起重船有限元直接计算实例_张少雄

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考虑结构优先级的船舶有限元网格优化算法

考虑结构优先级的船舶有限元网格优化算法陈有芳; 王丽荣; 张少雄; 章志兵【期刊名称】《《船海工程》》【年(卷),期】2019(048)006【总页数】4页(P28-30,35)【关键词】船舶结构有限元; CAD/CAE一体化; 网格优化; 消除短边【作者】陈有芳; 王丽荣; 张少雄; 章志兵【作者单位】中国船级社技术研究开发中心北京 100007; 武汉理工大学交通学院武汉 430063; 华中科技大学材料科学与工程学院武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】U661.43船舶结构规范对于船舶结构有限元网格有特殊的规则要求。

在船舶结构CAD/CAE 一体化实现中，由于船舶结构布置的复杂性，采用反映真实船舶结构布置的三维几何模型进行有限元网格划分时，通常意义上的基于CAD几何的网格自动划分结果难以达到预期的效果，难以生成完全满足船舶规范要求的有限元模型，需要大量的人工干预[1-4]。

在基于CAD几何进行船体网格自动划分时，通常会出现部分壳单元存在过短单元边的情况，导致网格质量差，不满足规范对于网格形状的要求，影响计算精度。

如图1a)为CAD几何模型，图1b)为网格自动划分的结果，出现了较短的单元边。

NX Simcenter 3D有限元建模软件提供了塌陷边、消除重复节点等功能，可以实现一定公差范围内的节点合并，但是通用软件合并规则并不符合船舶结构有限元网格准则。

因此，考虑定制开发以满足船舶结构有限元网格要求的自动合并节点功能。

图1 基于CAD几何的船体结构有限元网格划分(定制开发前)1 船舶结构有限元网格特殊要求船舶结构有限元网格壳单元的长宽比应不超过3。

尽量少使用三角形壳单元。

对于可能出现高应力或高应力梯度的区域，壳单元的长宽比应尽量接近于1且避免使用三角形单元。

三角形单元多用在开孔周围以及凳和舱壁的连接处。

划分网格时一般要求网格质量能达到计算指标要求(如长宽比、锥度比、内角、翘曲量等)。

1000t起重船有限元强度分析

1000t起重船有限元强度分析王庆丰(江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003) 提　要　起重船由于其工作的特殊性,自身强度成为设计过程中的一个重点,以某1000t起重船为例,介绍了船体总体设计、结构设计及特点,利用MSC有限元软件对在不同工况作业下的船体、龙门架、千斤柱的强度进行了校核,指出了各部分的薄弱环节,并提出了加强措施,对优化起重船结构设计具有一定指导意义。

关键词　起重船　有限元　强度分析中图分类号　U661 文献标识码　A1　引言起重船不仅是港口船舶装卸的重要工具,而且在港建水工作业、造船工程、桥梁建筑、水下救捞以及各种海洋工程中均具有广泛的用途。

起重船由于其自身的工作特点,总体受力大局部受力集中且分布不均,吊点高,因而对臂架结构,船体结构要求特别高。

应用大型结构软件对起重船结构进行有限元分析,优化结构设计是必须的。

以某1000t起重船为例,对其在不同工况下的船体、千斤柱及龙门架进行了有限元强度校核,指出了高应力分布区域,对优化起重船结构设计具有一定指导意义。

2　船型介绍及结构特点该1000t起重船为非自航大型起重船,主钩起吊能力为2×600t,副钩起吊能力为400t,在沿海航区调遣航行,在遮蔽航区起吊作业.该船主尺度如下。

总长 83.2m水线长83.2m型宽32.0m型深 6.50m设计吃水 4.00m肋距 1.60m纵骨间距0.50m主船体以上从艉至艏布置有千斤柱、船员生活舱室以及吊杆设备,船员生活舱室布置较紧凑,留有较大的甲板空间,便于起吊作业,图1为1000t起重船总布置图。

图1　1000t起重船总布置图本船起吊能力为1000t,过桥状态时,吊杆臂架放置到前倾角16度的位置,这时对千斤柱产生的拉力和对吊杆及其底座产生的压力都非常大,因此在考虑船舶总纵强度的同时,还须对千斤柱,龙门架等局部强度予以足够重视,本船千斤柱和龙门架都采用箱式结构,见图2、图3,千斤柱与船体绞支连接。

58m起重船有限元强度计算

58m起重船有限元强度计算
近年来，随着我国船舶工业的飞速发展，起重船已经成为了国内外重要的海洋工程建设和海上运输领域中不可缺少的重要设备之一。

而随着起重船的运用范围不断扩大，各种需求因素的影响也越来越显著，其中强度计算就成了维持起重船正常运行的重要保障。

此次研究，我们将使用有限元强度计算方法，针对一款58m起重船进行强度计算。

根据起重船的结构部位特点，我们将以起重船的船体和吊臂为研究对象，通过建立其三维模型并对模型进行有限元网格划分，进行强度分析和计算。

首先，我们以起重船的船体为研究对象。

在建立船体模型时，考虑到船体应力和附加载荷对于船体的影响，我们在模型中加入了地震、离心力、平衡荷载和弯曲荷载等各种载荷因素。

我们利用ANSYS软件对模型进行有限元网格划分，通过计算船体模型的最大主应力和最大剪应力，来对其强度进行评估。

同时，在计算强度过程中，我们还对起重船的材料特性进行了分析和确认，并对其强度指标进行了评估。

通过对模型进行的强度计算，我们得到了船体在各种荷载作用下的应力和变形情况。

最后，在对58m起重船进行有限元强度计算的过程中，我们还应考虑到实际使用中可能出现的各种因素，比如海况、气候、使用状况等，以评估起重船在实际使用过程中的安全性、稳定性和耐用性等因素。

同时，我们还应结合国家有关航海法规标准，对58m起重船的设计和强度计算结果进行综合评估和比较，为起重船在实际使用中提供全方位的强度保障。

综上所述，有限元强度计算方法是一种计算起重船强度的重要手段，其可以对起重船的结构部件进行精确、定量的评估和分析，为起重船在实际使用中提供强有力的支持和保障。

600t起重船结构强度有限元分析

图１人字架

吊臂结构，采用的是高强度钢，整个结构成Ａ字形，共分
作者简介：张润宏（９４），男。硕士研究生。１８一
收稿日期：２１年２４Ｅ０Ｏ月２．］
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Ｄｅｇｎ＆Ｄｅｖｌｐｍｅｎｓｉｅｏｔ
（ｏｔｈｎｉｅｓｙｏｅｈｏｏｙＳｕｈＣｉａｖｒｉｆｃｎｌｇ，Ｇｕｎｚｏ６０ＵｎｔＴａｇｈｕ５０４）１
ＡｂｔａｔＴｈｓｐｐｒｂｉｄｏｅｏｈｔｕｔｒｆａｆｏｔｇｃａｅｂｈｉｉｅｅｅｎｅｈｄＴｈｅｕｌｒｓｒｃ：ｉａｅｕｌｓａｍｄｌｆｒｔｅｓｒｃｕｅｏａｉｒｎｙｔｅｆｎｔｌｍｅｔｍｔｏ．ｅｒｓｔａｅｌｎｓｃｌｕａｅｏｃｅｋｔｅｓｒｎｔｒｓｖｒｌｄｆｅｅｔｋｎｓｏａ，ｉｈｗｉｌｅｇｖｎｔｈｎｉｅｒｏｔｕｔｒｌｄｓｇａｃｌｔｄｔｈｃｈｔｅｇｈｆｅｅａｉｒｎｉｄｆｌｄｓｗｈｃｌｂｉｅｏｔｅｅｇｎｅｓｆｒｓｒｃｕａｅｉｎｏｏ
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６起重船结构强度有限元分析０ｔ０
张润宏
（华南理工大学土木与交通学院，广州５０４）１６０
摘要：本文建立了某起重船起重结构的有限元模型。通过有限元计算，在其建造和结构强度测试之前，初步核算其结构的强度能否满足作业的要求，为结构设计提供参考。本文介绍的计算，可供起重船设计人员在设计起重船结构时参考使用。

28000 t多用途船首楼加强结构有限元强度分析

28000 t多用途船首楼加强结构有限元强度分析本文将针对一艘28000 t多用途船的首楼加强结构进行有限元强度分析。

首先，介绍该船的基本情况和首楼结构设计方案，然后，给出有限元模型和边界条件。

接着，进行计算，并分析其结果。

最后，提出一些建议和结论。

一、船舶基本情况该船为中国造船集团公司设计研究院设计，船长度为190.00m，船宽为32.26m，型深为18.10m，设计总吨位为28000t。

该船为多用途船，可用于散货运输、集装箱运输、油船等不同类型的货物运输。

首楼位于船头部分，是船体结构中较为重要的部分，需要进行加强以达到防护和支撑作用。

二、首楼结构设计方案为了提高首楼强度和稳定性，在船体设计中需要对首楼进行加强。

首先，在原有首楼结构基础上加装侧板，提高侧部强度；其次，加装绞刀柱和纵梁，提高纵向支撑能力；再次，加固首楼底板，增加底部强度。

三、有限元模型和边界条件在进行有限元分析前，需要建立一个精细的有限元模型。

首先，对整个船体进行数值化建模，包括船体的各个结构部分。

然后，按照首楼加强结构设计方案，对首楼部分进行加固，建立新的有限元模型。

接着，需要确定边界条件。

在进行有限元计算时，需要确定边界条件，以便进行一个完整的力学分析。

由于首楼位于船体的前部，处于海浪和风浪影响较大的区域，需要考虑风浪载荷的影响。

同时，还需要考虑船体的移动和弯曲等因素。

四、计算与分析在确定有限元模型和边界条件后，进行了有限元计算和强度分析。

在计算过程中，考虑了船体在不同风浪条件下的载荷，进行了强度分析和振动分析。

根据计算结果可以得出：首楼加强结构设计方案符合设计要求，能够提高船体的强度和稳定性。

在不同风浪条件下，首楼结构都有足够的强度和稳定性，能够保证船舶在航行时的安全性和稳定性。

五、建议和结论针对以上计算和分析结果，提出如下建议和结论：(1) 首楼加强结构设计方案符合设计要求，能够提高船体的强度和稳定性。

(2) 在进行船体设计时，需要综合考虑船舶的航行条件和使用要求，以便确定最佳的结构设计方案。

船舶结构强度直接计算中板单元应力的取法

32 . 06 89 . 27 44 . 89 93 . 92 44 . 87 93 . 00
- 32 . 99 - 42 . 79 - 46 . 19 - 56 . 01 - 46 . 20 - 46 . 42
- 35 . 93 - 20 . 04 - 50 . 31 - 34 . 65 - 50 . 32 - 77 . 43
3）正常载荷作用下，由板的局部弯曲引起的应力与板的薄膜应力相比并不大。 1.2 测试模型
显然，作用在板上的横向载荷越大，板的局部弯曲越大，上述!4 就越大。不考虑如砰击、晃荡引起的局部动力载荷时，船舶结构中的板结构一般在外底或内底所受的压力最大。
为了讨论和分析在有限元计算中，板的局部弯曲应力对计算结果的影响，进行如下测试与分析。
1）受到骨架支持的板格，只要骨架有足够的刚度而不失稳，板格表面小的局部屈服并不会引起其承载力的明显减小和正常使用；
2）根据 3 种常规船型结构强度直接计算分析指南中规定的建模准则，有限元网格沿横向按纵骨间距或类似的间距划分，纵向按肋骨间距或类似的间距划分，而板壳单元采用线性位移模式的 4 节点四边形单元或 3 节点三角形单元，也就是说按照这样的网格模型，由板的局部弯曲引起的弯曲应力是算不出来的；
" 中面应力与表面应力
1.1 分析船体是由许多构件组成的复杂结构，每一构件
各自承担着一定的作用，其受力和变形极其复杂。但它们具有的共同特点是，在承受外部载荷后，将顺序地传递所受到的力，并发生相应的变形。构件在受力和传力的过程中会受到多种作用，产生多种应力。在传统的船体结构强度分析方法中，对于纵向强力构件，习惯上把应力人为地区分为 4 种，即总纵弯曲应力（!1）、板架弯曲应力（!2）、由纵骨弯曲引起的应力（!3）和由板格局部弯曲引起的应力（!4），根据各种构件在传递载荷过程中所产生的应力种类和数目，用合成应力来校核其总纵强度。这种方法是近似的和不合理的［3］。

58m起重船有限元强度计算

58m起重船有限元强度计算有限元强度计算是一种利用有限元分析方法，对起重船进行结构强度分析和计算的技术手段。

在进行起重船的有限元强度计算时，需要考虑起重船的结构特点、荷载情况和材料性能等因素，通过有限元分析软件对其进行建模和模拟，最终获取起重船在各种工况下的应力、变形等参数，以评估其结构的安全性和可靠性。

一般来说，起重船的有限元强度计算主要包括以下几个步骤：1. 建立起重船的有限元模型。

首先需要对起重船的结构进行三维建模，包括船体、吊臂、支撑结构等部件。

然后根据实际情况给出结构的约束、荷载条件和材料性能参数等。

2. 进行静力分析。

在建立好有限元模型后，需要进行静力分析，计算起重船在不同工况下的受力情况，包括自重、载荷、风荷载、船体和吊臂的应力等。

3. 进行动力分析。

除了静力分析外，还需对起重船进行动力分析，考虑在船舶运行和吊重过程中产生的动态荷载，如风浪、潮流等。

通过动力分析得到起重船在吊重过程中的应力和变形等情况。

4. 计算与评估。

最后需要对所得到的计算结果进行分析和评估，判断起重船在各种工况下的结构安全性和可靠性，以确定其是否符合设计要求和规范要求。

起重船的有限元强度计算对于评估起重船的结构强度和安全性具有重要的意义。

通过有限元分析，可以较为精确地预测起重船受力情况和结构行为，为船舶设计和使用过程中的结构优化和改进提供依据。

有限元强度计算也有助于发现起重船在设计、制造和使用过程中可能存在的结构问题，及时进行修复和改进，以确保起重船在运行过程中的安全可靠。

通过有限元强度计算可以为起重船的结构设计提供参考和借鉴，促进船舶结构设计和研发水平的提高。

起重船的有限元强度计算是一项重要的技术手段，对于提高起重船的结构安全性、可靠性和经济性具有积极的意义。

通过合理、准确地进行有限元强度计算，可以为起重船的设计、制造和使用提供科学的依据，为船舶行业发展和船舶工程的进步做出积极贡献。

58m起重船有限元强度计算

58m起重船有限元强度计算
58m起重船是一种大型海洋工程装备，用于进行重物的起升和运输。

为了确保起重船在工作过程中的安全性和可靠性，需要进行有限元强度计算。

有限元强度计算是采用有限元方法，通过对起重船结构进行离散、建模和计算，得到结构在各种工作负荷下的应力和变形情况，从而判断结构的强度和刚度是否满足设计要求。

进行有限元强度计算需要根据起重船的设计图纸和规范要求，对船体结构进行建模。

将船体分为若干个有限元单元，利用有限元软件将其离散化，确定节点和单元的连接关系。

然后，根据起重船在工作中可能遇到的力学负荷，如船体自重、起重货物的重力、风载荷、浪载荷等，设置相应的载荷荷载条件。

根据计算结果对起重船结构进行优化设计。

如果计算结果显示某个部位的应力超过了允许的极限值，就需要对该部位进行优化处理，通常可以采用增加材料的厚度、加强连接节点、增加支撑等方式来提升结构的强度。

需要注意的是，在进行有限元强度计算时，除了考虑静力载荷外，还需要考虑船体在工作中可能遇到的动力载荷，如船体的加速度、速度变化等。

这些载荷都会对起重船结构产生影响，需要进行综合考虑和计算。

有限元强度计算是一种重要的工程计算方法，可以评估起重船结构的强度和可靠性，为起重船的设计和制造提供科学依据。

通过优化设计，可以确保起重船在各种工作条件下都能够满足安全和可靠的要求。

58m起重船有限元强度计算

58m起重船有限元强度计算起重船是一种通过起重机构进行货物吊装和运输的特种船舶，用于港口、航道、河道、水电站等场合的货物装卸作业。

起重船需要具备足够的强度来承受起重机构产生的巨大荷载，并保证船体的稳定性和耐久性。

本文将介绍起重船有限元强度计算的几个关键步骤。

起重船的结构通常由船体、起重机构、船尾和推进装置等部分组成。

在强度计算中，我们主要关注船体的结构强度。

第一步，确定有限元模型。

有限元法是一种基于数值计算的工程分析方法，它将结构划分为多个小单元，通过计算每个单元的应力和变形来推导整个结构的强度特性。

在起重船的有限元模型中，通常包括船体的外部壳板和内部纵横隔舱的框架和甲板等部分。

根据实际情况选择合适的单元类型和尺寸。

第二步，确定荷载条件。

起重船在工作状态下需要承受多种荷载，包括自船重、起重机构产生的货物重量、水动力荷载、风荷载等。

根据船舶设计规范和实际工况，确定每个荷载的大小和分布情况。

第三步，进行有限元分析。

利用有限元软件，将荷载作用于有限元模型，计算结构在荷载作用下的应力和变形。

通过分析计算结果，可以评估结构的强度和刚度，发现可能存在的问题和隐患。

第四步，优化设计。

如果有限元分析中发现结构存在强度不足或变形过大的问题，可以进行结构的优化设计。

常见的优化方法包括加强结构的某些部位、增加材料的厚度或强度等。

通过多次迭代，不断改进结构设计，使其满足强度要求。

第五步，验证计算结果。

在优化设计完成后，需要对修正后的结构进行验证计算，以确保其满足强度要求。

这可以通过再次进行有限元分析，将荷载作用于修正后的模型，检查结构的应力和变形是否满足设计要求。

起重船的有限元强度计算是一个复杂的工程分析问题，需要综合考虑结构的多种荷载和多个工况下的应力和变形。

通过科学的分析方法，可以为起重船的结构设计提供有力支持，确保其安全可靠地承载起重机构的运行。

基于目标弯矩的舱段结构总纵强度直接计算方法

基于目标弯矩的舱段结构总纵强度直接计算方法陆月;张少雄;姜惠;蔡雨萌【摘要】在仅知船体各站垂向弯矩的情况下,以某船舱段模型总纵强度直接计算分析为例,应用3种方法计算舱段内各强框架处模拟浮力与总重之差的等效节点力,并加载计算,结果分析表明,施加等效节点力来模拟浮力与总重之差进行舱段总纵强度评估的方式是可行、合理的.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2018(047)004【总页数】4页(P36-39)【关键词】舱段;总纵强度;等效节点力;有限元分析【作者】陆月;张少雄;姜惠;蔡雨萌【作者单位】武汉理工大学交通学院,武汉430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U661.43对船体的总纵强度进行评估时，由于船舯处所受船体梁载荷较大且全船结构直接计算需要花费大量时间和建模工作量，所以一般按照规范要求[1]选取舱段模型进行直接计算和强度评估[2-3]。

在许多船舶设计初期，可能仅能提供船体各站的垂向弯矩和剪力分布，此时采用简支梁，可反推得到舱段模型两端的支反力以及中间各强框架处的剪力，以等效节点力的形式施加到目标位置承受剪力作用的节点上，结合端面弯矩得到满足总纵强度要求的弯矩分布[4]。

为了实现考虑总纵弯矩分布的舱段结构强度直接计算和设计，提出3种以等效节点力模拟船体梁总纵弯矩、剪力的方法。

以某船舱段模型直接计算为例，分别根据3种方法计算舱段内各强框架处的等效节点力并进行舱段总纵强度有限元分析，比较各计算方法的适应性。

1 等效节点力计算方法及原理1.1 方法一依据全船各站的垂向弯矩计算舱段各强框架及端面处的弯矩，即目标弯矩。

设舱段中有n个强框架，目标位置处的弯矩值为Mi(i=1，2，…，n)，对应的剪力值为τi(i=1，2，…，n)。

端面弯矩值为MA，支座反力为MF。

各强框架距左端A点的距离为xi(i=1，2，…，n)，舱段总长L。

58m起重船有限元强度计算

58m起重船有限元强度计算
起重船（Craneship）是以特定设备与专家知识为标准行业工程师从事结构设计、施工专业设备之一。

起重船设计涉及起重机械应力学有限元分析，它是结构设计和施工任务中最重要的部分，是确保起重船安全和可靠运行的关键因素。

起重机械应力学有限元分析将有限元计算机模拟技术应用于工程结构的计算机模拟。

它利用有限元理论和算法，通过分析工程结构的系统模型，模拟实际情况，可以提供起重船的应力、变形和位移的计算结果。

通过采用有限元方法，可以准确的获取起重船结构的受力状况，为起重船结构的调整和安全发挥作用。

从而是确定起重船结构合理强度等级的重要手段。

在计算中，起重船有限元强度计算需要考虑以下几个方面：
1、受力条件：考虑桥腿承载及腹板弯曲等受力条件，以及结构形式、尺寸，和组成成分的能力与结构受力的适应性；
2、材料性能：计算时需要考虑各种材料的特性，以恰当的方法使计算结果与实际情况相适应；
3、有关程序：有力学分析需要正确地选择和实施弯矩分布等计算过程；
4、外部载荷：考虑桥腿起动器限位装置、运输限位装置、塔腿支撑等载荷；
起重船有限元强度计算是一项复杂的工作，它要求工程师们的专业知识和技能都得到充分的运用。

起重船有限元强度计算结果将为规划和实施整个工程的有效性和可靠性提供参考。

基于7.1m三体高速船总强度有限元分析

基于7.1m三体高速船总强度有限元分析在现代船舶造船技术中，有限元分析是一种基于数学模型的方法，可以有效地评估结构在设计阶段的可靠性，并具有精度高、可靠性强、计算速度快等优点。

本文将对7.1m三体高速船总强度有限元分析进行探讨。

一、分析背景7.1m三体高速船是一种应用于水上客运、海上巡逻、作业等多种用途的交通工具。

针对该船舶的结构特点和设计要求，进行有限元分析，可以全面地评估该船舶的强度和稳定性，运用先进的数值计算方法，以减少船舶开发的成本和时间。

二、有限元分析方案有限元分析是一种基于局部结构和全局结构的计算方法，可以确定强度和刚度等物理量。

本次有限元分析的目的是在不改变原有结构设计的基础上，评估该船舶在遭受外部海况和载荷作用下的强度和安全性。

1.建立几何模型将该船舶的结构分为三体，分别为左、中、右侧，对其进行高精度三维建模，并考虑结构的复杂性和材料特性。

2.划分网格采用Tetra Element划分方法进行网格划分，具体划分方法为稳态分析方法，采用一般豌埔福采模型进行模拟分析。

3.选取材料属性采用正常材料和普通船用结构钢制造，选用合适的材料参数和实验数据，包括弹性模量、泊松比等。

4.载荷和约束通过确定合适的载荷条件和约束条件，模拟海洋复杂环境下的海况和潮汐作用。

同时，还考虑了船舶的运动、惯性、重心等因素。

三、分析结果及建议经过有限元分析，得到了7.1m三体高速船的强度和稳定性状况。

分析结果显示该船舶在航行中遭受海况和载荷作用，结构稳定，强度充足，同时还需要进行一些改进。

1.加强水密性在海况较为恶劣时，需要采取一些措施加强船舶的水密性，同时提高其抗浪能力，从而保证乘客和船员的安全。

2.增强船体的刚性考虑到船舶在长期使用过程中，会发生一定程度的松动和变形，需要加强船体的刚性，从而提高其运行性能和稳定性。

3.优化船舶的设计在保证强度和稳定性的前提下，可以对船舶的设计进行优化，如提高载货量、减小船舶阻力等，从而提升开发效益。

锚机支撑结构局部强度两种直接计算方法对比

锚机支撑结构局部强度两种直接计算方法对比王佚;张少雄;张华【摘要】In the direct strength assessment of the windlass's foundation and its supporting structures, two methods to apply the loadings are adopted, and the stress results are compared and analyzed.It can be concluded that both of the methods can be used to assess the local strength of the windlass's foundation and its supporting structures when the stress level is low, when the stress is close to the allowable stress, the method using MPC is recommended.%采用两种加载方式对某浮吊锚机基座及相关船体结构的局部强度进行直接计算，并对比分析两种方法所得的应力结果，结果表明，两种方法是应力结果差别较大，在应力水平较低时两种方法都可以用来计算校核基座及其支撑结构的局部强度；当应力水平接近许用应力时，建议采用MPC加载方式计算评估。

【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】6页(P50-54,59)【关键词】锚机;局部强度;有限元;直接计算【作者】王佚;张少雄;张华【作者单位】武汉理工大学交通学院，武汉430063;武汉理工大学交通学院，武汉430063;中国船级社上海审图中心，上海200135【正文语种】中文【中图分类】U663.7随着船舶吨位不断增大，锚系泊力越来越大。

基于等强度板格稳定的船体结构优化设计研究

基于等强度板格稳定的船体结构优化设计研究张少雄;喻之凯;向林浩【摘要】以一艘110 m江海直达散货船为研究对象,通过全船有限元直接计算,对货舱区各主要构件的板厚进行优化,使船中0.6 L(即 0.2 L～0.8 L)范围内构件的屈服强度、屈曲强度都在IACS<散货船共同结构规范>规定的许用标准之内(或不超过许用标准5%),并且没有较大富余(至少有一种强度余量在±5%以内).在参考其他优化算法的基础上,推出了适合文中模型的算法,通过计算证明该算法是可行的,收敛速度也比较快.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2008(037)001【总页数】4页(P19-22)【关键词】净尺寸;直接计算;优化设计;等强度【作者】张少雄;喻之凯;向林浩【作者单位】武汉理工大学,交通学院,武汉,430063;武汉理工大学,交通学院,武汉,430063;武汉理工大学,交通学院,武汉,430063【正文语种】中文【中图分类】U661.4IACS《散货船共同结构规范》于2006年4月1日开始实施。

其中有很多技术亮点，包括采用了新的净尺度概念等。

所谓“净尺寸”，即为从船舶新建阶段开始一直到整个船舶设计寿命中都得以保持的厚度，以满足结构强度的要求，它提供了结构承受载荷所需的强度特征，不包括任何船舶运营期间可能发生的腐蚀余量和船东自愿增加的厚度。

我国现行的各种船舶入级规范都是基于构件的建造厚度以及相应的统计规律、统计结果和研究手段等建立的，与净尺寸的要求有一定的距离。

从理论和实用的角度上说，将船舶运营期间可能发生的腐蚀余量(和磨耗余量等)从船体构件的建造厚度中剥离出去，采用净尺寸的概念对船体构件的最低要求进行规定，对于确保船舶结构在全生命周期内的安全是合理的和必要的。

针对江海通航船的特点和要求、根据目前所掌握的计算分析手段，认为所研究的“净尺寸”应该保证的项目应有所侧重：疲劳强度暂不考虑，极限强度不予考虑，所得到的“净尺寸”实际为对应于“等效设计波”的波浪载荷以及船舶正常的装载状态，船体结构构件满足屈服强度和板格稳定最低要求的最小厚度。

基于离散元的矿砂船货物载荷计算方法

基于离散元的矿砂船货物载荷计算方法宋喜庆;张少雄;胡丰梁【摘要】文中以250 000 DWT VLOC实船为例,借助离散元分析软件(EDEM)对干散货内部载荷进行分析,合理设置仿真参数,模拟实际货舱的货物装载情况,并基于python语言开发了EDEM与MSC.Patran的程序接口,通过此接口实现了离散元压力场向有限元计算载荷的映射,建立起一整套干散货货物载荷计算分析方法.在此基础上,对比探究基于共同规范和和离散元的货物静载荷计算方法在超大型矿砂船货物静载荷计算中的差异.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2018(042)005【总页数】6页(P852-856,861)【关键词】有限元;离散元;共同规范;货物载荷【作者】宋喜庆;张少雄;胡丰梁【作者单位】武汉理工大学交通学院武汉 430063;武汉理工大学交通学院武汉430063;中国船级社北京100007【正文语种】中文【中图分类】U663.20 引言超大型矿砂船(VLOC)与普通散货船相比在船体结构型式上存在较大差异，近年来矿砂船诸多的倾覆事故及其不断大型化的发展势头使其结构安全性备受关注，一般需采用船舶直接计算方法进行强度校核.载荷的计算是决定直接计算准确与否的关键，矿砂货物载荷是其重要组成.干散货对于壁面的作用的研究属于土力学范畴，挡土墙压力理论其重要参考.在船舶工程领域， Koichi等[1-2]多次开展实船航行过程中货物压力进行监测，然而数据显示矿砂船航行过程中受船体的振动、晃荡等因素的影响，货物压力的实测结果与按库伦土理论整理的货物压力存在较大差异，且无明显规律.目前船舶工程中所应用的载荷计算公式通常以规范公式为指导，如文献[3]中对于干散货货物载荷的计算要求，通过侧压力系数计算非水平板的侧向压力.这种用于船舶强度直接计算的内部载荷计算方法不能考虑干散货颗粒的形状参数、舱壁的倾斜程度、滑裂面假设[4]等，也忽略了干散货颗粒装载过程中的随机分布、颗粒间的摩擦系数、颗粒与舱壁的摩擦系数及颗粒的剪切模量，是一种近似的干散货内部载荷的描述方法.因此有必要对船舶直接计算中传统计算方法的可靠性进行重新考虑.1 考虑方法干散货尤其是矿砂类货物的的力学特征体现为“散”“动”，使用连续体力学分析干散货压力问题依赖了太多假设.通过离散元法(DEM)描述干散货堆积状态可以使货物载荷与实际更加贴合.随着计算机运算性能的快速提升，DEM计算方法的可行性将逐渐显现出来.本文基于离散元分析程序EDEM对这种货物载荷的分析方法展开探索.EDEM是一款具有高工程应用价值的离散元分析软件[5]，它可以对用户自定义形状的颗粒添加力学参数并设置颗粒与颗粒间及颗粒与几何体间的接触关系，同时可仿真颗粒随预定义几何体的匀速和变速运动，在降低实验成本的前提下能够为实际工程问题提供更好的解决方案.本文采用MSC.Patran建立250 000 DWT VLOC三维有限元模型，提取货舱的结构有限元网格，通过网格处理程序，为EDEM分析提供网格模型，在EDEM中模拟干散货的装载情况，分析货物载荷产生的堆积压力场.最后通过基于python语言开发的EDEM与Patran的数据接口，实现离散元压力场向有限元计算模型的映射.2 实现方法选取服务于澳大利亚至中国的250K DWT VLOC为目标船.该船总长315.29 m、型宽57.00 m，型深25.00 m，设计吃水18.00 m，货舱体积19 544 m3，方形系数0.863，最大货物密度2.5 t/m3，货舱结构模型见图1.图1 货舱结构模型2.1 计算流程设计船舶直接计算是一项复杂、高难度的船舶结构安全性评估方法，涉及多项技术的综合应用[6]，同时载荷形式多样，为保证不对现有直接计算流程产生影响，离散元分析得到的静压力加载过程设置在建立船舶有限元计算模型并完成网格附属性之后和静平衡调整之前完成.离散元分析程序EDEM和有限元分析工具Patran具有完全不同的结构网格和仿真环境.其中EDEM仅允许三角形网格，承受载荷并限制颗粒运动，而Patran建立的有限元网格则以体现结构力学特性和传递外载荷为主要功能，为提高计算精度，船舶计算中有限元网格以四边形网格为主，并带有少量三角形网格.结合货物压力及程序间结构网格的功能特点，本文设计形成的静载荷加载流程见图2.图2 离散元分析流程图2.2 有限元网格及网格处理通过离散元仿真实现静压力场计算首先要由目标船的有限元模型提取货舱模型，该模型为由四边形和三角形网格组成的五面封闭的网格模型，本文直接采用直接计算中800 mm的网格尺寸即一个肋距，提取得到的货舱有限元网格模型见图3，包含了内底板、货舱底凳前后侧板、槽型舱壁、底边舱斜板、内舷板及舱口围板. 图3 有限元分析模型A在此基础上，通过网格处理程序对原模型文件进行转化形成了用于离散元分析的模型数据文件.离散元分析中的结构模型保留了模型A的节点位置信息，建立的适用于EDEM分析的货舱模型见图4.该模型具有7 070个节点，14 050个三角形单元.图4 离散元分析模型B2.3 DEM仿真参数设计DEM仿真参数包括计算模型的选择、材料参数、接触关系模型、装载方式等.其中在分析模型的选择上，本文采用的分析模型[7]为Hertz-Mindlin(No Slip)模型，见图5.图5 球形颗粒碰撞接触模型该模型的法向力Fn为法向重叠量δn的函数，满足：.式中：E*和R*分别为当量弹性模量和当量半径.当量弹性模量满足：当量半径满足：切向力Ft由切向重叠量δt和切向刚度St决定，满足Ft=-StδtSt=8G*式中：G*为当量剪切模量.离散颗粒法向力和切向力具有阻尼分量，其中阻尼系数和恢复系数相关，切向摩擦力遵守库伦摩擦定律，滚动摩擦力通过接触独立定向恒转矩模型实现.材料参数和接触关系模型的设置中，本文根据实船装载特点及装载的货物类型，材料参数根据实际装载货物类型进行设置，采用CSR规定的休止角和材料特性设置接触参数，同时，为提高仿真效率，钢质围壁与铁矿砂的滚动系数设置为0.由此建立表1～2的材料参数及接触关系模型.表1 材料参数材料泊松比剪切模量/Pa密度/(kg·m-3)铁矿砂0.24.58×1072 500钢0.37.92×1077 850表2 接触关系接触关系回弹系数滑动摩擦系数滚动摩擦系数铁矿砂-铁矿砂0.010.010.01钢-铁矿砂 0.350.320在装载方式上[8]，采用在以舱口中心为原点的6 m边长的8边形范围内随机生成颗粒并在重力加速度作用下装载堆积的方式.由此建立的货舱重载装载模型见图6. 图6 EDEM装载模型2.4 压力场映射离散元分析中考虑了颗粒的弹塑性及运动、碰撞，在颗粒装载完毕后通过总体坐标系下三个方向上的合力随时间的变化曲线可取出相对稳定态下的压力场分布.装载量为93.4万个颗粒的货舱装载模型X方向合力随时间的变化曲线见图7.图7 货舱X方向合力随时间的变化曲线离散元分析中干散货颗粒与三角形网格在接触平衡模型可求得三角网格节点上的集中力.由于输出格式及节点重编号的问题，网格节点上的集中力难以直接用于船体强度的直接计算.利用python语言开发的EDEM与Patran的数据接口，可从EDEM数据库读取并完成节点位置及载荷信息的筛选，在将有效信息加工为Patran的命令流字符串后输出创建PCL脚本文件[9-10]，以python的OS程序模块建立程序控制关系，使节点位置及压力场在模型间建立映射关系，实现离散元分析得到的静载荷在Patran中的程序化快速施加.其中，由于模型A与模型B节点编号的改变，程序对重建节点的位置关系进行搜索判断，消除旧节点，将重建节点上的载荷映射到原节点所在位置上，保留了原网格的形状及质量.详细实现流程见图8.图8 压力映射程序流程设计3 建立对比条件为验证通过离散元方法开展货物载荷计算的可行性，本文加载至货舱的货物载荷按本文第二部分描述的方法完成，并以本节定义的载荷总量控制模型和载荷输出形式为标准与CSR法货物压力施加方法建立对比条件.3.1 载荷总量控制模型CSR中定义的货物上表面为梯形折线，本文基于DEM方法，模拟了货物于舱口中心为原点的6 m边长的8边形范围进行自由装载的情况，考虑离散元装载颗粒的对堆积特性，本文将货物上表面调整为抛物面，选取平均舱长和平均舱宽中较小值与休止角正切值乘积的一半作为堆积高度Hxy，货物堆积形成的截面参数设置见图9.图9 货物堆积截面参数设置由此建立堆积上表面的高度曲面方程为φ·将Hsur代入得到侧压力方程φ×α(1-sin φ)+cos2 α]根据确定的货物上表面，由此建立控制关系模型为式中：N为颗粒的装载数量；P为球形颗粒的孔隙率；ρ为初始设定的货物密度；Mt为货物装载总重；Fz为货舱重载工况下货物的垂向总压力.3.2 载荷形式DEM法通过节点力的方式考虑颗粒与结构网格的接触关系，输出结构模型各节点上压力、摩擦力的合力在总体坐标系三个坐标轴方向上的等效分量.CSR将货物静载荷分解为两部分载荷，即垂直于货舱围壁的压力、倾斜板沿板面向下的剪切力.两种计算方法下货物静载荷的体现见图10.图10 两种计算方法下货物静载荷本文将CSR计算得到的两部分载荷按总体坐标系三个方向等效分解到节点上，与DEM法得到的节点力进行对比.4 分析结果过程中选取半径0.95，0.85，0.75，0.65，0.55，0.45，0.35，0.25和0.15 m 的颗粒按2 000个/s的装填速度分别开展了装载实验，提取得到相对稳定态下作用于整个货舱垂向合力随颗粒半径的变化关系见图11.图11 货舱Z向合力随颗粒半径的变化关系由图11可知，当半径达到0.15 m，网径比(网格尺寸/半径)达到5.3时，颗粒与单个网格最大接触数量达到8.4个，DEM法计算得到的总体载荷与CSR法计算得到的总体载荷已基本一致，差距仅为0.36%.在此条件下形成的重载状态下CSR法和DEM法货物静载荷等效为节点载荷后的压力云图见图12.图12 两种计算方法下货物静载荷等效节点力云图由图12可知，货物颗粒在内底板等构件上出现了明显的随机压力分布，与CSR 法中货物载荷理想化的均匀的载荷分布有较大出入，这与实际矿砂装载过程中因货物颗粒间的随机性碰撞后的堆积行为相符.在整体上，DEM计算方法在作用于货舱结构网格上的X,Z方向合力与CSR法差距较小，Y向合力虽然与CSR法有量级上的差距，但与X方向合力同量级，这与粒径半径的选择相关.货舱重载工况下三个方向的合力表现见表3.在该离散元仿真参数下，本文提取了半径在0.15～0.95 m范围内，9种颗粒半径装填完成在内舷板上产生的侧压力随高度的变化曲线，并与CSR法进行对比，离散元分析方法得到的侧向压力随装填颗粒半径的缩小，在内舷板上的侧向压力逐渐增大，侧压力变化逐渐平滑,见图13.表3 两种计算方法下货物载荷合力对比载荷分量DEM/NCSR/N误差/%Fx-7.86×1058.63×105-8.92Fy-3.34×10580.8LargeFz-2.85×108-2.84×1080.36图13 内舷板Y方向沿高度方向压力变化5 结论1) 本文开展了离散元与有限元计算模型结构网格间压力场映射方法研究，建立了基于Python语言和Patran PCL命令流的压力场映射方法的可行的流程设计，可在不改变原模型节点位置及网格质量的情况下，可通过场函数的形式进行大量节点力的高效加载.2) 从离散元分析结果看出，使用网径比达到5.3的分析模型进行散货装载仿真还是会在内底板等构件上出现压力场的概率性分布，这与CSR理想化的规律的载荷分布模型不符.3) 本文建立了一套基于离散元的货物压力计算流程，并以实际货舱模型为例进行了装载测试，为货物载荷的研究提供了思路.参考文献【相关文献】[1]KOIKAI H. On measurement of iron ore pressure [J].日本造船学会论文集，1967.[2]YOSHIYUKI Y, TAMAKI U. Elastic-plastic analysis of the distribution of ore pressure on alongitudinal bulkhead in an ore carrier subjected to wave loads [C].日本造船学会论文集,1973.[3]IACS. Common structural rules for bulk carrier and oil tankers [S].New York: International Association of Classification Societies,2015.[4]罗秋明.超大型矿砂船全船结构强度计算及内部货物载荷分布研究[D].上海：上海交通大学,2010.[5]张辉,张永震.颗粒力学仿真软件EDEM简要介绍[J].CAD/CAM与制造业信息化,2008(12):48-49.[6]张少雄,刘淇,申友波.某油船改造成双舷侧散货船结构强度直接计算分析[J].船海工程,2010,39(5):11-13.[7]张辉,张永震.颗粒力学仿真软件EDEM简要介绍[J].CAD-CAM与制造业信息化,2008(12):48-49.[8]肖锡洲.基于EDEM的装载过程仿真研究[D].赣州：江西理工大学,2013.[9]岳晓瑞，徐海洋，罗薇，等.海洋工程结构物风载荷计算方法比较[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2011.35(3)：453-456.[10]张磊.基于Patran二次开发的飞机尾翼有限元建模方法[J].计算机辅助工程,2013,22(增刊):240-242.。

39.8m起重趸船底座结构强度有限元计算分析

θx
自由
角位移
θy
自由
θz
自由
图 4 39.8 m 起重趸船底座边界约束
图 5 载荷加载
的作用位置需要设置在相应加载端面的几何形心位置处。根据“规范”，通常选用 MPC（多点约束 / 主从节点）方式对其进行作用力的加载 [2]。本船吊机重量为 185 t，吊重为 25 t，纵向力臂为 25 m，所以施加载荷为 210 t，力矩 625 t·m，如图 5 所示。 1.5 材料参数
图 1 39.8 m 起重趸船底座纵剖面图
图 2 39.8 m 起重趸船底座有限元模型图 3 去掉甲板后的有限元模型
1.3 边界条件边界条件按照“规范”规定，如表 1 所示，根据表 1 对
该结构有限元模型施加相应的边界条件，如图 4 所示。 1.4 载荷加载
根据起重机的用途和作业特性，计算载荷取在安全工作负荷范围内，起重设备支撑结构所承受的最大作用力，包括反作用力或倾覆力矩。加载时，一般应将计算载荷加在支撑圆筒、起重柱（如有）或基座构件模型的最顶端，同时合力
该工程船船体材料的主要参数为：弹性模量：E=2.1×1011 N/m2，泊松比： =0.3，材料密度： =7.85×103 kg/m3。 1.6 计算工况作业工况选取 2 种极限工况：纵向起吊和横向起吊，其余工况均在此 2 种工况之间，2 种极限工况的载荷和力矩如下：工况 1：纵向起吊，底座部位载荷为 210 t，纵向力矩 625 t·m；工况 2：横向起吊，底座部位载荷为 210 t，横向力矩 625 t·m。 1.7 有限元计算结果通过 MSC.Patran/MSC.Nastran 软件进行直接计算，分析应力云图，各构件的计算应力如表 2 所示，同时对照“规范”，确定是否满足强度要求。

1000t起重船扒杆结构强度有限元分析

第 9卷第 17 期 2009 年 9 月 1671 21819 (2009) 17 25252 204
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol19 No117 Sep. 2009
ν 2009 Sci1 Tech1 Engng1
[3]
, 而导致部分单元产生了应力集中现
象 ,且只是极少部分出现了应力集中 , 可以忽略。从各构件的应力云图中可以得知 , 扒杆结构强度是满足要求的。
3 )各工况中 , 扒杆主吊钩吊头即构件 2 —4 应
力明显较高于其他构件。这是因为扒杆拉索的约束力和起重荷载主要作用在主吊钩吊头上 , 使得其应力较高。少部分单元产生应力集中现象 , 应力偏大 ,可以不予考虑。
-
垂直 ± 1;
3 有限元计算结果及分析
为直观查看扒杆结构的应力 , 对扒杆结构构件进行划分 ,见图 2 所示。
二
4
45 70
1105
111
30 - -
横向 55
-
2. 6 许用应力
起重结构件许用应力按下式计算 :
[σ ] =
σs 。 βn
图 2 扒杆结构构件的划分示意图
2 式中 :σs = 345 N /mm (材质为 Q345B ) ;
4 )少部分构件的连接处由于截面突变 , 易产生
应力集中现象。
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17 期
周国宝 ,等 : 1 000 t起重船扒杆结构强度有限元分析

起重船基座局部强度直接计算方法研究

条件施加见图３。
参考文献ｌ４ｌ对＃６０一＃８０区间船体结构进行建模，包含臂架基座范围，模型包括整个船宽、型深范围的船体结构，对局部的支承构件如肘板等不计入模型中，桁材、肘板的开孔忽略不计，模型如图１与图２所示。
！单元网格
４材料属性
图３模型约束示意图
主船体结构及基座结构均采用船用Ａ级钢，其材料属性如下：弹性模量Ｅ＝２．１ ×１０Ｐａ，泊松比＝０．３，密度
Ｐ＝７．８５×１０ｋｇ／ｍ３
为确保起重船的局部强度满足要求，本文通过采用有限元计算软件ＭＳＣ．Ｐａｔｒａｎ／ＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ对起重基座及舱段结构进行局部强度校核。
二、结构模型
１．模型范围及建立
模型坐标系：Ｘ方向为起重船的纵向，以船艏方向为正方向；Ｙ方向为起重船的横向，以左舷方向为正方向ｌＺ方向为起重船的垂向，以基线向上为正方向。
一
—
图１舱段模型图
３．边界条件
模型边界条件参考文献Ｈ】３．１０．６．２（２），边界条件的假
定应以不影响模型中心所考察单元的计算结果为原则，具体

基于设计波的载重3600t干货船结构强度直接计算分析

基于设计波的载重3600t干货船结构强度直接计算分析
刘海蛟;张少雄
【期刊名称】《船海工程》
【年(卷),期】2013(000)006
【摘要】为准确评估超规范的载重3600 t大通舱干货船的弯扭强度及变形水平，采取全船水动力分析及全船有限元直接计算的方法，对各工况下的主要载荷参数进行长期预报，推导出对应等效设计波各参数。

根据等效设计波求出各工况全船所受的波浪诱导动载荷，施加到全船有限元模型上，进而对船体弯扭强度及变形水平进行评估。

比较了单舱船及货舱中部设一道横舱壁的两舱船，得出单舱船屈曲强度不足的结论，并提出改善屈曲强度的方案。

【总页数】6页(P33-37,41)
【作者】刘海蛟;张少雄
【作者单位】中国舰船研究设计中心，武汉430064;武汉理工大学交通学院，武汉430063
【正文语种】中文
【中图分类】U661.43
【相关文献】
1.浮桥艇结构强度直接计算分析 [J], 王驰明;章新智;李寒林;郭昂
2.双体客船结构强度直接计算分析 [J], 胡帅;符亮
3.356t浮船坞结构强度直接计算分析 [J], 符亮;张春星
4.20000载重吨多用途干货船设计 [J], 白玉刚
5.双体钓鱼船结构强度直接计算分析 [J], 李国强;谢永和;王伟;周俊霖;申楠
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某船设备系固卡板结构及连接焊缝强度直接计算

某船设备系固卡板结构及连接焊缝强度直接计算张嵘峰;张少雄【摘要】根据某船装载设备基座的卡板设计和载荷,采用有限元方法对其结构和连接焊缝的强度进行计算和分析,并依据应力计算结果对原设计进行修改直到卡板结构及其连接焊缝在设计载荷作用下满足强度要求.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2007(036)003【总页数】3页(P17-19)【关键词】卡板;焊缝;结构强度;有限元分析【作者】张嵘峰;张少雄【作者单位】武汉理工大学,交通学院,武汉,430063;武汉理工大学,交通学院,武汉,430063【正文语种】中文【中图分类】U662某船装载设备的基座(由工字钢组成)需要用“卡板”扶强和定位。

该卡板腹板为根部开口的梯形板，厚20、面板为-20×100，底部用角焊缝(包角焊)与垫板(-10×200×300)连接，垫板由角焊缝连接到甲板上。

初步设计的卡板尺寸如图1。

由于船舶的运动，设备产生的惯性力传递到卡板上。

偏于保守的估计，每块卡板需要承受水平方向和垂向的力各200 kN。

需要验算卡板结构及其连接焊缝在上述载荷作用下的强度[1]。

图1 “卡板”原设计尺由于卡板的腹板、面板较厚，比较危险的可能是焊缝的连接强度。

卡板及其连接焊缝都处于三维受力状态，本文采用有限元方法对它们进行计算，兼顾板结构的强度和焊缝的连接强度。

计算所采用的软件是MSC.Nastran(Version 2001)。

1 有限元模型1.1 单元和模型所有的板和连接焊缝都用体(块)单元模拟。

鉴于卡板腹板与垫板之间，以及垫板与甲板之间的角焊缝焊脚均为10 mm，所以单元的边长以10 mm为基准。

模拟板的块单元尽量接近正方体，但在开孔的圆弧处局部加密，在卡板斜边处有少量楔形单元过渡。

为了模拟连接焊缝，被连接板之间留有很小的间隙(0.5 mm)，焊缝多为六面体单元，在拐角处有少量楔形单元过渡。

由于计算结果表明原设计的卡板不能满足强度的要求，对其尺寸及焊缝进行修改，以保证板和连接焊缝的强度。