滚装船的弯扭强度全船有限元分析
某汽车滚装船甲板结构的有限元计算分析
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某 汽 车 滚 装船 甲板 结构 的 有 限 元 计 算 分析 —— 时光 志 刘 家新
方案 ３ 取 消所 有 的纵骨 ， 中４０ ０ｍｍ 处纵 。 距 ０
１ ２ ３ 网 格 的 划 分 ． ．
桁 和支柱 处强 横梁 及 中纵桁 ： 土 ＿ ＿
辆／。 ｈ 它实现 了从发货 单位 到收货单 位 的“ 门” 门一 直 接运 输 ， 少 了运输 过 程 中的货 损 和 差错 。 因 减 此， 汽车滚 装船成 为迅速 发展 的新 型船 舶 。 汽 车滚 装船 船 体结 构 的特 点是 甲板层 数 多 ，
一
１ 利 用 ＡＮＳ Ｓ进 行 建模 和 分 析 Ｙ
档设 置一 强横梁 ， 分别 在 ＃６ 、 ６和 ＃８ 舯３ ４ ＃７ ８距
８ ０ｍｍ 处对 称设置 ６ 支柱 ， ０ 根 纵桁 及纵骨 间距 如 图 １ 一侧 ） 示 。 构形 式及构 件尺 寸拟做 ３种设 （ 所 结
般有 ２ ～６层 。为使车 辆在 舱 内通 行无 阻 ， 货舱
内不 设 横舱 壁 ， 内支 柱也 很少 ， 舱 因此 ， 滚装 船 的
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交 通 与 计 算机
２ ０ 年 第 ６期 第 ２ 卷 总 １ ９ ０７ ５ ３ 期
某汽车滚装船 甲板 结构 的有限元计算分析
时 光 志 刘 家新
（ 汉理工 大学 武 摘 武汉 ４０６） ３０ ３
要 由于 滚 装船 对 甲板 强 度 具 有 较 高要 求 ， 际 设 计 过 程 中需 要 对 其 进 行 认 真计 算 和校 实
甲板强横 梁 上 甲板纵桁 普通 横梁
甲 板 纵 骨
上 Ｉ６ ６ ×３ ×５ ５
Ｉ ６ ３ ×５ × ６ ５
船舶轴系扭转振动有限元分析及求解
有限元法的基本思想是“化整为零 ”,即化复杂的不规则的整体为有限个单元的集合 体 ,以一定程度的近似为代价求出扭振系统的数值解 。具体地说 ,借助于有限元法 ,可以把 一个复杂的连续体看成是若干个基本离散单元的集合体 ,对扭振而言 ,有限元法使连续的扭 振问题变成一个有限自由度系统的振动问题 ,从而使得问题可以借助于线性方程组求解 。
一 引 言
船舶柴油机动力装置轴系的扭转振动是影响该动力装置安全运行的重要动力性能之 一 ,也是当前柴油机推进装置的重要故障原因之一 ,世界多数国家的船舶检验机构规定 ,超 过 150马力的内燃机动力装置必须进行扭转振动计算和测量 ,中国船舶标准化技术委员会 专业标准也有类似的规定 。目前 ,扭转振动计算方法有多种 ,计算的内容是进行系统的自由 振动和强迫振动计算 。自由振动计算的方法很多 ,如 Holzer法 、Tolle法 、Tepckux法等 ,以往 以 Holzer表格法应用较多 ;强迫振动计算多采用能量法 、放大系数法 。本文主要在 matlab7. 0环境下采用直接求解法求解自由振动 ,采用振型叠加法求解强迫振动 。matlab是近年来 开始流行的实用性工程数学计算软件 ,它以矩阵为计算基本单元 ,本文利用其强大的矩阵计 算功能进行轴系扭转振动计算 。
k1
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- k1 k1 + k2 - k2 …
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K= … … … … …
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… - kn - 2 kn - 2 + kn - 1 - kn - 1
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0… 0
- kn - 1
kn - 1
对单支系统 ,矩阵带宽为 3;
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧
1.确定准确的边界条件：在进行有限元分析之前，必须确定准确的边
界条件，包括施加在结构上的载荷和约束条件。
载荷可以来自于船体自重、海浪、风力等，而约束条件则取决于结构在实际使用中的支撑方式和边界。
2.适当的网格划分：将船体结构划分为有限元网格时，需要平衡网格
密度和计算的效率。
网格应该足够细化以准确地刻画结构的几何形状和应
力分布，但过度细化会导致计算时间过长。
3.材料力学性质的准确建模：船舶结构通常由多种材料构成，每种材
料都有不同的力学性质。
在有限元分析中，必须准确地建模材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等参数，以获得准确的应力和变形结果。
4.船舶结构的非线性分析：船舶结构在承受大量载荷时可能会发生非
线性行为，例如材料的塑性变形、变形引起的刚度变化等。
在分析中，可
以使用非线性有限元分析技术来模拟这些行为，例如使用非线性材料模型
或考虑接触和接缝等。
5.动态分析考虑：船舶结构通常在动态环境中运行，例如在海浪、船
舶振动等影响下。
因此，在分析中需要考虑结构的动态响应。
可以采用模
态分析、动态响应分析等方法来评估结构在不同动态情况下的强度。
6.结果验证和后处理：在完成有限元分析后，应对结果进行验证。
这
可以包括与实验数据的比较、与规范要求的比较等。
同时，还需要进行合
理的后处理，以便更好地理解结果，例如绘制应力云图、应力集中区域以
及确定最薄弱的部位。
有限元法在船舶检验工作中的应用研究
有限元法在船舶检验工作中的应用研究
有限元法在船舶检验工作中的应用研究主要涉及以下几个方面的内容：
1. 结构强度分析：有限元法可以用于预测船体结构在不同工况下的强度性能，包括静态和动态载荷的作用。
通过模拟实际工况，分析预测船体在不同海况下的受力情况，从而评估船体结构的强度和疲劳性能。
这对于船舶的设计、制造和维护非常重要。
2. 液体动力学分析：有限元法可以用于模拟船舶在水中的流体动力学行为，包括水动力性能、阻力、推进性能、漂移和操纵性能等。
通过分析这些参数，可以优化船体设计，提高船舶的性能和效率。
3. 隐写分析：有限元法可以用于模拟船体结构中的隐蔽缺陷和损伤，如腐蚀、裂纹等。
通过对这些隐蔽缺陷进行分析，可以评估其对船舶结构强度和安全性能的影响，并制定相应的维修和保养计划。
4. 冲击和碰撞分析：有限元法可以模拟船舶在碰撞、冲击等意外事件下的结构反应。
通过模拟这些事件，可以评估船体在不同情况下的受损程度，提供决策依据，以减少事故的发生和减轻损失。
5. 涡激振动分析：有限元法可以用于模拟船体在行驶过程中产生的涡激振动现象。
通过分析这些振动现象，可以优化船体设
计，减少振动对船体结构的影响，提高船舶的安全性和舒适性。
总之，有限元法在船舶检验工作中具有广泛的应用，可以用于模拟和分析船舶结构的强度、水动力性能、隐蔽缺陷、冲击和碰撞等各个方面，为船舶设计、制造和维护提供科学的依据。
8530TEU集装箱船全船弯扭强度和舱口角疲劳强度分析
１ 引 言
通常 ， 大型集装箱船 舱 口宽度达到甚至超过船 宽的 ８ ％， 口长度达到舱壁间距的 ９ ％， ５ 舱 ０ 这使得 全船 的扭转刚度远低 于常规船型。而 ８５０Ｔ Ｕ ３ Ｅ 集装箱船 的横 向开口尺度接近船宽 的 ９ ％， ０ 甲板两 侧仅靠各 ２２ 宽的甲板条承担 ３０１ 长船舶的纵 ． ｍ ２ Ｉ Ｔ 向弯 曲和扭转强度。由于 ８５０Ｔ Ｕ集装 箱船 的 ３ Ｅ 超大尺度及其长大 开 口的特性 ， 结构设计必须充分 考虑在各种集装箱 载荷条件下 的结构强度和变形 ， 包括静水弯矩 、 波浪诱 导垂直弯矩 、 水平弯矩 、 扭矩 及货物扭矩等 。在波浪和货物载荷联合作用下， 船
体垂直弯曲、 水平弯曲和扭矩叠加 ， 使得船体的结构 强度和变形问题非常突出。并且在舱 口角等重点受
力区域 ， 应力集 中现象 比较 明显 ， 结构疲劳强度也成 为关注的焦点 。因此 ， 有必要进行全船结构有限元 分析 ， 准确计算船舶的波浪诱导载荷水平 ， 分析全船 弯扭强度 ， 以及进行舱 口角热点的疲劳强度分析 ， 验 证其是否满足一定的疲劳寿命要求 。
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８５ ０Ｔ Ｕ 集装 箱 船 全 船 弯 扭 强度 ３ Ｅ 和 舱 口角 疲 劳 强度 分 析
胡志强 李润培 秦洪德 杜忠仁 余小川 ， ， ， ， ， 张 磊 楼丹平 唐 永生 ， ， ， 钱宏毅
（． １ 上海 交通 大学， 上海 ２ ０ ３ ；２ 沪 东中华造船 （ 团） 限公 司， ０００ ． 集 有 上海 ２ ０ ２ ） ０ １９ 摘要 ：８５ ０Ｔ Ｕ集装 箱船的船长和船舱大开 口宽度都显著超 过国 内船厂 以往 建造 的集装箱船 ， ３ Ｅ 因此对该 船的波 浪诱 导载荷 、 全船弯扭强 度 ， 以及舱 Ｉ角的疲劳强度都作了认真研究 。研究 中建立全 船有限元模 型 ， 分析波浪 ＝ Ｉ 用来 诱 导载荷 ， 计算船体结构 应力水平等。在此基础上 ， 取 ３ 选 个典 型的舱 Ｉ角 ， 立精细 有限元模 型 ， 用热 点应力 ＝ 建 Ｉ 利 法， 计算舱 口角热点应力 范围和热点 疲劳 寿命 。最 后总 结 出该集 装箱船 的全船 弯扭 强度 和舱 口角疲 劳强 度的 特
船舶关键部件静强度及疲劳寿命的有限元分析方法
工程应用船舶物资与市场 510 引言船舶设计是海洋航运技术的一个非常重要的部分，也非常昂贵。
对于特殊类型的高科技船舶，设计的成本约为70%。
中国目前是造船大国，但就产品匹配速度、生产过程和自主创新速度而言，中国船舶与世界水平的差距巨大。
为了确保船舶的可靠运行和耐久性，需要进行可靠性分析。
在计算应力时，损耗强度和产品寿命通常通过增加允许安全系数而增加。
本文的主要功能是对船舶进行三维建模，并对主干和承载梁等关键部件进行静态强度分析。
1 有限元分析的基本方法1.1 建立有限元模型通常有2种方法：直接法和间接法。
直接法：通过直接使用结构化元素法创建分析模型；间接法：首先创建分析对象的几何模型，然后导出单独的最终模型。
间接法是最常用的建模方法，适用于节点多、单元多的复杂结构。
1.2 设置边界条件限制必须确保整体自由度为0。
限制方法必须支持与组件的实际状态匹配。
可以选择固定弹簧、接触、硬连接来模拟许多实际约束。
限制应服从对称边界限制，荷载的应用包括表面荷载、中心荷载和体荷载。
在施加荷载时，应记住荷载单位必须均匀。
1.3 模型解算选择求解类型，如线性常力、条件静力、响应、弯曲或谐响应分析；然后根据解的类型设置适当解的输出并开始求解。
2 有限元分析与疲劳寿命分析方法的异同船舶关键部件静强度及疲劳寿命的有限元分析方法石义杰（中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214400）摘 要 ：船舶构件力学性能测试与分析可大大提高船舶主要部件的生产工艺。
同时，可以对船舶主要构件的疲劳强度。
使用有限元进行寿命分析，从而快速检测和改进薄弱环节，降低制造船舶主要构件的成本。
本文将利用有限元程序和疲劳分析对主要船舶部件的疲劳强度和寿命进行分析，为今后的船舶设计和生产提供参考。
关键词：船舶；有限元；强度；疲劳寿命中图分类号：U661.43 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2019.11.016［引用格式］石义杰.船舶关键部件静强度及疲劳寿命的有限元分析方法[J].船舶物资与市场,2019(11):51-52.收稿日期：2019-10-12作者简介：石义杰（1989-），男，本科，工程师，研究方向为船舶结构设计。
船舶结构的强度分析
船舶结构的强度分析船舶作为一种重要的水上交通工具，其结构的强度对船舶的安全和运行能力至关重要。
船舶结构的强度分析是对船舶结构在不同负荷情况下的性能进行评估和预测的过程，它在船舶设计、制造和运营中起着重要的作用。
一、船舶结构的强度要求船舶结构的强度要求是为了确保船舶在各种复杂的工作条件下仍能够承受各种力学载荷，并保持结构的完整性和稳定性。
船舶在航行中会受到来自波浪、风力、潮流等外部力的作用，同时还要承受自身的结构重量以及载货量的影响。
因此，船舶结构的强度分析需要考虑这些作用力，并进行综合分析。
二、船舶结构的强度分析方法船舶结构的强度分析一般通过有限元分析方法来进行。
有限元分析是一种数值分析方法，它将结构划分为许多小的有限元，通过计算每个有限元的应力和应变，并进行相应的求解和模拟，从而得到结构的强度分布和整体性能。
有限元分析方法不仅能够更真实地反映船舶结构的受力状态，还具有较高的计算精度和计算效率。
三、船舶结构的强度分析参数在船舶结构的强度分析中，有一些重要的参数需要考虑，如材料的力学性能、船舶的尺寸和形状、载荷分布以及液体和气体的影响等。
不同的船舶类型和用途，其结构的强度要求和分析参数也会有所不同。
例如，客船和货船对结构强度的要求可能不尽相同，因此在分析时需要根据实际情况进行合理的选择和设置。
四、船舶结构的强度优化在船舶结构的强度分析过程中，一般会通过一系列的试验和仿真来验证结构的强度性能，并根据结果进行优化设计。
强度优化的目标是在满足强度要求的前提下，最大程度地减少结构的重量和成本，提高船舶的运载能力和经济效益。
优化设计可以通过调整结构参数、优化材料选择和改进制造工艺等途径来实现。
五、船舶结构的强度分析的应用船舶结构的强度分析在船舶领域广泛应用，可以用于新船舶的设计和建造，也可以用于现有船舶的评估和维修。
在新船舶设计过程中，通过结构的强度分析可以评估各种设计方案的可行性，并确定适当的结构参数和材料选择。
支线集装箱船整船强度和疲劳有限元分析
第50卷第1期2021年2月船海工程SHIP&OCEAN ENGINEERINGVol.50No.1Feb.2021DOI：10.3963//ion.1671-7953.2021.01.011支线集装箱船整船强度和疲劳有限元分析徐敏，汤明文，王旌生，宋夏，童晓旺(中国船级社规范与技术中心，上海200135)摘要:在分析URS11A和S34生效后的集装箱船整船屈服、屈曲要求的基础上，以1艘支线集装箱船为对象，计算得到目标船整船结构各个计算工况下的应力分布，完成整船屈服、屈曲强度评估和疲劳筛选及评估，分析发现支线集装箱船艄、醍非货舱区域结构和货舱区域的横向结构，以及整船重点区域的疲劳问题不容忽视。
在设计时，对上述区域结构应重点关注,必要时建议选择装载手册中最危险的工况开展整船屈服、屈曲和疲劳评估并作适当加强。
关键词:支线集装箱船;整船有限元;屈服;屈曲;疲劳中图分类号:U661.43文献标志码:A文章编号：1671-953(2021)01-042-5时有发生的集装箱船海损事故,催生了ICS 新URS11A和S34[1]的生效。
集装箱船作为运输集装箱的专用船舶，为满足航速及装箱数的需求，其设计特点为货舱大开口和狭长的舷侧结构，导致整船的抗扭刚度降低，扭转效应在船体总纵强度中的比例增大，使得易在舱口角隅产生应力集中。
为了考虑弯扭效应，目前对于290m及以上的大型集装箱船(2-)，各大船级社都强制要求进行整船有限元分析以确保整船结构的安全性$而中小型支线集装箱船并非强制，一般只要求进行描述性规范校核和货舱段强度分析。
这些要求对舱口角隅等局部位置和艄舵结构强度评估时有一定的局限性，给轻量化设计带来风险。
此外，船东对中小型支线集装箱船安全性也越来越重视。
综合这些因素,考虑对中小型新造箱船的整船结构进行合的强度和评估，以1艘型装船为目标，结合ICS新UR S11A和S34的要求，进行整船有限元分析，探讨支线集装箱船设计中应关注的整船结构强度和疲劳问题。
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧陈有芳、章伟星中国船级社北京科研所船舶结构强度有限元计算分析中的技巧Skills of Ship Structural Strength Analysis By FEM陈有芳、章伟星（中国船级社北京科研所）摘要：在对船舶结构进行有限元计算分析和评估中，一般采用的是舱段板梁模型，不可避免要面临应力的选取问题。
对于弯曲板单元，有限元计算输出的应力包括上下表面的应力，我们在评估中一般采用中面应力作为工作应力，中面应力应该是上下表面应力的平均，如果在实际操作中采用上下表面应力的平均的方法来得到中面应力，将比较麻烦，也不直观。
本文对在船舶结构有限元分析评估中采用中面应力作为工作应力的原理、方法以及如何在MSC.Patran中如何得到中面应力的技巧做一介绍，供船舶结构分析工程师参考使用。
并做了一些测试和分析。
关键词：船舶结构有限元强度中面应力 MSC.PatranAbstract: In analyzing and evaluating of ship structures by FEM, a plate-beam FE model within holds is generally used and it is unavoidable to solve how to select the stress used. For bending plate, the output stresses include the stresses of up-surface and lower-surface, but in ship structure strength analysis, the mid-surface stress is used as applied stress in general. As we know, the mid-surface stress is the average value of up-surface stress and the lower-surface stress. It is discommodious to obtain the mid-surface stress by the up-surface stress and lower-surface stress in practice. The paper introduces the theory and method of using the mid-surface stress as the applying stress in ship structure strength analysis, and the skills about how to obtain the mid-surface stress in MSC/PATRAN. Some tests and analysis have also been carried in this paper.Keys:Ship Structure Finite Element Strength Mid-surface Stress MSC.patran1 概述一般来讲，对承受面外压力的板进行强度校核时，应对板的上下表面应力进行校核，相应的强度标准也是对应的上下表面应力，这些均应该建立在能对板的应力精确计算的基础上。
有限元分析在船舶复杂结构强度计算与优化中的应用
有限元分析在船舶复杂结构强度计算与优化中的应用摘要：近些年，受我国社会发展的影响，我国的科学水平不断提升。
由于船舶在日常营运过程中需要承受复杂的力学载荷，比如海浪拍击作用力、船载设备的重力等，船舶复杂结构比如舱壁的肋板、动力系统结构件等一旦出现结构破坏，会造成严重的事故。
因此，为了保证船舶结构在复杂力学工况下不会产生失效现象，必须针对船舶复杂结构件进行力学优化。
有限元分析法是业界目前应用非常广泛的一种强度分析法，本文主要介绍有限元分析法的基本流程，结合三维建模软件CREO和有限元划分软件Hypermesh以及有限元分析软件Ansys对船舶舱壁的肋板进行强度分析和优化设计。
关键词：有限元分析；CREO；Hypermesh；Ansys；强度分析引言现代的航行条件以及航运的特点对船舶的性能提出了越来越高的要求。
船舶结构较为复杂，船舶的结构设计是船舶设计的基础，而船舶的结构强度分析是船舶结构设计中的一个重要环节，对于保证船舶的安全性和稳定性起着至关重要的作用。
通过结构强度分析，能够体现船舶结构的载荷能力，并根据分析结果对原有设计进行改进，以实现船舶承载性能的优化。
现代的数值分析方法为船舶的结构强度分析提供了较多的解决思路，而有限元分析是应用较为广泛的一种。
在有限元分析中，将复杂的船舶外形与结构划分为大量的网格单元，并将所受到的载荷离散化到网格单元中，实现对结构强度的计算。
其中载荷离散化是整个计算分析的一个重要步骤，往往需要花费较长的时间与计算资源，所以需要较为合理的载荷离散化方法，在保证计算精度的同时，提高结构强度分析的效率。
1有限元分析技术概述有限元法是当今工程界应用最广泛的数值模拟方法。
它的基本思想可以概括为：“先分后合”或“化整为零又积零为整”，有限元法适应性强，运用非常广泛，能够灵活的解决许多具有复杂的工况和边界条件的问题。
目前著名的有限元分析软件主要有ANSYS、ALGOR、ADINA、NASTRAN、ADAMS等。
大型集装箱船整船有限元分析计算技术研究
摘要： 本文在研究大型集装箱船整船分析的基础上， 总结研究和发展了二种集装箱船整船有限元分析时调整节
点力和惯性平衡的处理方法。对于正确地进行大型集装箱船整船结构强度直接计算具有指导作用和实用价值。
同时本文提出了对集装箱船整船结构强度分析的分工况计算和应力合成技术， 可应用于集装箱船的整船结构有
限元计算分析。
目前采用整船有限元模型对集装箱船进行船体结构强度直接计算的技术已日趋成熟， 也已被各 船级社所指定和采用［２－４］， 但是进行集装箱船整船的有限元强度分析时， 除了正确进行三维有限元模型 的建模外， 还要进行正确的总强度弯矩和剪力的加载、调整和惯性平衡， 这样才能获得正确的计算结 果。本研究在总结集装箱船整船分析经验的基础上， 总结研究和发展了二种集装箱船整船有限元分析 的方法， 提出了采用分载荷计算后合成计算工况的处理技术， 对正确地进行大型集装箱船整船结构强 度直接计算具有指导性的作用和实用价值。
ｘｉ＝ｘ
ｘ０ "＋
Ｐ! ５"!ｘｉ "
（４）
ｘｉ ＝ ｘ０
ｘｉ ＝ ｘ０
同理可以列出沿船长分布的水平弯矩、水平剪力和扭矩的节点力表达式。
船体的静水弯矩是考虑各种不同装载工况计算获得的， 船体的波浪弯矩根据规范和计算获得， 或
者采用波浪载荷预报程序用设计波的方法得到。考虑静水弯矩和波浪弯矩叠加后获得的船体设计弯
节点力的作用下（包括调整的节点力）构成了所要求的沿船长分布的设计弯矩。获得的计算结果包含了
船体第一类和第二类应力的合成。
有限元整船分析的第二种处理方法是不考虑船体的外载荷和内载荷分布， 只考虑沿船长分布的
总强度设计弯矩和剪力， 在船体强肋位构造及节点力， 在这些节点力作用下， 产生沿船长分布的总强
船体结构有限元分析专题
目录
• 船体结构有限元分析概述 • 船体结构的离散化 • 船体结构的网格生成 • 船体结构的边界条件和载荷处理 • 船体结构的刚度和强度分析 • 船体结构的振动和稳定性分析 • 船体结构有限元分析的软件和应用实例
01 船体结构有限元分析概述
船体结构有限元分析的定义
船体结构有限元分析是一种基于数学和物理原理的数值分析方 法，通过将船体结构离散化为有限个小的单元（或称为“有限 元”），并建立相应的数学模型，对船体结构的静态、动态特 性以及承受外载荷的能力进行分析和评估。
边界条件和载荷的准确性和可靠性
准确性
边界条件和载荷的准确性直接影响到有限元 分析结果的可靠性。为了获得准确的边界条 件和载荷，需要充分了解结构的实际工作状 态，并进行详细的实验测试和验证。
可靠性
在有限元分析中，可靠的边界条件和载荷处 理是获得可靠分析结果的前提。为了提高分 析的可靠性，可以采用多种边界条件和载荷 处理方法进行对比和分析，并对结果进行校 核和验证。
将几何模型离散化为有限 个小的单元，形成有限元 网格。根据船体结构的复 杂程度和精度要求，可以 选择不同的网格类型和大 小。
根据船体结构所使用的材 料特性，定义材料的弹性 模量、泊松比、密度等参 数。同时，还需定义边界 条件，如固定约束、载荷 条件等。
根据力学原理和有限元方 法，建立相应的数学模型 ，包括平衡方程、几何方 程和本构方程等。然后， 采用适当的数值求解方法 （如直接求解法、迭代法 等）求解这些方程。
船体结构有限元分析的未来发展
高性能计算的应用
随着计算能力的提升，未来将更 多地利用高性能计算资源进行大 规模、高精度的船体结构有限元
分析。
多物理场耦合分析
有限元分析在船舶结构设计中的应用
有限元分析在船舶结构设计中的应用随着船舶工业的不断发展，船舶结构的设计也日益复杂和严谨。
而有限元分析作为一种有效的工具，已经成为了船舶结构设计中不可或缺的一部分。
在此，本文将介绍有限元分析在船舶结构设计中的应用，以及其带来的好处和挑战。
1. 有限元分析简介有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)是一种数学模拟分析方法。
它通过分割连续的物体为有限个离散子元，求解每个子元的节点，进而得出整体物体的内部受力、应变等物理特性。
有限元分析应用范围广泛，可以用于船舶、航空航天、建筑等领域的结构设计和分析。
在船舶结构设计中，有限元分析可以对船体结构进行静力计算、动力计算、疲劳及强度分析等方面的计算。
2. 有限元分析在船舶强度计算中的应用在船舶结构设计中，强度计算是至关重要的一部分。
有限元分析可以帮助船舶设计师对船体结构进行静力和动力分析、疲劳分析和强度分析等计算。
通过有限元分析的计算，可以准确预测船舶在航行过程中的受力情况，从而为优化船舶结构提供依据。
例如，某船舶的舵机荷载在使用过程中达到了一个比较高的峰值，这是由于船舶舵机设计参数不足或强度不够所导致的。
在这种情况下，有限元分析可以对舵机进行疲劳分析，预测出舵机在航行过程中可能出现的强度问题，并为进一步优化舵机设计提供支持。
3. 有限元分析在船舶设计优化中的应用有限元分析可以为船舶结构优化提供依据。
通过有限元分析的计算，船舶设计师可以对船体结构进行预测和比较，以评估船体结构的优劣。
例如，在设计某型号船舶的船头结构时，设计师可能会面临着一个问题：如何在保证船头稳定性的前提下，尽可能减小船头的阻力。
有限元分析可以对船头结构进行优化设计，通过对船头结构的静力计算、动力计算、疲劳及强度分析等方面的计算，为设计师提供优化方案，以达到降低阻力的目的。
4. 有限元分析在船舶结构安全性评估中的应用船舶结构的安全性评估是船舶设计中不可避免的一个环节。
船舶结构强度分析及设计优化
船舶结构强度分析及设计优化首先，对于船舶结构的强度分析，可以采用有限元法来进行模拟计算。
有限元法是一种将复杂结构分割成若干有限单元，并在每个单元内进行力学分析的方法。
通过数值计算，可以得到每个单元的应力、应变及变形等结果，从而进一步得到整个船体结构的强度情况。
在进行有限元分析时，需要考虑各种工况下的载荷作用，包括静态荷载、动态荷载、水流荷载以及海浪荷载等。
同时，还需考虑材料的强度和疲劳寿命等因素，以保证船舶结构在使用寿命内不会发生破坏。
其次，船舶结构的设计优化是指在满足强度要求的前提下，通过优化设计，使船舶的结构更加轻量化和高效化。
优化设计可以采用多目标优化方法，将结构的重量和成本等指标作为目标函数，建立优化模型。
通过改变结构的几何形状、材料的选择、构件的布局等，来寻求最佳的设计方案。
在进行优化设计时，需要考虑多种约束条件，如强度、稳定性、可靠性、制造工艺等，以及几何形状的限制等。
通过不断的迭代计算和优化过程，最终得到满足要求的最优设计方案。
船舶结构强度分析及设计优化的好处是多方面的。
首先，通过强度分析，可以确保船舶在各种工况下具有足够的强度和稳定性，从而提高船舶的安全性和可靠性。
其次，通过设计优化，可以降低船舶的结构重量和成本，提高船舶的经济性和运营效益。
此外，强度分析和设计优化还可以为后续的船舶改进和性能提升提供基础。
总之，船舶结构强度分析及设计优化是一项重要且复杂的工作，它需要运用数值模拟和优化方法来对船舶结构进行分析和设计，以满足强度要求、提高经济性和安全性。
这是一个综合性的工程，需要考虑多个因素和约束条件，并进行多方面的优化和验证。
只有通过系统的、科学的分析和设计，才能够使船舶结构更加安全、经济和可靠。
大型汽车滚装船横向挠曲强度全船有限元分析
在 全船模 型 中 ， 体 板材模 拟 为 ４节点 板 单元 ． 船 局部 过 渡 区域 采 用 ３节点 板 单 元 。 其 首 尾 线 型变 尤 化较 大 区域 ， 用 ３节 点 板单 元模 拟 可 以避 免 大角 采 度翘 曲单元 的 出现 。用等 效偏 置 的梁 单元 来模 拟 扶
Ｔｒ ｎ ｖ ｒ ａ ｃ ｉ ｇ Ｓ ｒ ｎ ｔ ｆ ｒ ｅ ｓｚ ｄ ＰＣＴＣ ａ ｓｅｓｌ Ｒａ ｋ ｎ ｔ ｅ ｇ ｈ ｏ Ｌａ ｇ － ｉ ｅ
ｗｉｈ ｏ ａ ｔ Ｇｌ ｂ ｌＦＥＭ Ａｎａ ｙ ｉ ｌ ｓｓ
Ｆ ｎ Ｘｉｎ － ｏ ｇ ＸｕＸｕ ｍｉ Ｌ ｎ — ａ ａ ａｇ ｄｎ － ｎ ｕ Ｈｏ ｇ— ｎ ｇ
建 筑 相对 较 小 ， 因此 按 照等 效 的 方 法将 其 以载 荷 的
形 式 近 似等 效 到顶 层 车 辆 甲板 的相 应 位置 。另 外 ， 边 门 和尾 门结 构 以及 固定坡 道 等 都 包 含在 模 型 中 ．
首尾 及 机舱 内部 ： 构 由于 不在 本文 横 向强 度主要 分结 考察 的范 围 内 ． 故进 行 了适 当 的简化 。 １ ． 模 型准 确性 的检 验 ２
３ ２
樊祥栋
徐 旭敏
陆 红 干 ： 型 汽 车 滚 装 船 横 向挠 曲强 度 全 船 有 限 元 分 析 大
斜 …。此外 由于干 舷 甲板 以下 船 体结 构 刚 度相 对 较
大， 于是 干舷 甲板 以上 船体 相 对 以下 船体 发 生 横 向 偏转 。 导致 结 构发 生挠 曲 变形 ， 以说横 向挠 曲强 度 所 是ＰＴ Ｃ Ｃ设计 成 功与 否 的关 键 。 由于经 济性 的需要 ，故大 尺度 的 Ｐ Ｔ Ｃ Ｃ最近 几 年不 断 涌 现 。 随着 船舶 尺 度 和 装 载量 的增 大 ， 横 其
豪华邮轮全船有限元分析
2020年5月JOURNAL OF SHIP DESIGN May2020豪华邮轮全船有限元分析陆红干，郭刚，童琛（上海船舶研究设计院，上海201203）［摘要］采用英国劳氏船级社规范包络线外载荷,对中型豪华邮轮进行全船有限元计算分析&建立全船有限元结构模型和质量模型，将设计载荷加载到整船模型上，施加适当边界条件，同时采用合理的调平方法对全船载荷进行调平，并对船体梁载荷进行调整，得到整船应力状态和相对变形&使用沿船长分布的弯矩、剪力包络线载荷得到结构全船响应，载荷覆盖所有纵向结构，全船有限元分析让设计初期全船结构的薄弱环节一目了然，为全船结构强度分析评估及进一步优化提供重要基础&［关键词］豪华邮轮；有限元分析；包络线载荷［中图分类号］U663.1［文献标志码］A［文章编号"1001-4624（2020）01-0032-07Global FEA of CruiserLU Honggan,GUO Gang,TONG Chen(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute,Shanghai201203,China)Abstract：Adopting LR)s envelop rule external wave loads,the global finite element model of a medium-sized cruiser had been analyzed.The model of structures and the mass model of the whole ship were prepared with the design loads and suitable boundary conditions.At the meantime%the external and internal loads were balanced in a reasonable way.The hull girder load was adjusted as well in order to obtain the corresponding stress and deformation. The structure response was resulted from the envelop rule loads of bending moment and shear force along the ship length,while the loads took into consideration all the longitudinal structures.Global FEA made it clear where the weak structures were in the initial design stage,providing the foundation for the global strength evaluation and the further optimization.Key words：cruiser；FEA；envelop rule load0前言豪华邮轮，进入我国市场的豪华邮轮，我国船对加值豪华邮轮进行设计和建&全：结构豪华邮轮实现所有&豪华邮轮结构形，全和&规船型相比，豪华邮轮有其结构：上建筑，，，吃水浅，横向结构相对较少，且外板及纵向围壁有大量的门窗孔洞，船体结构整体考虑全船形，以反映真情况，全船结构有限元分析显尤为重要。
船体有限元分析指南
船体有限元分析指南英文回答：Finite Element Analysis (FEA) is a powerful tool usedin engineering to analyze the behavior of structures under various loading conditions. When it comes to ship structures, FEA can be particularly useful in evaluatingthe strength and stability of the hull and other components.One important aspect of ship FEA is the modeling of the ship's hull. The hull is typically divided into smaller elements, called finite elements, which are then connectedto each other to form a mesh. Each finite elementrepresents a small portion of the hull and is assigned certain properties, such as material properties and thickness.Once the hull is modeled, various loads and boundary conditions can be applied to the structure to simulatereal-world scenarios. These loads can include wave loads,wind loads, and hydrostatic loads. By analyzing the response of the hull under these loads, engineers can determine whether the structure is strong enough to withstand the forces it will experience during operation.In addition to evaluating the strength of the hull, FEA can also be used to assess the stability of the ship. Stability is a critical factor in ship design, as itaffects the ship's ability to remain upright and resist capsizing. By analyzing the distribution of buoyancy forces and the position of the ship's center of gravity, engineers can determine the ship's stability characteristics and make necessary design modifications if needed.Another important aspect of ship FEA is the analysis of structural components, such as bulkheads, decks, and frames. These components play a crucial role in maintaining the structural integrity of the ship. By subjecting these components to various loads and boundary conditions, engineers can assess their strength and determine whether they meet the required safety standards.In conclusion, ship FEA is a valuable tool in the design and analysis of ship structures. It allows engineers to evaluate the strength, stability, and integrity of the hull and other components, ensuring that the ship can withstand the forces it will encounter during operation. By utilizing FEA, engineers can make informed design decisions and optimize the performance and safety of the ship.中文回答：有限元分析（FEA）是一种在工程领域中用来分析结构在不同载荷条件下行为的强大工具。
有限元法在渔船吊装下水中强度分析
有限元法在渔船吊装下水中强度分析船只下水通常都会采用吊装下水的方式，船厂需要充分考量工期以及船台安排情况。
船体的吊装由于涉及到船体的重量以及尺寸，因此吊装设备的刚度以及强度需要有所保障。
以此吊装方案设计的合理性要求极为严格，需要对吊耳以及吊绳强度进行保证。
文章通过有限元分析法对渔船使用吊装下水时的强度进行分析，并阐释了吊装过程中渔船的具体状况。
标签：下水；渔船吊装；有限元分析1 引言船厂在船只维修管理时需要对船坞的工期以及船台的使用进行安排，因而有些船只下水会使用吊装的方式。
但是考虑到船体的结构以及具体的重量尺寸状况，吊装的强度、刚度保证成为了吊装船只的首要难题。
对于吊装方式的选择以及对船只吊装时吊耳以及吊绳的有限元分析，能够充分保证船只吊装的顺利的进行。
2 有限元模型的建立文章对船体吊装采用了案例分析的方式进行论述，以双层底的单壳结构渔船作为分析吊装的对象。
该船体具有双层甲板，纵骨之间距离0.6米，肋骨之间距离0.57米。
而内外底骨架则采用了混合式，舷侧以及甲板的骨架则采用了横骨架结构。
船体的有限元模型建立采用了目前船只模型建立中较为常用的Ansys软件。
而模型的建立中单元板材采用了shell63壳，而单元骨材则使用了beaml88梁，单元模拟中空心立柱管采用了pipe16管。
模拟模型有176960个单元，另外具有57543个节点。
而吊装时船体会受到重力作用，因而船体的承载力也需要考虑在吊装状况影响因素中。
因而有限元分析法对于船体、设备的重心位置是对吊装强度计算的关键点。
有限元模型中对于船体的重心位置调整主要是通过调整船体钢材密度进行实现，而对于设备的调整则是改变质量单元的方式进行模拟。
3 方案选择全船吊装方式在进行时会由于起吊作用使得船體发生变形，而对于船体较长的船只而言，变形量更大，因而吊装时需要增设吊耳，并保证吊耳的分布能够均匀，其主要原则为：吊耳分布要对称，保证整体吊装面的平衡，避免纵倾弯矩。
ANSYS WORKBENCH全船结构有限元分析流程
一、建立有限元模型与ANSYS经典版相比，WORKBENCH的操作界面更加美观，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手。
但作为一个专注于有限元分析的软件，其日渐强大的建模模块(Geometry)对建立复杂的船体曲面仍显得力不从心。
因此需要在其他建模软件(笔者使用了SolidWorks)中建立船体实体模型后导入WORKBENCH中，完成随后的建模和分析工作。
鉴于实体单元在计算中消耗过多的内存和计算时间，本文采用概念建模(Concept)的方法将船体板定义为无厚度的壳体(SurfaceBody)，将船体骨架定义为线体(Line Body)，壳体和线体划分的网格类似于经典版的壳单元(Shell)和梁单元(Beam)。
1.导入实体模型可采用多种方法导入，如直接将模型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(项目概图)窗口，如图1所示。
还可双击启动Geometry模块后，在其File菜单中选择导入命令，导入后的模型如图2所示。
模型已冻结，分为船体和上层建筑两部分，船首指向X轴正向，船体上方指向Z轴正向。
坐标原点位于船体基平面、中站面和中线面的交点处。
图2导入后的模型2.生成舷墙(1)在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，进入绘制草图模式。
点击“TreeOutline”→“Sketching”，沿甲板边线位置绘制一条曲线。
返回模型模式，点击“Sketching”→“Modeling”→“Extrude”，生成一个SurfaceBody。
(2)沿甲板将船体分开，点击“Create”→“Slice”，在“DetailView”窗口“SliceType”选项中选择“SlicebySurface”项，“TargetFace”选择上一步生成的SurfaceBody，“Slice Targets”选项中选“SelectedBodies”，点选船体结构→“Apply”→“Generate”，原来的船体分成两部分，上面是舷墙部分，下面是船舱部分，如图3所示。
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第18卷第6期2004年12月 华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报(自然科学版)Journal of East China Shipbuilding Institute(Natural Science Edition)Vo1118No16Dec.2004文章编号:1006-1088(2004)06-0008-05滚装船的弯扭强度全船有限元分析罗广恩,张延昌,王自力(江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003)摘 要:由于滚装船有着不同于常规船舶的结构特点,有必要对其进行全船弯扭强度精确计算。
本文以一艘1万吨级的滚装船为研究对象,应用DNV的SESAM软件建立全船有限元模型,并进行波浪随机载荷的长期预报,然后在此基础上导出设计波参数组,最后在全船有限元模型上计算了船体结构在各设计波上的应力分布和变形结果。
通过全船模型的有限元计算,获得了该船结构强度的详细信息。
对滚装船的设计和强度分析有一定的参考价值。
关键词:滚装船;结构强度;波浪诱导载荷;有限元中图分类号:U661.43 文献标识码:AG lob al Structure A nalysis of R o2R o V essel u nder B ending and T orsionL UO Guang2en,ZHA N G Yan2chang,WA N G Zi2li(School of Naval Architecture and Ocean Eng.,Jiangsu University of Science and T echnology,Zhenjiang Jiangsu212003,China) Abstract:Since there are many special structural characteristics of ro2ro vessel different from general ships,it is nec2 essary to calculate the bending and torsion strength of the ro2ro vessel accurately.This paper takes a12300DWT ro/ro vessel for example.A finite element model of the whole ship is set up using SESAM s oftware of the DNV classification s ociety.Then the long term prediction of wave induced motion and random loading is carried out, based on which the certain wave load is calculated with design wave method.Finally the stress distribution and the deformation result of the ship structure under the certain wave load are obtained.With finite element analysis,the detailed information of the structure strength is achieved.There is certain reference value to the design and structure analysis of the ro2ro vessel.K ey w ords:ro2ro vessel;structure strength;induced wave load;finite element0 引 言滚装船凭借其装卸效率高,对码头要求低,装卸费用低等优点,近年来发展迅速。
由于滚装船有着不同于常规船舶的结构特点,即滚装船内部极少设置横舱壁,甲板间的高度较大,并在甲板上开有车辆出入的开口,因此有必要对其进行全船弯扭强度分析。
目前,国内针对全船结构强度有限元分析方面的文章较收稿日期:2004-06-08基金项目:部级民品技术攻关项目(校编2004CH008H)作者简介:罗广恩(1980-),男,江西丰城人,江苏科技大学硕士研究生。
Email:luoming0131@少,针对滚装船的更少。
文献[1]着重介绍了波浪诱导载荷的预报;文献[2,3]对集装箱船进行了整船有限元结构分析,并比较详细地介绍了考虑波浪诱导载荷的分析方法。
在文献[4]中,虽然对滚装船进行总纵强度分析,但其只考虑了船舶在静水中的强度,而没有考虑波浪载荷的影响。
为此,本文针对滚装船在考虑波浪诱导载荷情况下进行了弯扭强度全船有限元分析。
1 滚装船的全船有限元分析本文以一艘1万吨级的滚装船为研究对象,建立全船有限元模型,并采用三维流体动力计算程序进行波浪随机载荷的长期预报,然后在此基础上导出设计波参数组,最后在全船有限元模型上计算了船体结构在各设计波上的应力分布和变形结果。
通过全船模型的有限元计算,获得了该船结构强度的详细信息。
对滚装船的设计和强度分析有一定的参考价值。
在强度分析中,强度评估标准按照DNV 船级社规范,使用的软件为DNV 船级社的SESAM 。
该滚装船的主尺度如下:总 长: 194130m 设计吃水: 6160m两柱间长: 178120m 方型系数: 0166型 宽: 25160m 主甲板高: 817m 型 深: 22162m 服务航速: 2210kn111 全船有限元模型的建立111.1 结构有限元模型建立结构有限元模型要应用结构力学的知识对次要构件进行简化处理,而主要构件要予以正确表达。
在总纵弯曲条件下,所有纵向连通构件,包括具有一定长度的甲板、纵舱壁、外板和桁材、纵骨均参与承受纵向外力;所有横框架均承受着纵向构件传递的载荷和局部横向载荷,并支持船体在受扭转状态中保持一定的截面形状;船体艏、艉结构是波浪载荷作用与传递的重要部分并且是中段结构弯曲扭转变形的约束端,因此,它们都必须在模型中予以正确表达。
上层建筑对艏部结构刚度和质量分布都有影响,也必须包括在全船模型中。
全船板材均用八节点或六节点的板壳元模拟。
对于船艏部和艉部的外壳板,由于有比较复杂的型线,而采用六节点板壳单元,以避免八节点单元的翘曲。
强横梁的面板以三节点梁单元模拟。
对于有骨材的加筋板,应正确反映其在增强方向上的拉压特性。
本文采用SESAM 软件专为船体结构研制的一种单元类型———复合单元来模拟加筋板。
全船构件板厚均按图纸尺寸扣除DNV 规范中规定的腐蚀余量,获得的净尺寸为计算厚度。
因此可以认为应力分析结果相当于服役寿命后期的结构状态。
图1 全船有限元模型Fig.1 Finite element model of the whole shi p 全船有限元模型采用子结构技术,沿船长方向共9个子结构,由基本子结构模型,通过平移、镜射等手段组装而成。
组装后的模型约有40850个节点,约21720个单元,见图1。
11112 水动力计算模型本文采用基于三维流体绕射-辐射理论的流体动力程序计算波浪动压力载荷,为此需建立水动力计算面元模型。
本计算利用上述结构模型的外壳网格作为船体水动力计算的面元模型,将船壳外表面定义为湿表面。
程序自动确认为面元模型,并将水线以下每一个面元承受的波动压力自动映射到有限元网格上。
11113 质量模型通过定义全船结构有限元模型中构件单元的尺寸和密度,可以由程序自动计算结构钢材自重,由于在9第6期 罗广恩等:滚装船的弯扭强度全船有限元分析模型中略去了次要的构件,亦不含有固定设备、舾装件等其它非船体结构的重量,因此直接计算得到的结构重量总是小于实际的空船重量,重心位置也与空船重心不相符。
为此需要参照实际空船重量及其分布情况的资料,调整结构模型各部分的材料密度值,可以使结构模型直接计算得到的结构自重与空船重量符合,并且计算得到的重心位置与空船重心位置相同。
对于不同工况,根据各工况下的装载重量资料,将货物重量(车辆重量、集装箱重量等)以质量点的形式分配到相关的节点上去,使该工况下的重量、重心与实船相符,这就是该工况下的全船质量模型。
质量模型的建立是分析中的重要环节。
它直接关系到波浪诱导载荷的长期预报结果,也就决定最后结构分析的正确性。
112 波浪诱导载荷长期预报和设计波对于本船全船总纵强度来说,船舯总纵弯矩是判断船体强度的主要载荷形式,因此选波浪诱导的舯剖面(截面1)的总纵弯矩为长期预报对象之一。
同时,考虑到本船各层甲板均有长开口,位置在船舯后部。
这一部位的总扭矩有可能产生开口周边较大的应力,因此将1/4船长处截面(截面2)的扭矩作为长期预报另一个变量。
然后以这两个变量的最大值来确定设计波的参数,船体强度校核在最大总纵弯矩设计波与最大扭矩设计波上进行。
为了观察不同浪向对船体运动和诱导载荷的影响规律,以及谱分析中所需要的传递函数,需计算各种有意义的波长(频率)的规则波对船体的作用。
为此,本文选取了波浪频率从0105至1150,间隔0105,共30个频率。
同时为了观察不同浪向角的波浪对船体运动和诱导载荷的影响规律,本课题共选取了19个浪向角,分别为:0°～180°,间隔为10°。
其中,定义0°为顺浪状态,180°迎浪状态。
在长期预报中,认为各个浪向角以等概率发生作用在船体上。
在长期预报计算中,通常采用波浪散布图作为船舶航行海域的航行条件。
波浪散布图由不同海况和每个海况的出现频率组成。
本文采用文献[5]中的波浪散布图。
从长期预报结果中得到10-8超越概率下的截面1的垂直弯矩和截面2的扭矩的长期预报值。
相当于船体在随机波浪上航行20～25年期间所受波浪载荷的最大值。
满载状态下截面1垂直弯矩长期预报见图2。
横坐标为-Lg P ,P 为出现概率,纵坐标为弯矩M 。
图2 满载状态下截面1垂直弯矩长期预报Fig.2 Long term prediction of longitudinal moment on section 1in fully loaded condition随后,我们由长期预报结果计算出各工况下的设计波。
所谓设计波,就是给出一确定的波浪(包括波高和周期),让它按一定的方向与相位作用于船体上,从而计算出船体构件的应力。
这样的计算比较简单,其结果也比较直观,易于分析和认识。
但关键的问题是这样的一种确定性的设计波参数的确定,使得按它计算出来的船体应力能代表实际船体航行过程中的最严重的状态。