1、 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 甲 板船的有限元强度校核 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： 目录 摘要 .1 Abstract .2 1.绪论 .3 1.1 论文研究的目的和意义 .3 1.2 关于 Nastran .3 1.3 国内外研究现状分析 .4 1.4 中国船舶工业发展近况 .6 2.甲板运输船强度计算有限元分析基本理论与方法 .7 2.1 有限元建模的准则 .7 2.2 边界条件的处理 .8 2.3 连接条件的处理 .8 2.4 有限元基本理论与方法 .8 2.4.1 弹性力学基本方程 .8 2.4.2 弹性力学基本原理
2、. 10 3. 142m 甲板运输船有限元强度计算分析 . 12 3.1 船体说明及概述 . 12 3.1.1 评估依据 . 12 3.1.2 图纸资料 . 12 3.1.3 主尺度 . 12 3.2 有限元模型 . 13 3.2.1 模型范围及描述 . 13 3.2.2 坐标系 . 14 3.2.3 边界条件 . 14 3.2.4 材料特性 . 15 3.3 计算工况和载荷 . 15 3.3.1 计算工况 . 15 3.3.2 舱内货物压力 . 15 3.3.3 舷外水压力 . 16 3.4 计算结果 . 17 3.4.1 许用应力 . 17 3.5 应力与变形 . 19 3.5.1 应力云
3、图 . 19 3.5.2 变形云图 . 37 4.总结 . 39 5.致谢 . 40 6.参考文献 . 41 浙江海洋学院本科毕业论文 摘要 1 甲板船的有限元强度校核 摘要 船舶结构的规范设计基本上以船体梁理论以大量经验公式为基础，存在一定的弊端和局限性。目前，对船舶结构强度进行直接计算方面的研究，基本上还限于舱段的模型，但是舱段模型的缺点是明显的。 本论文以一艘 142m 甲板运输船为对象，对于全船结构有限元计算方法及其过程中的各种问题进行了研究和探讨。 该船船体结构具有大跨度、长通舱、大开口等特点。由于这一系列的特殊性，采取规范的总强度计 算方法难以合理地评估船体强度，且采用舱段模型进行
4、直接计算也存在困难。所以有必要对船体结构进行全船的三维有限元计算分析。采用大型有限元计算软件 MSC/Patran、 MSC/Nastran， 对本船的变形和应力水平进行计算分析，确定船体结构的高应力区域，对船体结构的强度进行评估。 关键词 ： 有限元分析；结构强度；直接计算 浙江海洋学院本科毕业论文 Abstract 2 Finite element strength check of the deck ship Abstract On the whole, ship structural design often based on ship beam-theory and large nu
5、mbers of empirical formulas. There are much limitations and abuses in it. At the present time ,the researches on ship structural strength through direct calculation often focus on the model of part-cabin, but it has obvious faults. This thesis takes a 142m deck carrier as an example to have a resear
6、ch on the direct calculation of strength to the whole hull structure through FEM and various problems in the process. This ships structure has the features such as long span, big cabin and large deck-openings. Just because of this, its very hard for us to evaluate the ship structural strength, which
7、 based on whole strength calculation method. The calculation software MSC.Patran, MSC.Nastran are adopted to establish the model and analyze the distribution of deformation and stress, find out the high stress position in ship accurately, evaluate the ship structure strength completely. keywords ： F
8、EM analysis； hull strength； direct calculation 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 3 1.绪论 1.1 论文研究的目的和意义 世界经济和贸易的发展是促进现代运输船舶以空前速度向多样化发展的主要因素；港口和航道对船舶的限制以及社会发展对人命安全和环境保护提出愈来愈高的要求，均对船舶技术发展具有不可忽视的重要影响。自 70年代中期以来，世界造船业在经历了 10余年持续箫条之后，随着航运市场的回升，终于从 1988年底起走出谷底。各主要造船国家，经过对生产能力的调整，其技术水平达到了新的高度，并在新的基础上与市场需求相平衡，从而步入良性发展的轨道。自 70
9、年代中期以来，世界造船业在经历了 10余年持续箫条之后 ，随着航运市场的回升，终于从 1988年底起走出谷底。各主要造船国家，经过对生产能力的调整，其技术水平达到了新的高度，并在新的基础上与市场需求相平衡，从而步入良性发展的轨道。有限元法是一种在工程分析中常用的解决复杂问题的近似数值分析方法，以其在机械结构强度和刚度分析方面具有较高的计算精度而得到普遍应用，特别是在材料应力、应变的线性范围内更是如此。在船舶设计领域，越来越广泛地应用于船体结构的强度计算及校核。有限元分析的基本研究方法可以概括为 “ 结构离散 单元分析 整体求解 ”的过程。经过近 50 年的发展，有限元法 的理论日趋完善，已经开
10、发出了一批通用和专用的有限元软件。 Nastran 是当前国际上流行的大型结构有限元分析软件，广泛地应用于航空航天、船舶、建筑等行业，是一种通用程序，可以用它进行多种行业多种类型的有限元分析。结合 Patran 软件可以高效准确地建立分析结构的三维实体模型，自动或手动生成有限元网格，建立相应的约束及载荷工况，并自动进行有限元求解，对模态分析计算结果进行图形显示和结果输出，对结构的动态特性做出评价。它包括静力分析、屈曲分析、动力学分析、灵敏度分析、热传导分析和流 固耦合分析等众多功能模块。 1.2 关于 Nastran MSC Software 公司自 1963 年开始从事计算机辅助工程领域 C
11、AE 产品的开发和研究。 MSC Nastran 是 MSC Software 公司的旗舰产品，经过 40 余年的发展，用户从最初的航空航天领域，逐步发展到国防、汽车、造船、机械制造、兵器、铁道、电子、石化、能源材料工程、科研教育等各个领域，成为用户群最多、应用最为广泛的有限元分析软件。作为世界浙江海洋学院本科毕业论文 正文 4 CAE 工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件， MSC NASTRAN 的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域 ,并为用户提供了方便的 模块化功能选项 ,MSC NASTRAN 的主要功能模块有 : 基本分析模块 (含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管
12、理等 )； 动力学分析模块；热传导模块； 非线性分析模块； 设计灵敏度分析及优化模块； 超单元分析模块。 MSC Nastran 的开发环境通过了 ISO9001:2000 的论证， MSC Nastran 始终作为美国联邦航空管理局 (FAA)飞行器适航证领取的唯一验证软件。在中国， MSC 的 MCAE 产品作为与压力容器 JB4732-95 标准相适应的设计分析软件，全面通过了全国压力容器标准化技术委员会的严 格考核认证。另外， MSC Nastran 是中国船级社指定的船舶分析验证软件。世界制造企业 500强中有 420 家公司选择 MSC 软件。 2011 年 6 月 16 日， M
13、SC 软件公司宣布，与 Next Limit 科技公司建立战略合作伙伴关系，借助 XFlow 这一代表最新计算流体动力学（ CFD）发展水平的软件，为客户提供完整的仿真解决方案。 MSC.NASTRAN 是世界上功能最全面、性能超群、应用最广泛的大型通用结构有限元分析软件，也是全球 CAE 工业标准的原代码程序。在国际合作和国际招标中，成为首选的工程分析和校验工具。 能够 有效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、结构优化等问题。通过 MSC.NASTRAN 的分析可确保各个零部件及整个系统在最合理的环境下正常工作，获得最佳性能。 1.3 国内外研究现状分析 船
14、体强度是研究船体结构安全性的科学。自船体梁理论提出以来，它就一直主宰着船体总强度分析。该理论把整艘船简化为一根直梁，将其静置于波浪上进行分析，为得到强力构件的内力，还应采用应力合成的方法，即将构件的内力分为总弯曲应力和板架弯曲应力，分别计算后再进行合成。然而，船舶的实际结构及其受力是相当 复杂的，如存在着各种间断构件、不同的连接方式、货舱大开口、复杂的波浪载荷等 ;并且，实际构件的受力是多种因素共同作用的结果，将其人为地分开计算会带来较大的误差。设计建造单位为了保证安全，不得不规定较大的安全系数，从而导致材料的浪费和建造与营运费用的增加。所以，船体梁理论是比较粗略和不完善的。滚装船、散货船、集
15、装箱船等等大开口船，由于在船长范围内有大舱口，船体剖面变化显著间断，因此不能把船体当作一根等直梁来计算这类船的总强度，而需要有一种能够考虑非等直结构扭转响应的更加精确的船体梁分析方法。目前，国内外主要发展 以薄壁梁理论为基础的有限梁方法。 Widle 最早应用经典薄壁梁理论来计算集装箱船扭转浙江海洋学院本科毕业论文 正文 5 强度，他把船体货舱部分视为两端有翘曲约束的等断面开口薄壁梁，将首尾影响作为边界条件来考虑，但由于未考虑船体非棱柱的特点，以及用开口薄壁梁理论计算具有闭口剖面的船体强度，因此有较大的误差。考虑到船体的非棱柱性，现在大多数研究者都采用有限梁方法，即把船体离散为阶梯形薄壁梁段，
16、应用迁移矩阵法或一维有限元法进行计算。具有代表性的研究有 :Kawai、 Haslum、 Pedersen 等人。 Kawai 用经典薄壁梁理论推导出船体薄壁梁段的扭转刚 度矩阵，采用一维有限元法求解，但这种方法未考虑不同剖面间的协调问题。 Haslum 应用修正的薄壁梁理论，用迁移矩阵法进行计算，并首次提出不同剖面间的协调准则，但这种方法没有考虑船体剖面的扭转与水平弯矩的祸合。 Pedersen 也应用修正的薄壁梁理论，考虑了船体弯扭及轴向力，建立弯扭组合刚度矩阵，用一维有限元法求解，并在最小二乘法意义上保证不同剖面薄壁梁单元间的协调。目前，在前期设计阶段，薄壁梁理论仍起到一定的作用，但是对
17、于波浪载荷，薄壁梁理论采用确定性的方法，而波浪载荷是随机性的，因此这些由薄壁梁理论所得到的结 果有很大的局限性，不能对船体的各个部分给出较详细和准确的应力分布。随着计算机软硬件技术的发展，将整艘船划分为有限元来进行分析的全船分析有限元技术成为可能，船体总强度分析从此有了革命性的突破。全船有限元分析法将全船划分为若干个子结构，对于各主要构件按其受力状况分别以膜、壳、梁、析条等有限元单元来表达。这样可详尽地描述船体结构的各个细节，真实地表达出全船结构的协调关系与变化，通过大规模有限元分析求解，可以求出各主要构件的实际变形与应力。这种方法是目前船体强度分析最准确完善的方法。但由于其工作量很大、涉及许
18、多因素 ，并且对计算机软硬件有较高的要求，故它的应用尚不广泛。尤其在国内这方面的工作开展不多，船体总强度整船有限元分析的方法及手段也尚不完善。有限元软件是与有限元方法同时诞生的，并且随着有限元方法和计算机技术的发展而迅速发展。有限元软件就是有限元方法的计算机程序或程序系统，有通用和专用两种。前者通常是商业软件，优点是通用性强，格式规范，输入方法简单，用户无需特殊记忆也不需要太多的专业知识和计算机技能，解决问题领域宽，因而流行范围广，缺点是程序通常很大，因而开发成本高。专用程序的优点是程序相对较短，开发价格低，版本升 级相对容易，解决专门问题更有效。有限元方法是与工程应用密切结合，直接为工程设计
19、服务的，因此各种有限元结构分析程序，即有限元软件使有限元方法，转化为直接推动社会发展和科技进步的生产力，产生了巨大的社会和经济效益。有限元软件已经成为 CAD/CAM浙江海洋学院本科毕业论文 正文 6 不可分割的一部分。有限元软件的应用极大地提高了力学学科解决自然科学和工程中的力学问题的能力，成为力学工作者通向工程实践以及邻近科学领域的桥梁。 1.4 中国船舶工业发展近况 据 2006 年中国船舶制造行业研究报告及英国克拉克松研究公司对世界造船总量的统计数据，近年来我国 船舶工业发展迅速。 2005 年我国造船完工量 1212 万吨，新承接船舶订单 1699万吨，手持船舶订单 3969 万吨，
20、分别占世界市场份额的 17%、 23%和 18%，尤其是我国新承接船舶订单首次超过日本，位居世界第二。市场需求保持旺盛。由于 2005 年我国船舶工业承接新船订单再创历史记录，全年承接新船订单 1500 万载重吨。截止 05 年底，国内各船厂手持船舶订单 3760 万载重吨，同比增长 9%。随着进出口贸易和船队的迅速发展，中国的修船业得到了快速发展。根据船舶工业协会的统计， 2004 年，我国大中型修船企业总产值首次突破 100 亿元，预计 2005 年将接近 150 亿元。 2005 年全国规模以上船舶工业企业完成出口交货值 478 亿元，同比增长 47%。全年完工出口船舶 752 万载重吨
21、，同比增长 34%，占造船完工总量的 62%。船舶出口创汇显著增长。 2006 年上半年，全国规模以上 861 家船舶工业企业完成工业总产值 777 亿元，同比增长 36%。完成工业增加值 185 亿元，同比增长 33%。其中船舶制造企业 118 亿元，增长 33%;船舶配套设备制造企业 32 亿元，增长 45%:船舶修理及拆船企业 33 亿元，增长 24%。未来几年，世界经济总体趋势仍然乐观，中国经济继续 保持较高增速，带动全球海运量继续增长，国内、国际船舶市场需求持续旺盛。据预测， “十一五 ”期间，中国新船需求量为 3100 万载重吨，年均需求量约为 620 万载重吨。紧紧抓住本世纪头
22、20 年的重要战略机遇期，把中国建成世界第一造船大国、强国，是中国造船界的共同目标。以中国船舶工业 “国家队 ”两大船舶集团为例 :中国船舶工业集团公司 (CSSC)提出，到 2010 年，年造船产量要确保 900 万载重吨，力争 1000 万载重吨，进入世界造船集团 “三强 ”行列 ;中国船舶重工集团公司 (CSIC)提出，到 2010 年，年造船能力要达到 1000 万 载重吨。未来的 510 年，是中国船舶工业发展的重要战略机遇期。而紧紧抓住这一重要战略机遇期，把我国建成世界造船大国、强国，关键要看 “十一五 ”，己成为业内人士的共识。 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 7 2.甲板运输船
23、强度计算有限元分析基本理论与方法 有限元法是一种在工程分析中常用的解决复杂问题的近似数值分析方法，以其在机械结构强度和刚度分析方面具有较高的计算精度而得到普遍应用，特别是在材料应力、应变的线性范围内更是如此。在船舶设计领域，越来越广泛地应用于船体结构的强度计算及校核。有限元分析的基本研究方法可以概括为 “ 结构离散 单元分析 整 体求解 ”的过程。经过近 50 年的发展，有限元法的理论日趋完善，已经开发出了一批通用和专用的有限元软件。 Nastran 是当前国际上流行的大型结构有限元分析软件，广泛地应用于航空航天、船舶、建筑等行业，是一种通用程序，可以用它进行多种行业多种类型的有限元分析。结合
24、 Patran 软件可以高效准确地建立分析结构的三维实体模型，自动或手动生成有限元网格，建立相应的约束及载荷工况，并自动进行有限元求解，对模态分析计算结果进行图形显示和结果输出，对结构的动态特性做出评价。它包括静力分析、屈曲分析、动力学分析、灵敏度分析 、热传导分析和流固耦合分析等众多功能模块。 2.1 有限元建模的准则 有限元建模的总则是根据工程分析的精度要求 ,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的引入了近似。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。具体应满足下述准则 : 1) 有限元模
25、型应满足平衡条件。 2) 变形协调条件。 3) 必须满足边界条件。 4) 刚度等价原则。 5) 认真选取单元 ,使之能很好的反映结构构件 的传力特点 ,尤其是对主要受力构件应该做到尽可能的不失真。 6) 应根据结构特点 ,应力分布情况 ,单元的性质 ,精度要求及其计算量的大小等仔细划分计算网络。 浙江海洋学院本科毕业论文 正文 8 7) 在几何上要尽可能地逼近真实的结构体 ,其中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 ,同时载荷的简化不应该跨越主要的受力构件。 9) 质量的堆积应该满足质量质心 ,质心矩及其惯性矩等效要求。 10) 超单元的划分尽可能单级化并
26、使剩余结构最小。 2.2 边界条件的处理 对于基于唯一模式的 有限元法在结构的边界上必须严格满足已知的位移约束条件。例如：某些边界上的位移 ,转角等于零或者已知值计算模型必须让它能实现这一点。对于自由边的条件可不予考虑。 2.3 连接条件的处理 一个复杂结构常常是由杆 ,梁 ,板 ,壳及二维体 ,三维体等多种形式的构件组成。由于杆 ,梁 ,板 ,壳及二维体 ,三维体之间的自由度个数不匹配 ,因此在梁和二维体 ,板壳和三维体的交接处 ,必须妥善加以处理 ,否则模型会失真 ,得不到正确的计算结果。 在复杂结构中 ,还能遇到各种各样其他的连接关系 ,只要将这些连接关系彻底弄清 ,就嫩提高 写出相应的位移约束关系式 ,这些关系式我们称之为构件间复杂的连接条件 ,同时在计算中使程序严格满足这些条件。 应当指出 ,在不少实用结构分析有限元分析有限元程序中 ,已为用户提供输入连接条件的借口 ,用户只需严格遵守用户使用规定 ,程序将自动处理自由度之间的用户所规定的位移约束条件。 2.4 有限元基本理论与方法 2.4.1 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, 分别为表面力、体积力和位
