，进而导致世界贸易海运量增长减缓，引发国际航运市 场动荡。面对充满变数的航运市场，船东们订造新船时最为关注的是何种船型运营风险较低而盈利能力较高，而多用途船就是在世界贸易形势捉
9、摸不定、海运形势动荡多变的形势下产生的，是一种载运“不确定性”货物，扩大船舶使用范围、适应不断变化形势的船型。因此，在目前这尚不明朗的世界经济贸易形势下，多用途船将是船东们较为理想的运营船型之一 6。 多用途船是指具备多种运载功能， 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 多用途船 .多用途船属于中小型船舶，由于货物杂、批量小，因此船舶的载重量不会很大， 现今的多用途船的载重量大多在 10000t - 30000t 之间；同时，航速方面，多用途船的航速分布范围较宽，低的只有 12kn，高的超过 19kn。 结构布置 通常为双甲板、尾机型和大舱口，并配有大起重量的
10、回转式起重机，以装卸集装箱。对货物品种适应性强，营运经济性较好。 船舶设计更加强调设计人员的综合素质及专业能力。 随着科学技术的进步，新船型和新的造船技术在不断发展，对船舶设计 产生 很大的影响。在计算机和信息技术高速发展的带动下，船舶设计发生了很大的变革 1；在海事方面，为了进一步保障海上人命安全和防止造成环境污染 ，国际公约和规则、政府制定的法规以及船级社的建造规范都有许多更新的完善 ， 这些对船舶设计提出了更高、更新的要求。 本次毕业设计即针对航行于近海航区的多用途集装箱船进行结构设计 1。在认真分析母型船资料的基础上，主要进行性能和结构两方面的设计，其中前者主要是校核船舶初稳性是否符合
11、相关规范和浮态情况，包括编制静水力计算表、绘制静水力曲线图、重量重心计算并最终确定船舶总布置正式图；后者主要是依据 1998和 2006钢质海船建造规范设计船舶主船体和上层建筑的主要构件的尺寸并进行总纵弯曲校核。 多用途 运输船舶的发展大致 经历了舟筏、木帆船和蒸汽机船三个阶段，现在处于以柴油机为基本动力的钢船时代。 运输船舶按用途可分为货船和客船， 以及客货兼载的客货船 。 运输船舶的主体，为旅客、船员以及货物、动力装置和油、水等物料提供装载的空间 8。 本文主要研究的对象是 7200DWT多用途货船的主体部分，主要以在甲板上装运集装箱、货舱内装货等不燃的货物为主。 钢质运输船船体是用各种规
12、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。横骨架式结构由肋板（横向构件）、中桁材（位于船底纵向中心线处的纵桁 ,又称中内龙骨）、旁桁材 (位于船底纵向中心线两侧的纵桁 ,又称旁内龙骨 )等构件组成 ;纵骨架式结构减少肋板数 ,但增加船底纵骨。两舷由水密的舷侧外板和加强东海科技学院本科毕业论文 正文 2 它的骨架（肋骨和舷侧纵桁、纵骨等）组成。为了加强船体首尾结构 ,在首端有首柱 ,在尾端设尾柱。船体内部设若干道
13、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。安装主机、辅机及其附属设备的机舱一般设在船中部 或尾部，相应的船型称为中机型或尾机型。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 2 3。 本文研究的 7200DWT多用途货船为单甲板，双舷侧，双层底的钢质运输船舶。 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
14、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 11 28。 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 7200DWT 多用途
15、货船总纵强度有限元分析 。 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 14。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 16。 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
16、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, ABAQUS, 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 3。 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
17、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，有限元法东海科技学院本科毕业论文 正文 3 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、以及船舶结构强度的评估等方面 6。 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 4 5。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 SHIPRIGH
18、T 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 6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 7，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
19、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 8。 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 9。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
20、文研究的主要内容 本文重点研究了如何运用 MSC.Patran/Nastran 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 11。 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
21、方法，即数值解法 15。 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东海科技学院本科毕业论文 正文 4 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
22、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
23、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 18。 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
24、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、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
25、件和连接条件数据等。 东海科技学院本科毕业论文 正文 5 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 21。 (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
26、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
27、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 。 (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 14 19 23。 (1)可靠性：简化模型的变形和受力及力的传
28、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、程序的
