内河小型干货船结构有限元分析
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3 W ang W F. The construction monitoring of the PC cable stayed bridge, phD thesis, South China University of Technology, 2000: 109
4 Yu R F. The p rincip le of the sensor. Aviation Industry Press,
a = 0. 87 k = - 2. 12L + 340 = 252. 2 式中 : L = 41. 399 m B = 7. 8 m Cb = 0. 814 舯剖面弯矩约为 : M = MW +M S = 8. 05 ×103 kN ·m 1. 3 计算结果 经过计算 ,最大应力位于甲板处 ,其应力值如 图 6所示 。
以及偏于安全方面的因素 ,肘板也采用了简化为与 舭部相同的圆弧线的梁单元来代替 ,并将肘板归入 船底骨材一类 ,截面形状与船底的肋板相同 。
船体外板的建模也可以采用间接建模的方法 , 但本文还是采用了直接建模 。 1. 2. 3 舱口角隅
舱口角隅的建模比较复杂 ,虽然采用间接建模 法可以很方便地建立模型和划分网格 ,但由于角隅 圆弧端点处是两线相切 ,夹角为 0°,产生的网格易 出现质量差的问题 。所以本文采用了与船体外板 相同的建模方法 ,即直接建模法 ,不仅达到了控制 网格质量的目的 ,而且也实现了对节点和单元的直 接控制 。舱口角隅加强图和舱口围板的单元图如 图 3和 4所示 :
参 考 文 献
1 中国船级社钢质内河船舶入级与建造规范. 北京 :人民交通出版
1920
科 学 技 术 与 工 程
8卷
社 , 2002 2 中国船级社钢质内河船舶入级与建造规范修改通报. 北京 :人民
交通出版社 , 2004
3 中国船级社钢质内河船舶船体结构直接计算指南. 北京 :人民交 通出版社 , 2004
Study on the F in ite Elem en t Ana lysis of 42 m In land R iver M in itype D ry Cargo Sh ip Structure
WANG Kun, GUAN Yi2feng
( School of Naval A rchitecture and Ocean Eng. , J iangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, P. R. China)
现在通用有限元程序较多 ,本文采用 ANSYS作 为分析软件 。坐标的定义依然按照通用的方法 ,即 :
原点在船中与中内龙骨的交点上 ; X ———沿船长方向 ,指向船艏为正 ; Y———沿船宽方向 ,指向左舷为正 ; Z ———沿深度方向 ,指向甲板为正 。 1. 2. 2 船体骨材及船体外板分析 对于纵向布置的船体骨材 ,可以按其所处的结 构位置将它们分为四类 : 船中纵剖面底部的龙骨 、 船底板上的旁桁材 、舷边的的舷侧纵桁以及甲板上 面的一些加强骨材 。由于各类构件都有相似性 ,有 的甚至有完全相同的几何特性 ,所以对于这类构件
摘 要 以内河小型干货船为例 ,建立舱段有限元模型 ,阐述了舱段结构有限元结构分析方法 。所得到的船体结构有限元分 析结果对同类型的内河小型干货船设计和强度分析有一定的参考价值 。 关键词 内河小型干货船 船体结构强度 有限元方法 中图法分类号 U661. 4; 文献标志码 A
[ Abstract] Taking the inland river m initype dry cargo ship as an examp le, an cabin segm ent FE model is set up , a method of the cabin segm ent structure FE analysis is described. The p roposed method can be used for the de2 sign and strength analysis of inland river m initype dry cargo ship. [ Key words] inland river m initype dry cargo ship ship structural strength finite element m ethod
经过调研 ,发现很多内河小型干货船都需要按 规范规定进行直接计算 ,因此它们的结构强度是否 能达到安全和稳定等要求或者设计是否合理都无 法检验 。
目前 ,利用有限元软件对船体结构进行直接计 算的方法运用在大型船舶上的比较常见 ,且取得了 良好的效果 。但是对内河船进行有限元结构计算 的较少 。本文的目的就是对内河船有限元直接计
TAN L in, XU Yu2feng, ZHOU Kai2hang1
(Department of Civil Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, P. R. China; Huaxin International A rchitects Engineer2Consultants L im ited1 , Shenzhen 518040, P. R. China)
而对于每一肋位处的肋板和肋骨在简化了梁 单元的时候 ,由于各部位处的骨材剖面形状各不相 同 ,唯有两舷相对应的才属于同一种形式 。即便是 有同一种形式的 ,那也不过是单条船舶而已 ,而本
图 3 舱口角隅加强
1. 2. 4 约束与荷载 通常舱段分析采用 1 /2 + 1 + 1 /2 的舱段模型 ,
而对强度的评估只考虑中间舱段 (含舱壁 ) 。考虑
0. 5m
横向构件中 ,舭部肘板是比较重要的构件 ,建
梁 拱 舱段长度
0. 126m 22m
排水量 舱口长度
499. 399m3 21m
模的过程中 ,这部分是必须考虑的 ,但它的形状与 肋板和肋骨不同 ,属于不规则形 。为了简化和建模
1. 2 内河小型干货船的有限元建模分析 1. 2. 1 坐标定义
科 学 技 术 与 工 程
Science Technology and Engineering
Vol. 8 No. 7 Ap r. 2008
Ζ 2008 Sci. Tech. Engng.
内河小型干货船结构有限元分析
王 昆 管义锋
(江苏科技大学船舶与海洋工程学院 ,镇江 212003)
1918
科 学 技 术 与 工 程源自8卷表 1 船体主尺度图 2 中纵剖面图
文的目的是参数化地建立适用于所有此类型船舶
总 长
42. 920 m
水线长
41. 399 m
的模型 ,所以对各部位处的骨材还需单独为其定义
船 宽
7. 8m 型 深
2. 6m
截面形状 。
设计吃水
1. 90m 肋 距
1995: 344 5 Chu H N. The interior observation technology of the concrete dam.
Beijing W ater Resources and Electric Power Press, 1989: 207 6 Chinese Society of Hydroelectric Engineering, Dam management and
静水弯矩 M S = 2. 14 ×103 kN ·m 波浪弯矩 MW = akL2 B ( Cb + 1. 2) ×10- 3
= 5. 91 ×103 kN ·m
本文计算结果符合《钢质内河船舶船体结构直 接计算分析指南 》规定 ,说明本文的方法对于内河 小型干货船的有限元直接计算是可行的 ,对于其他 类型内 河 船 的 有 限 元 直 接 计 算 具 有 借 鉴 和 参 考 意义 。
到本文的模型并非很大 ,对计算时间的要求不是很 高 ,因此舱段模型采用的是 1 + 1 + 1的形式 ,舱段有
7期
王 昆 ,等 :内河小型干货船结构有限元分析
19 19
图 4 舱口角隅网格
限元模型图如图 5 所示 。对于边界条件 ,采取三舱 段有限元模型的一端刚性固定 ,另一端自由 ,假设 自由端面没有平面外的位移 ,即变形后自由端面保 持平面 。可 以 通 过 在 自 由 端 面 建 立 一 个 刚 性 点 (M PC) ,把有限元模型中所有纵向构件与这个刚性 点连接起来 。对于内河散货船来说 ,载荷采取静水 弯矩和波浪弯矩的叠加 。静水弯矩是指由于船体 重量和水中浮力沿船长的不均匀分布产生了剪力 , 其沿船长的积分所产生的弯矩 。静水弯矩和波浪 弯矩计算过程如下 :
度占船体总长的比例已在按规定需要直接计算的 范围之内 (即 l /L < 0. 6 ) 。另外 ,船体骨架多为横 骨架式 ,中间设有一到两个货舱 ,本文主要针对的 是其中的单货舱结构 。其横剖面图和中纵剖面图 见图 1与图 2。
图 1 横剖面图
本文以一条内河小型干货 船为 例 , 其主尺 度 如下 :
图 6 甲板力云图
根据《钢质内河船舶船体结构直接计算分析指 南 》规定 :强力甲板边线的合成许用应力 : 157 N / mm2 ,甲板板的最大应力 : 104 M Pa < [σ ] = 157 N / mm2 。由结果分析可知 ,该船的总纵强度能够满足 规范的要求 ,
2 结论
图 5 舱段有限元模型图
随着船舶事业的飞速发展 ,科学技术 ,市场经 济体制的逐步完善 ,内河航运需求势头日趋迅猛 , 内河货运船尤其是小型干货船越来越引起人们的 重视 ,但是很多造船厂家为了追求效益而减少钢 材使用量 ,在许多结构 ,构件上都不满足《钢质内 河船舶入级与建造规范 》要求 。根据《钢质内河船 舶入级与建造规范 》( 2002 )及《钢质内河船舶入 级与建造规范修改通报 》( 2004 )中 ( 13. 2. 1. 1 )和 ( 13. 2. 1. 3)的规定 ,船长大于或等于 30 m 但小于 40 m 的单舷长大舱口船 ,若 l1 /L < 0. 7 ,应另外提 供强度计算资料 。如果 l1 /L ≤0. 6 则应按《钢质内 河船舶船体结构直接计算指南 》校核总纵弯曲强 度 。船长大于或等于 40 m 的船舶 ,除要求校核总 纵强度外 ,还需校核扭转强度和横向强度等 [ 1～3 ] 。
Monitoring, Nanjing branch of the consultation service, Concise Man2 ual for Dam Safety Monitoring, 2000: 51
Applica tion of the D ifferen tia l Sen sor in the M on itor ing of Large Span Concrete Cable Stayed Br idge
(上接第 1913页 )
2 Research Institute of U rban Development, South China University of Technology, Summary of Construction Monitoring of Guangdong Prov2 ince W est Coast H ighway Yamem B ridge, 2002: 320
2007年 12月 18日收到 第一作者简介 :王 昆 ( 1983—) ,男 ,河南新乡人 ,江苏科技大学硕 士研究生 。 E2mail: 0140102125@163. com。
算进行研究 。
1 内河小型干货船的有限元建模分析
1. 1 内河小型干货船总体结构形式 内河小型干货船均为单底单舷结构 ,且舱口长
由结果分析可知该船的总纵强度能够满足22规范的要求结论本文计算结果符合钢质内河船舶船体结构直舱段有限元模型图接计算分析指南规定说明本文的方法对于内河小型干货船的有限元直接计算是可行的对于其他类型内河船的有限元直接计算具静水弯矩ms21410kn
第 8卷 第 7期 2008年 4月
167121819 (2008) 721917204
最简单的方法是先建立单个的几何模型 ,对几何模
型划分网格生成有限元模型之后 ,再将实体模型与
有限元模型一并复制 。
在建立横向构件的模型时 ,只需要完整地建立
一到二个肋位处的横向构件即可 ,其他肋位处的构
件依然可以通过连续复制的方法很容易地得到 。
所以 ,与纵向构件类似 ,横向构件也需先建立几何 的模型 ,并划分好网格后再调用复制命令 。
4 Yu R F. The p rincip le of the sensor. Aviation Industry Press,
a = 0. 87 k = - 2. 12L + 340 = 252. 2 式中 : L = 41. 399 m B = 7. 8 m Cb = 0. 814 舯剖面弯矩约为 : M = MW +M S = 8. 05 ×103 kN ·m 1. 3 计算结果 经过计算 ,最大应力位于甲板处 ,其应力值如 图 6所示 。
以及偏于安全方面的因素 ,肘板也采用了简化为与 舭部相同的圆弧线的梁单元来代替 ,并将肘板归入 船底骨材一类 ,截面形状与船底的肋板相同 。
船体外板的建模也可以采用间接建模的方法 , 但本文还是采用了直接建模 。 1. 2. 3 舱口角隅
舱口角隅的建模比较复杂 ,虽然采用间接建模 法可以很方便地建立模型和划分网格 ,但由于角隅 圆弧端点处是两线相切 ,夹角为 0°,产生的网格易 出现质量差的问题 。所以本文采用了与船体外板 相同的建模方法 ,即直接建模法 ,不仅达到了控制 网格质量的目的 ,而且也实现了对节点和单元的直 接控制 。舱口角隅加强图和舱口围板的单元图如 图 3和 4所示 :
参 考 文 献
1 中国船级社钢质内河船舶入级与建造规范. 北京 :人民交通出版
1920
科 学 技 术 与 工 程
8卷
社 , 2002 2 中国船级社钢质内河船舶入级与建造规范修改通报. 北京 :人民
交通出版社 , 2004
3 中国船级社钢质内河船舶船体结构直接计算指南. 北京 :人民交 通出版社 , 2004
Study on the F in ite Elem en t Ana lysis of 42 m In land R iver M in itype D ry Cargo Sh ip Structure
WANG Kun, GUAN Yi2feng
( School of Naval A rchitecture and Ocean Eng. , J iangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, P. R. China)
现在通用有限元程序较多 ,本文采用 ANSYS作 为分析软件 。坐标的定义依然按照通用的方法 ,即 :
原点在船中与中内龙骨的交点上 ; X ———沿船长方向 ,指向船艏为正 ; Y———沿船宽方向 ,指向左舷为正 ; Z ———沿深度方向 ,指向甲板为正 。 1. 2. 2 船体骨材及船体外板分析 对于纵向布置的船体骨材 ,可以按其所处的结 构位置将它们分为四类 : 船中纵剖面底部的龙骨 、 船底板上的旁桁材 、舷边的的舷侧纵桁以及甲板上 面的一些加强骨材 。由于各类构件都有相似性 ,有 的甚至有完全相同的几何特性 ,所以对于这类构件
摘 要 以内河小型干货船为例 ,建立舱段有限元模型 ,阐述了舱段结构有限元结构分析方法 。所得到的船体结构有限元分 析结果对同类型的内河小型干货船设计和强度分析有一定的参考价值 。 关键词 内河小型干货船 船体结构强度 有限元方法 中图法分类号 U661. 4; 文献标志码 A
[ Abstract] Taking the inland river m initype dry cargo ship as an examp le, an cabin segm ent FE model is set up , a method of the cabin segm ent structure FE analysis is described. The p roposed method can be used for the de2 sign and strength analysis of inland river m initype dry cargo ship. [ Key words] inland river m initype dry cargo ship ship structural strength finite element m ethod
经过调研 ,发现很多内河小型干货船都需要按 规范规定进行直接计算 ,因此它们的结构强度是否 能达到安全和稳定等要求或者设计是否合理都无 法检验 。
目前 ,利用有限元软件对船体结构进行直接计 算的方法运用在大型船舶上的比较常见 ,且取得了 良好的效果 。但是对内河船进行有限元结构计算 的较少 。本文的目的就是对内河船有限元直接计
TAN L in, XU Yu2feng, ZHOU Kai2hang1
(Department of Civil Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, P. R. China; Huaxin International A rchitects Engineer2Consultants L im ited1 , Shenzhen 518040, P. R. China)
而对于每一肋位处的肋板和肋骨在简化了梁 单元的时候 ,由于各部位处的骨材剖面形状各不相 同 ,唯有两舷相对应的才属于同一种形式 。即便是 有同一种形式的 ,那也不过是单条船舶而已 ,而本
图 3 舱口角隅加强
1. 2. 4 约束与荷载 通常舱段分析采用 1 /2 + 1 + 1 /2 的舱段模型 ,
而对强度的评估只考虑中间舱段 (含舱壁 ) 。考虑
0. 5m
横向构件中 ,舭部肘板是比较重要的构件 ,建
梁 拱 舱段长度
0. 126m 22m
排水量 舱口长度
499. 399m3 21m
模的过程中 ,这部分是必须考虑的 ,但它的形状与 肋板和肋骨不同 ,属于不规则形 。为了简化和建模
1. 2 内河小型干货船的有限元建模分析 1. 2. 1 坐标定义
科 学 技 术 与 工 程
Science Technology and Engineering
Vol. 8 No. 7 Ap r. 2008
Ζ 2008 Sci. Tech. Engng.
内河小型干货船结构有限元分析
王 昆 管义锋
(江苏科技大学船舶与海洋工程学院 ,镇江 212003)
1918
科 学 技 术 与 工 程源自8卷表 1 船体主尺度图 2 中纵剖面图
文的目的是参数化地建立适用于所有此类型船舶
总 长
42. 920 m
水线长
41. 399 m
的模型 ,所以对各部位处的骨材还需单独为其定义
船 宽
7. 8m 型 深
2. 6m
截面形状 。
设计吃水
1. 90m 肋 距
1995: 344 5 Chu H N. The interior observation technology of the concrete dam.
Beijing W ater Resources and Electric Power Press, 1989: 207 6 Chinese Society of Hydroelectric Engineering, Dam management and
静水弯矩 M S = 2. 14 ×103 kN ·m 波浪弯矩 MW = akL2 B ( Cb + 1. 2) ×10- 3
= 5. 91 ×103 kN ·m
本文计算结果符合《钢质内河船舶船体结构直 接计算分析指南 》规定 ,说明本文的方法对于内河 小型干货船的有限元直接计算是可行的 ,对于其他 类型内 河 船 的 有 限 元 直 接 计 算 具 有 借 鉴 和 参 考 意义 。
到本文的模型并非很大 ,对计算时间的要求不是很 高 ,因此舱段模型采用的是 1 + 1 + 1的形式 ,舱段有
7期
王 昆 ,等 :内河小型干货船结构有限元分析
19 19
图 4 舱口角隅网格
限元模型图如图 5 所示 。对于边界条件 ,采取三舱 段有限元模型的一端刚性固定 ,另一端自由 ,假设 自由端面没有平面外的位移 ,即变形后自由端面保 持平面 。可 以 通 过 在 自 由 端 面 建 立 一 个 刚 性 点 (M PC) ,把有限元模型中所有纵向构件与这个刚性 点连接起来 。对于内河散货船来说 ,载荷采取静水 弯矩和波浪弯矩的叠加 。静水弯矩是指由于船体 重量和水中浮力沿船长的不均匀分布产生了剪力 , 其沿船长的积分所产生的弯矩 。静水弯矩和波浪 弯矩计算过程如下 :
度占船体总长的比例已在按规定需要直接计算的 范围之内 (即 l /L < 0. 6 ) 。另外 ,船体骨架多为横 骨架式 ,中间设有一到两个货舱 ,本文主要针对的 是其中的单货舱结构 。其横剖面图和中纵剖面图 见图 1与图 2。
图 1 横剖面图
本文以一条内河小型干货 船为 例 , 其主尺 度 如下 :
图 6 甲板力云图
根据《钢质内河船舶船体结构直接计算分析指 南 》规定 :强力甲板边线的合成许用应力 : 157 N / mm2 ,甲板板的最大应力 : 104 M Pa < [σ ] = 157 N / mm2 。由结果分析可知 ,该船的总纵强度能够满足 规范的要求 ,
2 结论
图 5 舱段有限元模型图
随着船舶事业的飞速发展 ,科学技术 ,市场经 济体制的逐步完善 ,内河航运需求势头日趋迅猛 , 内河货运船尤其是小型干货船越来越引起人们的 重视 ,但是很多造船厂家为了追求效益而减少钢 材使用量 ,在许多结构 ,构件上都不满足《钢质内 河船舶入级与建造规范 》要求 。根据《钢质内河船 舶入级与建造规范 》( 2002 )及《钢质内河船舶入 级与建造规范修改通报 》( 2004 )中 ( 13. 2. 1. 1 )和 ( 13. 2. 1. 3)的规定 ,船长大于或等于 30 m 但小于 40 m 的单舷长大舱口船 ,若 l1 /L < 0. 7 ,应另外提 供强度计算资料 。如果 l1 /L ≤0. 6 则应按《钢质内 河船舶船体结构直接计算指南 》校核总纵弯曲强 度 。船长大于或等于 40 m 的船舶 ,除要求校核总 纵强度外 ,还需校核扭转强度和横向强度等 [ 1～3 ] 。
Monitoring, Nanjing branch of the consultation service, Concise Man2 ual for Dam Safety Monitoring, 2000: 51
Applica tion of the D ifferen tia l Sen sor in the M on itor ing of Large Span Concrete Cable Stayed Br idge
(上接第 1913页 )
2 Research Institute of U rban Development, South China University of Technology, Summary of Construction Monitoring of Guangdong Prov2 ince W est Coast H ighway Yamem B ridge, 2002: 320
2007年 12月 18日收到 第一作者简介 :王 昆 ( 1983—) ,男 ,河南新乡人 ,江苏科技大学硕 士研究生 。 E2mail: 0140102125@163. com。
算进行研究 。
1 内河小型干货船的有限元建模分析
1. 1 内河小型干货船总体结构形式 内河小型干货船均为单底单舷结构 ,且舱口长
由结果分析可知该船的总纵强度能够满足22规范的要求结论本文计算结果符合钢质内河船舶船体结构直舱段有限元模型图接计算分析指南规定说明本文的方法对于内河小型干货船的有限元直接计算是可行的对于其他类型内河船的有限元直接计算具静水弯矩ms21410kn
第 8卷 第 7期 2008年 4月
167121819 (2008) 721917204
最简单的方法是先建立单个的几何模型 ,对几何模
型划分网格生成有限元模型之后 ,再将实体模型与
有限元模型一并复制 。
在建立横向构件的模型时 ,只需要完整地建立
一到二个肋位处的横向构件即可 ,其他肋位处的构
件依然可以通过连续复制的方法很容易地得到 。
所以 ,与纵向构件类似 ,横向构件也需先建立几何 的模型 ,并划分好网格后再调用复制命令 。