1、东海科学技术学院本科毕业论文 目录 1 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 某散货船甲板的稳定性分析 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 2 目 录 摘要 . 4 1. 绪论 . 6 1.1.船舶甲板稳定性研究的意义 . 6 1.2.国内外对船舶甲板稳定性的研究状况 . 6 1.3.船舶甲板稳定性研究的相关问题 . 9 1.4.船舶甲板稳定性研究的解决方式 . 9 1.5.本甲板稳定性论文的研究工作 . 10 2. 有限元的基本介绍 . 11 2.1.有限元概述 . 11 2.2.有限元论的历史 . 12
2、2.3.有限元基本理论与方法 . 12 2.4.有限元建模准则 . 18 2.5.有限模型性能指标 . 19 3. 甲板稳定性观点的引入 . 20 3.1.计算构件强度破坏的设计观点 . 20 3.2.稳定性的设计观点 . 20 3.3.稳定性与结构强度的关系 . 20 3.4.稳定性的等强度设计 . 20 3.5.稳定性与极限强度衡准的关系 . 21 3.6.极限强度衡准公式的选择 . 21 3.7.船中区域强力甲板的稳定性储备 . 21 3.8.实船计算结果分析 . 22 4. MSC.PATRAN 软件 . 24 4.1.MSC.PATRAN 软件介绍 . 24 4.2.MSC.Patr
3、an 的一般使用流程 . 25 5. 模型的建立与分析校核 . 27 5.1.对有限元计算的检验 . 27 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 3 5.2.甲板模型稳定性分析 . 31 5.3.区域甲板模型的有限元分析 . 37 6. 设计总结 . 41 7. 致 谢 . 42 【参考文献】 . 43 东海科学技术学院本科毕业论文 摘要 4 某散货船甲板的稳定性分析 摘要 在散货船的设计过程中 ,不少人对规范中衡量甲板构件的稳定性有过某些疑问 ,但未能用数值给予定量地论证。本文从设计观点出发 ,提出了甲板构件稳定性的等强度设计观点 ,即依据规范对甲板局部强度和总纵强度衡准的要求 ,分别用不同的
4、方向和大小的力对甲板构件进行稳定性设计。运用这一新 的设计观点 ,并采用现行的设计方法运用MSC.Patran/Nastran 软件 +对规范中衡量甲板构件的稳定性再一次进行了探讨。通过分析和数学计算 ,得到了衡量甲板构件稳定性可定量地与规范中的规定进行较。 关键词 ： 舰船；结构强度；甲板稳定性；极限强度的衡准； MSC.Patran/Nastran 软件东海科学技术学院本科毕业论文 摘要 5 Grab hopper dredge mechanism design Yu Jingjun School of Naval Architecture and Civil Engineering, Z
5、hejiang Ocean University, Zhou Shan, Zhejiang 316004 Abstract: The paper presents a new viewpoint of designing the stability of the deck - supporting members by the equal strength designing and makes a further discussion on the stability criteria of the deck - supporting members and the ultimate str
6、ength. By analyzing and calculating obtain the new criteria which can scale the stability of the deck - supporting member and the ultimate strength of the forward and after area of the hull, can be obtained, which can be compared quantificational with the criteria in the standards. Key words : ship
7、; structure strength ; stability criteria ; ultimate strength criteria ; MSC.Patran/Nastran东海科学技术学院本科毕业论文 正文 6 1. 绪论 1.1. 船舶甲板稳定性研究的意义 船舶是浮动的水上工程构物，随着用途的不同，其种类繁多，型式多样，大小不一。如油船、散货船、集装箱船等等。而 甲板 (deck)是船体的重要构件，是船舶结构中，位于内底板以上的平面结构，用于封盖船内空间，并将其水平分隔成层。甲板是船梁上的钢板， 如上甲板、第二甲板、第三甲板 。稳定性是重要的计量性能之一，示值的稳定是保证量值准确
8、。随着全球经济的飞速发展，船舶数量的快速增加，船舶事故逐渐凸显出来。近年来伴随科技的高速飞升， 工程中各种结构物、机械系统不断向着复杂、高速、高精度方向发展 。船舶的稳定性问题越来越引起船舶科研、设计、建造和航行部门的重视。船舶甲板作为船体结构的重要组成部分，在船舶设计阶段就能准确地计算其稳定性，并在整体设计过 程中加以有效的运用对于船舶的可靠性设计具有指导意义。 1.2. 国内外对船舶甲板稳定性的研究状况 船舶结构稳定性问题是船舶结构设计中的重要问题，受到船舶结构力学工作者的高度重视。由于板架结构是船体结构的主要组成部分，它们直接关系到船体的总纵强度，所以板架结构的压缩极限强度是设计人员十分
9、关心的。 长期以来，船体总纵强度采用经典的线弹性理论，假设船体断面上的垂向弯曲正应力为线性分布，当离开中和轴最远处的构件中的应力达到材料的屈服应力时，所对应的断面弯矩就是始屈弯矩。对于给定的材料，始屈弯矩是由断面的最小模 数确定的。而在国内外船级社的规范中通常并不直接给出始屈弯矩的显式，而是代之以最小断面模数的要求。因而大量国内外学者专家都有卓越贡献。其中； 1 综述了船舶甲板板架稳定性的研究现状 ,内容涉及板架和加筋板的弹性稳定性、弹塑性稳定性、动力屈曲、可靠性和优化设计等 ,并对今后的研究作了进一步的展望。船舶结构稳定性问题是船舶结构设计中的重要问题 , 历来受到船舶结构力学工作者的高度重
10、视。 2 综述了板在稳定性方面的最新进展 ,包括矩形板、圆板和环形板。并对该领域的研究工作进行展望 ,为同行提供了参考。 3 介 绍有限元法可以计算各种复杂和不规则的板架。这种方法考虑了各种实际存在的复杂因素。甲板板架稳定性可以采用通用有限元程序计算 , 但有时初步设计只要简单近似计算 ;有时优化设计 , 需要多次迭代 ;如有简单的适用某类板架的专用或通用解析、半解析公式东海科学技术学院本科毕业论文 正文 7 或专用程序 , 则提高设计效率和质量还是很有用的。这引起了造船界工作者的关注 ,是一个研究热点 4讨论了板架稳定性的有限元计算 ;推导了变截面梁元的刚度矩阵和稳定矩阵 ;探讨了结构稳定性
11、特征值问题的求解 , 特别是非正定的情况 ;采用了特征值分离法、自动分块高斯消去法和分块迭代三者结 合的解法所编的程序 , 可计算阶数达 1 千到 2 千阶的任意形状的不则板架的稳定性 , 并能精确地确定失稳形状。甲板板架稳定性计算中的一个重要问题是纵骨间长矩形板的屈曲和有效宽度问题。 5对有限元法进行了相关介绍。 有限元法也称有限单元法或有限元素法，是计算机辅助工程 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
12、重大的贡献 。至今，亦已成为船舶 设计中常用的一种方法。 由于船体结构的特殊性，有限元方法在稳定性计算中往往需要考虑一些特殊的因素。局部模态的处理。对于复杂的上层建筑结构，不可避免地存在着许多局部模态，这些局部模态会给计算结果带来较大的影响。主从自由度方法的应用可以较好地解决这一问题。文献介绍了有效地应用主从自由度方法对船舶结构总体振动和局部振动性能进行有限元计算分析。 6 从设计观点出发 ,提出了甲板构件稳定性的等强度设计观点 ,即依据规范对甲板局部强度和总纵强度衡准的要求 ,分别对艏、艉和船中区域的甲板构件进行稳定性设计。运用这一新的 设计观点 ,并采用现行的设计方法对规范中衡量甲板构件的
13、稳定性和极限强度的衡准再一次进行了探讨。通过分析和数学计算 ,得到了衡量甲板构件稳定性和艏、艉区域船体极限强度的新的衡准 ,可定量地与规范中的规定进行比较。 7 讨论了作为强力甲板的大跨度甲板板架的纵向受压稳定性计算方法，指出传统的线性计算方法偏于保守。提出了大跨度甲板板架的稳定性分析和优化设计思路，并以某大跨度简单板架为例采用非线性方法进行了纵骨与强横梁的组合优化分析。实例证明了在保证甲板稳定性的前提下，适当提高纵骨刚度可以较大程度的降低横梁必要 刚度，从而减轻结构重量，提高材料利用率。 8本文对载重 23000t 无限航区散货船甲板强度进行了稳定性校核。按照散货船共同结构规范要求进行有限元
14、建模并确定外载荷，通过有限元计算并对原设计结构进行优化改进，以满足规范的强度要求。通过计算甲板主要支撑构件的屈曲应力，验证了优化结构的合 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 8 9 运用迁移拒阵法进行甲板板架稳定性分析 , 并用分级优化方法作结构最小重量设计。整个设计计算仅借助可编程序计算器自动完成。 10 主要研究了船体结构中受压板架为稳定性 (屈曲 )以及压缩极限强度问题。由于加筋板是船体板架 的重要组成部分，因此本文首先对加筋板中的板、筋的局部屈曲以及加筋板的整体屈曲等问题进行了理论分析和计算。在以上研究过程中，为了使研究结果更具有实际意义，充分考虑了影响屈曲强度的各种因素，如板和筋之间
15、的相互作用，焊接残余初始应力及初挠度、载荷的偏心等。最后，在以上研究的基础上，对船体甲板结构的各种可能的失稳模式进行了综合的讨论和分析，得出计算甲板压缩极限强度的一套简化计算方法，并且用该方法编制了具有工程实用价值的计算程序软件。 11 利用理论分析方法对大开口船舶板架结构的开口区域纵向构件受力状况和开口边缘筋条侧倾稳定性进行了分析和计算 ;对于大开口船舶板架中影响其稳定性的结构因素进行了研究 ,提出了在压缩载荷下大开口板架的补强方法。选取了一个典型船舶板架结构对于开口和未开口板架进行了稳定性计算 ,最后计算了经过补强的板架结构 ,证明了该文提出的补强措施是非常有效的。 12根据有限元法编制了
16、求解平面板架稳定性的通用程序。它的特点是能解决纵骨尺寸、间距 ,横梁尺寸、间距都不同的不规则板架的稳定性问题。所附的算例表明该程序是合理可靠的。用本文编制的有限元程序不仅能解决平面板架的稳定性问题 ,还能解决平面刚架的稳定性问题 ,具有广泛的适用性。 13 应用有限元分析软件 MSC. NASTRAN 建立了板梁结合的 3D 大型舰船甲板结构有限元模型 ,计算了其模态 ,并对计算结果进行了分析 ,说明了其产生的原因。 14采用多项式位移函数建立压杆的刚度矩阵，采用逆迭代法求解板架结构单向受压时面外屈曲的欧拉应力和失稳波形。探讨了该位移函数的误差，并提出考虑材料物理非线性的两种处理方法 15 讨
17、论了作为强力甲板的大跨度甲板板架的纵向受压稳定性计算方法，指出传统的线性计算方法偏于保守。提出了大跨度甲板板架的稳定性分析和优化设计思 路，并以某大跨度简单板架为例采用非线性方法进行了纵骨与强横梁的组合优化分析。实例证明了在保证甲板稳定性的前提下，适当提高纵骨刚度可以较大程度的降低横梁必要刚度，从而减轻结构重量，提高材料利用率。 16 运用迁移拒阵法进行甲板板架稳定性分析 , 并用分级优化方法作结构最小重量设计 . 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 9 整个设计计算仅借助可编程序计算器自动完成。 17提出大型集装箱船甲板稳性的问题，基于 S-N 曲线提出分析方法，对某 8530TEU 集装箱
18、船上的典型甲板结构进行稳性分析，并将计算结果与船级社规范推荐方法计算的结果相比较，得到有益结 论。 18 主要研究了船体结构中受压板架为稳定性 (屈曲 )以及压缩极限强度问题。由于加筋板是船体板架的重要组成部分，因此本文首先对加筋板中的板、筋的局部屈曲以及加筋板的整体屈曲等问题进行了理论分析和计算。在以上研究过程中，为了使研究结果更具有实际意义，充分考虑了影响屈曲强度的各种因素，如板和筋之间的相互作用，焊接残余初始应力及初挠度、载荷的偏心等。最后，在以上研究的基础上，对船体甲板结构的各种可能的失稳模式进行了综合的讨论和分析，得出计算甲板压缩极限强度的一套简化计算方法，并且用该方法编制了具有工程
19、实用价 值的计算程序软件。 1.3. 船舶甲板稳定性研究的相关问题 在船体结构中， 构件的间断往往是不可避免的。间断构件在其剖面形状与尺寸突变出的应力，在局部范围内产生急剧增大的引起的应力集中。应力集中是导致结构破损的一个重要原因，所以在船舶甲板稳定性研究中必须重视这个问题。其次弦外两侧波浪静水压力也不容小觑的。 1.4. 船舶甲板稳定性研究的解决方式 有限元在船舶 稳定性模型 中的应用，使船舶 甲板稳定性 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。 在船体结构的设计过程中，不 是采用哪一种方法就可以控制好结构稳定性，而是要
20、根据实际情况，采用其中一种或者多种，甚至其他的方法来进行控制，只要能够达到控制要求及满足有关规范或标准就是好的控制方法。 在船舶工业研究领域，除了各大船级社推出的各自集成的设计计算系统，目前国内主要采用的有限元分析软件大多是引进国外生产商的大型通用有限元结构分析软件，主要有 MSC.Patran/Nastran, ANSYS, ABAQUS, SESAM 等。这些程序己被广泛运用到船舶结构分析的各个领域，并己取得了一定的成就。 用常规有限元方法进行求解时，要得到满足工程 要求的较高阶固有特性，单元必须划分得足够小，以致结构有限单元模型的自由度数目相当大，有时还由于单元尺寸过小而导致单元模型属性
21、的丧失。在结构动应力的计算中，常规有限元方法精度低，很难得到令人满意的结果。因此，如何用有限元方法来提高结构动应力计算的精度，至今还是一个有待于进一步研究的问题。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 10 1.5. 本甲板稳定性论文的研究工作 论文研究了船体甲板构件稳性分析的计算方法，主要研究内容包括以下几个方面： （ 1）从不同质地甲板、不同构建形式和相同条件下不同大小和方向的的力的作用下的稳性计算和分析。 （ 2）船体甲板稳性计算有限 元理论与方法，学习了有限元方法在板结构动力学分析中的理论和方法应用，主要有有限元基本理论、稳定性方程、板结构的刚度矩阵和质量矩阵计算、固有载荷的计算等。 （ 3）应用大型有限元计算软件 MSC.Patran/Nastran 完成了甲板的稳定性分析，包括Patran 软件模态分析功能学习、甲板稳定性的有限元建模与计算、甲板稳性的计算结果分析等。
