1、本科毕业论文（20 届）58 米甲板驳总纵强度直接计算所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 摘要I目录摘 要 .IAbstract .II1 前言 .12 有限元理论知识 .22.1 有限元法基本简介 .22.1.1 基本原理 .22.1.2 有限元法基本思路 .22.1.3 有限元模型建模准则 .32.1.4 有限元模型性能指标 .42.2 有限元基本理论与方法 .42.2.1 弹性力学基本方程 .42.2.2 弹性力学基本原理 .62.3 有限元法的应用 .73 船体结构模型 .113.1 船体说明 .113.2 有限元模型 .
2、133.2.1 模型范围 .133.2.2 材料 .133.2.3 模型 .133.2.4 载荷计算 .174 强度分析结果 .224.1 空载出港工况下的应力结果 .224.2 空载出港工况下的位移结果 .254.3 满载出港工况下的应力结果 .284.4 满载出港工况下的位移结果 .325 总结与展望 .355.1 结论 .355.2 展望 .35致谢 .36参考文献 .37本科毕业论文 摘要II摘 要58 米甲板驳一种特殊的货船，设备简单、吃水浅、载货量大，既可单独用于载运普通件杂货、木材、重大件货或散装货，又可用于载运集装箱或其他干货能力或同时载运多种货的船舶。驳船一般为非机动船，与拖
3、船或顶推船组成驳船船队，可航行于狭窄水道和浅水航道，并可根据货物运输要求而随时编组，适合内河各港口之间的货物运输。论文针对 58 米甲板驳基于力场展开有限元计算。论文工作主要包括：应用三维有限元软件建立 58 米甲板驳货舱区域模型；弯矩、静水压力、货物压载与自重压载 的载荷计算；分析自重、甲板货物、静水压力以及总纵弯矩等载荷对 58 米甲板驳模型的联合作用。论文研究结果对该 58 米甲板驳结构设计提供了设计参考。关键词 58 米甲板驳；静水压力；货物压载；有限元分析本科毕业论文 摘要IIIThe Direct Calculation of 58-meter-deck Scows Total L
4、ongitudinal StrengthAbstract58-meter-deck scow is a special cargo vessel, with characteristics of simple equipment, shallow draught, and high deadweight cargo capacity, which not only carry general cargo, lumber, heavy cargo and bulk cargo, but only carry container, dry cargo and various commodities
5、. Generally, barge is a kind of non-power driven vessel which is fit for narrow waterway and shallow water channel. Thus, it can be organized into groups at ant times, according to the demand of freightage, which make it suitable for freightage carried among all kinds of river ports.This thesis aims
6、 at discussing about the finite element calculation of 58-meter-deck scow on the basis of force field. It mainly about applying three-dimensional finite element analysis software to build the model of 58-meter-deck scows cargo holds area; load calculation of bending moment, hydrostatic pressure, car
7、go ballast and dead weight ballast; and analyzing the model of 58-meter-deck scows cargo under the combined effect of dead load, deck cargo, hydrostatic pressure and total bending moment. The research results of this thesis offer a useful reference for the structural design of 58-meter-deck scow. Ke
8、y words 58-meter-deck scow; hydrostatic pressure; cargo ballast; finite-element analysis 本科毕业论文 正文11 前言船舶是一项复杂的系统工程，它既是整个水运系统的一个分系统，受系统各方面的影响和约束，船本身又有许多子系统组成，这些子系统相互影响，相互制约，又存在相互矛盾，因而船舶设计是一个相当复杂的过程，是一门综合性技术。同时船舶又是一项技术复杂，投资大，使用期长的工程建筑物，其中的前期船舶计算分析至关重要。因此，船舶总纵强度计算必须持认真、慎重的态度。强度是船舶结构设计首先要考虑的问题。船舶结构强度计算
9、主要包含全船总纵强度计算和局部强度计算。总纵强度是校核船体的纵弯曲计算波浪条件下船体各横剖面内纵向结构构件的应力,并将它与许用应力进行比较以判定船体的强度。传统的船舶总纵强度计算常常仅对典型横剖面进行计算,通常需要进行多次近似计算才可以得到最终结果,而采用全船有限元建模的方式,船舶总纵强度的计算变得较为容易。本次毕业设计的主要内容包括：（1）在开始做毕业设计之前，先了解自己所要做的船舶，然后学习 MSC Patran有限元软件有关文献1在船体结构中的应用；（2）再将船舶所遇到的环境等情况考虑进去，然后分析坏境、载荷计算以及不同工况的选取；（3）观察船舶的 CAD 图纸了解其各个细微点，然后运用
10、有限元软件建立船体模型；（4）考虑好可能出现的载荷等，根据文献23并加以计算，然后在船体模型上附加载荷；（5）运用 MSC 计算，将有限元软件所得的结果进行分析和强度校核；（6）组织文字并出图撰写论文。本科毕业论文 正文22 有限元理论知识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单元组成的组合体。这样的组合体能用来模拟和逼近
11、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
12、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求解动力问题、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
13、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。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。本科毕业论文 正文3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
14、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) 有限元模型应满足平衡条件。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
15、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的边界条件)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等仔细划分网格。(7) 在几何上要尽
16、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) 仔细地处理载荷模型，正确地生成节点力，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本科毕业论文 正文4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
17、，有限元模型应满足下述性能指标。(1)可靠性：简化模型的变形和受力及力的传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
18、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、程序的优化程序以及总的算术运算次数相关，而且在精度确定下，与有限元建模的质量有很大的关系。选用单元时，应尽量选取在顶点设置节点的单元。除了节点自由度相对布置对计算效率的影响外，单元剖分全局性的疏密配置更为重要。如在应力集中部位，为达到好的计算效果，应该布置较密的网格，以刻画位移变化梯度较大的实际情况。自适应网格技术的应用可以很好地解决全局疏密合理配置问题。2.2 有限元基本理论与方法2.2.1 弹性力学基本方程弹性体 V 在表面力 和体积力 的作用下，任意,zy
19、xpp,qyx一点产生位移为 。其中， ， 和 分别为表面力、,wvuf zyx,wvu体积力和位移沿直角坐标轴方向的三个分量。体内的应力状态由六个应力分量来表示，其中 为正应力， 为剪应力。应zxyxzyx, zyx, zxyx,力分量的矩阵形式称为应力列阵或应力分量 。Tzyx,弹性体内任意一点的应变可以由六个应变分量 表示，其中zxyx,为正应变, 为剪应变。应变的矩阵形式为zyx, zxyx,称为应变列阵或应变向量。Tz,（1）平衡方程本科毕业论文 正文5对于一般三维问题，弹性力学基本方程如下：(2-1)00zyzxyxyxyyzxqq其矩阵形式为：(2-2)LT其中 为微分算子矩阵。
20、（2）几何方程对于线性弹性力学问题，应变和位移的关系为： xwzuyzvxyuzwyvxu xyx ,(2-3)几何方程的矩阵形式为：(2-4)uL（3）物理方程弹性力学中应力与应变之间的关系也称物理关系。对于各向同性线弹性材料，其矩阵表达式为（2-5 ）D其中 称为弹性矩阵，它由弹性模量和泊松比 确定。D（4）边界条件弹性体 V 的全部边界为 S，在一部分边界上作用着表面力 ，这部,zyxpP分边界称为给定力的边界，记为 ；在另一部分边界上弹性体的位移 已知。这wvu,部分边界称为给定位移的边界，记为 ，这两部分边界构成弹性体的全部边界，即uS所以弹性体的边界条件为：（2-6 ） nmlpl
21、zyzxzyyzxyzx其中 l ,m ,n 为弹性边界法外法线与三个坐标轴夹角的方向余弦。本科毕业论文 正文6弹性体位移边界条件为(2-7)wvu,以上是三维弹性力学问题的基本方程和边界条件，对于弹性力学平面问题、轴对称问题和板壳问题都有与之对应的类似方程和边界条件。2.2.2 弹性力学基本原理（1）虚位移原理虚位移原理，又称可能位移原理，它表达了弹性体平衡原理，它表达了弹性体平衡的普遍规律。利用虚位移原理可以推导出位移模式有限元公式。所谓弹性体虚位移是指满足变形协调条件和边界约束条件的任意无限小位移，可以用 来表示。wvu,虚位移原理表述了一个弹性体在外力作用下处于平衡状态，则对于任何约束允许的虚位移来说，外力所做的虚功。其表达式为：(2-8) WU其中 为内力的虚功， 为外力的虚功(2-9)dVdVUTvv zxyzxyzyx )( (2-10)dSpfdqfdSwpvuwfvufWsTTvv zysxzyx )()( （2）最小势能原理弹性体外力的作用下产生内力和变形，储藏在弹性体内的应变能为(2-11)vAdVUA 为应变能密度函数，可以证明 A 与应力、应变的关系如下(2-12)D对于线弹性体，上式积分得(2-13) 21AT外力的势能为
