1、东海科学技术学院本科毕业论文 正文 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于 nastran的舱口盖有限元计算 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 正文 目录 摘 要 . 3 ABSTRACT . 4 1.绪 论 . 5 1.1 论文研究的背景目的和意义 . 5 1.2 舱口盖强度计算方法研究现状 . 6 1.2.1 经验公式法 . 6 1.2.2 有限元法 . 7 1.2.3 舱口盖优化设计是其他应考虑的因素 . 8 1.3 本文研究的主要内容 . 9 2.舱口盖概述 . 9 2.1 引言 . 9 2.2 常见
2、船舶舱口盖分类 . 9 2.3 国内舱口盖制造业形势 . 11 3.基于散货船共同规范及应用的注意事项 . 13 3.1 规范对舱口盖得基本要求 . 13 3.2舱口盖的布置要求 . 13 3.3 舱口盖的载荷模型 . 错误 !未定义书签。 3.4 舱口盖的强度校核 . 14 3.5舱口盖的围板加强 . 14 4.舱口盖强度计算有限元方法理论 . 16 4.1 有限元法基本简介 . 15 4.1.1 基本原理 . 16 4.1.2 有限元法基本思路 . 15 4.1.3 有限元模型建模准则 . 17 4.1.4 有限元模型性能指标 . 18 4.2 有限元基本 理论与方法 . 20 4.2.1
3、 弹性力学基本方程 . 19 4.2.2 弹性力学基本原理 . 20 4.3有限元法的广泛应用 . 22 4.4 舱口盖结构有限元分析 . 25 5.优化分析 .27 5.1 优化设计简介 .27 5.2 优化软件现状 .27 5.3MSC 结构优化软件 .28 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 5.4 NASTRAN 输入文件 .28 5.5 舱口盖优化模型分析 .29 6.舱口盖结构强度有限元计算 . 32 6.1 船体及概述 . 32 6.1.1 评估依据 . 32 6.1.2 图纸资料 . 32 6.1.3 主尺度 . 32 6.1.4 结构形式 . 33 6.2 有限元模型 . 3
4、3 6.2.1 模型范围 . 33 6.2.2 坐标系 . 34 6.2.3 有限元边界条件 . 34 6.3 载荷计算 . 36 6.3.1 计算工况 . 36 6.3.3 模型载荷条件 . 36 6.3.3 许用应力与许用挠度 . 36 6.4 计算结果及分析结论 . 37 6.4.1 结构加强前计算结果 . 37 6.4.2 结构加强后计算结果 . 38 6.4.3 变形云图 . 43 7 结论 . 45 8 致谢 . 46 9 参考文献 . 47 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 基于 nastran 的舱口盖优化设计 摘 要 随着船舶工业的迅速发展，船舶结构优化设计成为造船界研究的
5、热点问题，结构优化设计方法也同时受到业界研究人员的广泛关注。在优化设计学科发展的初期，人们采用以数学为基础的结构优化算法来解决工程中的复杂组合优化问题，如梯度法，牛顿法等。这些传统的结构优化算法在其寻优过程中大多要利用到目标函数的导数值。而大型复杂结构优化问题中的 目标函数大都为复杂的多变量非线性函数，对于目标函数导数的求解相当困难，以至于传统结构优化方法具有一定的局限性。随着人工智能的发展，出现了许多独立于问题的智能优化算法，为解决复杂问题提供了新的思路和方法。这类算法被充分多个解验证后，错误概率可降到工程范围程度。 舱口盖的设计主要是采用有限元软件直接计算的方法，分析求解舱口盖结构相应区域
6、的应力和位移，然后根据规范要求修改有限元模型中的相关参数，如此循环反复多次，不断调整设计方案，直至使其满足安全性和经济性的要求为止。在此过程中，有限元模型的建立和修改费时费力，占 用了整个设计周期较大的比例。 为避免繁琐的手动建模过程以及高效的利用 MSC.NASTRAN 的优化功能，缩短舱口盖的设计周期。本文采用了 AutoCAD 和 PATRAN 的二次开发技术，开发了基于国内航行海船建造规范（ 2006）和钢质海船入级规范（ 2006）的舱口盖快速建模系统，实现了舱口盖有限元模型的参数化以及 NASTRAN 优化分析所需计算文件的自动修改。 计算实例表明本文开发的舱口盖快速建模系统稳定、
7、可靠、高效，具有实际应用价值。 关键词：舱口盖； NASTRAN；优化分析； PCL 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 BASED ON THE NASTRAN OF HATCH COVER OPTIMIZATION DESIGN ABSTRACT With the development of the shipbuilding industry, the optimization design of ship structure has been a popular study point, and the methods of structural optimization attrac
8、t a wide attention.In the early optimization study, the structural optimization algorithms based on mathematic, such as gradient method, Newton method, had been used to solve the complex combination optimum problems of engineering. Most of these traditional structural optimizing methods have to use
9、the derivative value of objective function in their optimization searching process. However, owing to most of the objective functions are complicated multivariable and nonlinear functions in the optimization of large scale and complicated structures, the derivative values of objective functions are
10、very hard to obtain, which induce the limitation of the application of the traditional structural optimizing methods. With the development of the artificial intelligence, a lot of intelligent optimization algorithms appeared, which provide new idea and method to solve complicated problem of optimiza
11、tion.Verified by large number of solutions, the error probability of this kind of algorithm could be reduced to engineering scope. At present, the hatch cover design is mainly based on specifications to determine the size of the hatch cover a variety of components using finite element software direc
12、t calculation method of analysis of the hatch cover structure for solving the corresponding region of the stress and displacement, and then seek to amend the standard finite element in the model parameters, and so on repeated several times, and continuously adjust the design until its safety and eco
13、nomy to meet the requirements of up. In this process, the finite element model and the modified time-consuming and laborious, taking up a large proportion of the entire design cycle. In order to avoid tedious manual modeling process as well as efficient use of the optimization function of MSC.NASTRA
14、N, shorten the design cycle of hatch cover. In this paper, the secondary development technology of AutoCAD and PATRAN has used, developed the hatch cover fast modeling system based on Rules for Construction of Sea-going Ships Engaged on Domestic Voyages 2006 and Rules for Classification of Sea-going
15、 Steel ships 2006, realized the hatch cover parameterized finite element model and the automatic modify of NASTRAN calculation file which is required in optimize analysis. The example shows that the hatch cover fast modeling system is stable, reliable,efficient, and has practical application value.
16、Key words： Hatch cover； NASTRAN； Optimal analysis； PCL 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 第一章 绪论 1.1 论文研究的背景目的和 价值 1.论文研究背景 随着经济的发展、社会的进步、全球化趋势日趋明显。随着经济全球化的不断发展，资源配置已经从一个工厂、一个地区乃至一个国家扩展到整个世界，社 会分工更加明显，远洋物流一直在不断壮大，船舶制造业正越来越受到广泛的关注。 舱口盖作为船舶结构上的重要组成部分，承受波浪涌上甲板时的水头压力载荷，肩负密封舱口，保护货物和支撑平台的作用。近年来，因舱口盖发生问题造成船舶沉没事故已有多起。因此，国际造
17、船界、各船级社都把舱口盖的设计列为重要热点问题之一。随着造船技术和航运市场的发展，船舶建造向大型化方向发展已成必然趋势，越来越多的船舶超过了原有规范的规定，需要利用有限元直接计算的手段来评估船舶结构的安全性。 在工程界，有限元法是应用最为广泛的数值分析方法之一。这 个方法在 20 世纪中叶首次应用以来，得到了充分的发展和应用。特别是近十余年来，随着个人计算机的普及，使得计算机硬件的费用大大降低；同时，计算机的运算速度也日益提高，越来越多的有限元程序可以在个人计算机上解决各种复杂的工程问题。 在有限元方法大量应用实践过程中涌现出了很多表现优秀、功能卓越的有限元软件。这些软件是力学家、数学家、工程
18、师以及软件开发人员的研究成果和汗水结晶。经过了大量科学工作者的不断完善和创新，以及几十年实践应用的考验。船舶工程中有限元方法的应用也有很大的发展，大量的有限元软件应用于船舶结构强度 、稳定性以及振动等方面的分析研究。其中就有国际著名的 MSC.Software 开发的大型通用有限元软件 MSC.Nastran。 MSC Software Corporation(简称 MSC)公司的软件产品以其在解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、（噪）声学、流体 -结构耦合、气动弹性、超级单元、惯性释放以及结构优化问题等方面的卓越表现，被广泛应用于包括国防、航空航天、机械制造
19、、汽车、船舶等大量行业和部门，用户遍布世界 100 多个国家和地区的主要设计制造公司和研究机构。 2.课题研究目的与价值： 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 “优化设计”概念是指在满足指定设计要求的前提下，自动修正被分析模型的有关参数，以达到所期望的目标。 船舶结构中舱口盖的设计是一个结构、强度、稳定的综合问题。传统的做法是通过多次试算、不断逼近最优解。在这个过程中，设计人员在很大程度上依赖经验和类比来进行设计，而分析人员则需要重复的进行修改模型、分析、校核，耗时多、周期长、工作量大。 NASTRAN 强大的优化分析功能足以解决当前舱口盖过程中的不足，通过其强大的优化分析功能省去工程师大量繁
20、琐而枯燥的反复试算调整参数的过程。 基于以 上原因，为综合以上多道工序，利用 NASTRAN 强大的优化分析功能，将该过程通过结构、强度和稳定共同参与的优化设计来实现，是非常有意义的工作。然而，目前与 Nastran 配套的前处理软件 msc.Patran 无法支持 Nastran 强大的优化功能。因此，如何高效地利用 Nastran，充分挖掘其计算能力是十分必要的。利用 MSC.Patran 自带的 PCL（ Patran Command Language）语言做相应的二次开发，进行参数化建模、定义优化设计任务、自动生成用于优化计算的 Nastran 卡片集，完成优化参数的设置，充分挖掘 P
21、atran 的前处理功能，利用 Nastran 的计算资源，进行舱口盖结构的优化设计，使舱口盖在满足结构安全性的同时，尽量降低制造成本有着重要的现实意义。 同时，为了高效地使用基本设计参数，利用 AutoCAD 的二次开发语言 VBA，对舱口盖在初步设计过程中的有用参数进行收集整理，供 PATRAN 读取建立有限元模型的同时也为优化变量定义了初值，提高了基本数据的利用率，缩短了有限元分析的时间。 1.2舱口盖强度计算方法研究现状 舱口盖是船舶货舱口的密封装置 , 它的主要作用是保 证波浪和雨水不侵入货舱。在中间甲板上设置舱口盖 , 还能用来分隔货物和防止下层货物被压损。 1所以 , 舱口盖要有
22、一定的水密性及坚固性。舱口盖的所受的主要力有货物的压力、侧向压力、海水压力等，另外还要考虑舱口盖腐蚀，海水上浪等各种因素。舱口盖结构不合理，势必使重量增加 ,造成材料浪费 ,制造成本增加，并导致船舶吃水增加，降低船舶运输的经济效率。所以 ,通常要进行多次分析试算 ,经过分析比较后得到一个初步的较为合理的结果。在正式校核舱口盖强度时 ,因为受变化的力较多 ,对于每一项变化的力都要进行强度校核，导致它的设计计算是 一个较为繁锁、复杂的问题。因此，对舱口盖势必进行优化结构 , 减少重量 , 提高产品的可靠性。 1.2.1 经验公式法 目前国内用于船舶舱口盖强度计算的近似公式法，大致可以分为两大类 6
23、:其中一类是根据我国船级社建造规范，采用一些经验公式来对设置在船上不同位置的舱口盖进东海科学技术学院本科毕业论文 正文 行强度计算。另一类为直接计算的方法。将舱口盖的受力构件简化为两端刚性固定的梁或简支梁进行强度计算。 石国桢等 2采用单调分析法对舱口盖进行优化设计，将舱口盖结构优化设计转换为约束优化问题，通过的紧约束和松约束的判断，而把模型简化为仅在紧约束条 件下进行，并把含有多个不等式约束的优化问题逐步为无约束优化问题求解 ,更特殊的是 , 若紧约束数等于变量数 , 则可直接由各显式求解 , 但该方法只适用于目标函数和约束函数 , 对规定范围内的变量具有单调性的情况。它的主要困难在于紧约束
24、 (多变量情况下 ) 的判断和显式表示。好在一般结构设计中都满足单调性要求 , 同时约束中的性能约束往往是不大于 1的正的单项式 , 这种形式利于判断紧约束和显式表示 , 因而用单调分析法求解是适合的。 张玉莲 3等采用二次规划的解析解法，优化方法为首先求队偶变量，在将对偶变量代入求的设计变量的 倒变量，然后求得原设计变量。优化模型首先考舱口盖是以中纵剖面为对称面的对称结构，建模时只需建半模。舱口盖主要由顶板、围板、纵桁、强横梁以及横梁组成。根据不同构件的受力特性，将纵桁、强横梁以及横梁用梁元来模拟，顶板、围板等构件用壳元来模拟。然后通过建立有限元模型进行计算优化。 徐昌文等 4认为几何规划在
25、舱口盖最小重量设计中有重要应用。几何规划是解广义多项式函数约束最优化的一个方法，它具有如罚函数法等一般非线性规划所不及的一些特点。通过上述对约束影响的分析，简化计算过程。根据稳定性和挠度两个约束的几何规划以及 满足对偶理论中的非负性、正规性、正交性条件求的优化参数。采用几何规划方法与其它最优化方法比较 , 即使对于舱口盖设计这一难度不很大的问题 , 凡采用穷举搜索的一般非线性规划都要假定初始变量值 , 调整参数 , 并对目标函数进行儿十次甚至二百多次的计算比较 , 而采用几何规划较为简单 , 且能提供一个解析的最优解。 1.2.2 有限元法 有限元法 17也称有限单元法或有限元素法，是计算机辅
26、助工程 CAE 的一种，有限元方法已成为工程结构分析中应用最广泛、最有效的数值方法之一。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。 李辉等 18采用 MSC.Nastran 进行船舶舱口盖强度分析，首先对舱口盖设计进行了问题的描述。他指出舱口盖的限位器是一种限制舱盖在舱口围移动、保证舱盖橡皮密封性的装置。当海水上浪 , 拍击舱盖侧板 , 限位器承受舱盖受到的水平方向作用力。因为限位器的布置受很多条件的制约 , 有时无法布置在大梁下 , 因此需要对限位器结构进行详细的强度计算
27、, 过去通常简化为梁系进行计算。梁的计算理论是基于假定结构的变形东海科学技术学院本科毕业论文 正文 完全由沿长度方向的位置函数来决定 , 当梁的横截面尺度小于结构典型轴向尺寸的 1/ 10 时 , 根据梁理论得到的结果才可以接受。因此 , 过去为了保证结构强度 , 都尽量使用比较复杂的加强结构 , 但这样就给施工带来很大麻烦 , 并且在狭小的施工条件下很难保证焊接质量。通过使用 MSC/ Nastran, 可以很好的对该装置进行结构优化设计。 陈方等采用 MSC.Partran 对舱口盖进行结构优化。按照 CCS 规定，建立舱口盖基本模型，有限元建立在笛卡尔坐标系中， X 轴沿船体纵向指向船首
28、， Y 轴沿船宽方向指向左舷， Z 向沿船体由船底垂直指向甲板。模型包括一个舱口所有舱盖板的顶板，横纵向桁材及桁材面板，小梁等主要构件。再通过计算载荷、边界条件对舱口盖进行受力分析，通过计算结果分析确定舱口盖的优化设计方案，为相应的船体结构的改进提供更全面的依据。 1.2.3 舱口盖优化设计其他应考虑的因 素 张恒等 5认为对舱口盖校核时还需考虑惯性载荷的影响。根据 RINA 船级社规范中关于舱口盖强度的要求，使用大型通用有限元软件 MSC/Patran 建立舱口盖结构有限元模型，计算迎浪和横浪状态下的集装箱惯性载荷以及风雨载荷，得 到在这些载荷作用下的舱口盖应力分布情况，并利用 CCS_to
29、ols 工具对屈曲强度进行校核 .最后提出了结构改进方案，讨论惯性载荷对舱口盖强度的影响。 施继康等 6对舱口盖设计提出了几个主要的技术问题。 （ 1）盖板的结构形式及其设计依据 以往设计的盖板结构采用横向结构形式为多，并以船检局颁布的钢质海船入级与建造规范为设计计算依据 , 其中对露天甲板舱盖计算负荷按不同部位分别按公式进行计算。 （ 2）舱盖的水密性 长期以来 , 国内设计与制造的货舱的盖密性问题，一直是各船厂存在的技术问题， 是交船时 的难题之一，未获得彻底的解决。实践证明采用麦基嘉专利技术所设计与 制造的货舱口盖的密性是十分可靠的。 （ 3） 舱盖的压紧装置 以往设计的货舱口盖所采用的
30、压紧装置是手动的螺栓式紧固装置，使用极不方便。 因此，有些船舶使用自动压紧楔。压紧楔的设置数量应符合船级社的要求 , 以此达 到盖板的对准及固定。亦有一些船舶的货舱口盖设计还采用快速压紧器装置 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 1.3 本文研究的主要内容 （ 1）、根据图纸和要求建立散货船舱口盖有限元模型； （ 2）、基于共同规范确定计算的典型情况，进行加载分析； （ 3）、通过对比各个结果，得出各 受力情况条件下的计算结果并进行分析。 2 舱口盖概述 2.1引言 舱口盖（以下简称舱盖）是船舶上的重要组成部分之一。舱盖是货舱甲板开口的关闭装置。它肩负着密封舱口，保护货物和部分支撑平台的作用。
31、舱盖本体多为大型钢结构 , 配备的附属装置为机械加工构件，驱动及操控方式多种多样。舱盖的强度和密性，影响到船舶的安全性；舱盖的开关方式，影响到装卸货物的时间；舱盖本体、附件和驱动设备在船舶造价中占有相当比例，关系到船舶的经济性。为此舱盖越来越被船级社、船东和船厂重视。 1 在全球民船总量中，大主 要船种为油船、散货船、杂货船与集装箱船。除油船外，散货船、杂货船、集装箱船占全球民船载重总吨一半以上共约 35000 艘。这些运输船上，货舱开口主要采用五大舱口盖形式，即单拉式 、折叠式、吊离式 、侧滚式和背载式 。我国近十年来，各大造船厂出口的 200 多艘货船舱口盖选型统计资料 ,也显示了这一特点。 2.2常见船舶舱口盖分类 单拉式舱口盖
