1、东海科学技术学院本科毕业论文 目录 I 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 6000DWT 多用途货船总纵强度计算分析 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 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 .4 2.1 有限元法基本简介 .4 2.1.1 基本原理 .4 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
2、.5 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 .9 2.4 MSC 软件介绍 . 12 2.4.1 前后处理有限元软件 Msc.Patran . 12 2.4.2 有限元分析软件 MSC.NASTRAN . 13 3 有限元建模 . 14 3.1 建模方法 . 14 3.2 模型网格划分 . 15 3.2.1 网格 . 15 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 . 16 3.3.1 图纸资料 . 16 3.3.2 主要
3、参数 . 16 3.3.3 模型范围 . 17 3.3.4 有限元建模 . 17 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 III 3.3.5 主 要横剖面图及有限元模型 . 18 4 计算工况和载荷 . 22 4.1 坐标规定 . 22 4.2 边界条件 . 22 4.3 计算工况 . 22 4.4 各工况加载图 . 23 5 有限元模拟结果汇总及分析 . 25 5.1 有限元结果分析 . 25 5.2 空载位移云纹图 . 28 5.3 满载应力云纹图 . 31 5.4 满载位移云 纹图 . 35 5.5 有限元结果分析及结论 . 38 6 总结 . 39 致谢 . 40 参考文献 . 41 东海
4、科学技术学院本科毕业论文 摘要 1 6000DWT 多用途货船总纵强度计算分析 摘 要 论文简单介绍了多用途 货 船的结构特点、分类和发展趋势 。然后， 参考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，根据毕业设计任务书要求，应用 MSC.Patran/Nastran 软件， 建立了 6000DWT 多用途货船的有限元模型，进行了不同载荷工况模拟，完成了 总纵强度 计算 。最后，对应力和位移进行分析， 结果显示 该船 在各载荷工况下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 东海科学技术学院本科毕业论文 Abs
5、tract 2 Longitudinal Strength Calculation of 6000 DWT Multi-purpose Ship Abstract In this paper, the structural characteristics, classification and development trend of multi-purpose ship are introduced briefly. And in base of the reference of Common Structure Rules (CSR) for Bulk Carriers 2004 and
6、Direct Strength Analysis of Container Ship 2003, according to the assignment of graduation project, the following work are finished with the finite element software MSC.Patran/Nastran, which include the model simulation of 6000 DWT multi-purpose ship, the determination of different load cases and th
7、e longitudinal strength calculation. Finally, the stress and displacement is analyzed and the results satisfied the requirement of classification conditions of CCS. Key words: multi-purpose ship； strength check； FEM analysis； longitudinal strength东海科学技术学院本科毕业论文 正文 1 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
8、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。 随着世界 航运业竞争日趋激烈 , 对船舶的性能和使用要求亦愈加提高 , 船舶的高技术化和多功能多用途化已成为趋势。然而 , 受东南亚金融危机影响 , 船价不断下降 , 使得造船业中的竞争更加剧烈。企业为了能在竞争中站稳脚跟 , 在竞争中求生存 , 降低造船成本是一条必由之路 。而多用途货船 由于该船型具有货舱开口大、采用高效装卸货物系统、可装运多种 货物、港口适应性强的优点 , 所以该船型自 60 年代后期问世以来 , 深受船东青睐。近年来 , 世界各航运大国
9、更是竞相发展 , 在其船舶性能与设备系统上不断改进 , 该船型属于高附加值船舶。 多用途货 船 1是指具备多种用途功能的船舶。广义的说，凡能装运两类以上货物的船舶都可称多用途船。不过，一般所讲的多用途船是特指多用途干货船。干货的品种很多，按其对船舶性能及设备等的要求可归纳成五类，即件杂货、散货、集装箱、重大件货及滚装货。所以多用途船的目标，就是高效率地载运这五类货。多用途船是进入 60 年代以后世界各主要造船国家竞相发展起来的。 目前，多用途船力求向广泛多用性方向发展，按其对货类的载运能力来分析，建造的多用途船主要可划分成四类： 1）以载运集装箱为主的多用途船； 2）以运输重大件、特长件为主的
10、多用途船 ； 3）兼运集装箱及重件货的多用途船，这类船将上述两类多用途船的特点和功能结合在一起； 4）兼运集装箱及重货、滚装货的泛多用途船。 多用途船的最基本要求是如何高效率地载运多种货类。由此，构成多用途船相应的一些特点。 1）大多数多用途船从载运多种类型货物的方便性出发，设置两层甲板。有的船为适应装运汽车和不宜重压货物的需要，设置多层甲板或活动甲板。多用造船的机舱绝大多数在尾部，对于机舱布置在尾部确有困难的船舶，才将机舱适当前移。 2）多用途船的型宽常比普通货船要大，因多用途船常装运甲板集装箱或甲板货以提高载货能力， 故从稳性要求需取较大的船宽。型深主要从装运的货物对舱容的要求出发，大多数
11、从装运集装箱所需的层数出发确定，亦即考虑集装箱的高度、层数、必要的间隙及舱口围板高度等来确定型深。 3）多用途船一般均设置舷边舱，且多作压载舱用，舷边舱主要形式有如下三种：（ 1）设于甲板间。（ 2）设于大舱内。 （ 3）设于整个舷侧。 在整个世界经济快速发展的背景下，中国的经济也在飞速的发展，船舶行业特别是船舶运输在经济的发展中起到了非常巨大的作用 随着世界造船市场竞争日趋激烈，主要依靠要素投入的发展方式将难以为继，必须转变粗放型发展方式，按照 中国特色新型工业化的要求，走内涵式发展道路。要把降本增效作为应对风险的基本措施，引东海科学技术学院本科毕业论文 正文 2 导企业深入挖潜，苦练内功。
12、 应该 大力推进总装造船、数字造船，应用先进工艺方法，提高生产效率，降低能耗物耗。 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。 在经济全球化的今天，国际造船业已发展成为全球一体
13、化市场，世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务等全方位的角逐。随着全球船舶市场占有率的竞争日趋激烈，世界造船业在技术、体制上发生了重大改革，其中造船技术的发展尤为突出，从最初的焊接技术到大型生产流水线等新技术的成功应用，到现阶段信息集成系统、并行工程、敏捷造船、先进制造模式等先进技术或理念在船舶制造业中 广泛应用，使船舶行业凸显成为信息密集、技术密集和资金密集的现代新型产业。世界经济贸易的发展促进了国际航运业的发展，新型船种的需求量猛增，给造船行业带来了难得的机遇，创造出了历史上最好的商机，给船舶产业注入了新的有利条件。 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
14、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的 矩形开口，有的在舷侧亦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。 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
15、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 2。 1.2 论文研究的背景目的和意义 本设计主要进行的是 多用途货船 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，对该多用途货船进行加强，以满足该船舶在各种装载工况下的应力要求 。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 3 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
16、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。 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
17、、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。 随着船舶尺度的大型化、船型的新型化，对大
18、型船舶及新型船舶进行船舶结构有限元计算分析 4，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 7。 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
19、的精确和详细程度 8。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/Nastran 进行多用途船结构应力分析的完整过 程。根据中国船级社要求，建立了多用途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。 东海科学技术学院本科毕
20、业论文 正文 4 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。 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
21、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
22、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
23、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、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。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 5 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
24、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)边界条件和连接条件数据等。 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 。 (1) 有限元模型满足平
25、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 ；
26、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。
