船体结构有限元分析专题

• etable,SMAXi,NMISC,1 • etable,SMAXj,NMISC,3 • plls,SMAXi,SMAXJ,0.3,0 etable,SMINi,NMISC, 2 etable,SMINj,NMISC, 4 etable,SMINi,SMINj,0.3,0 • fini •
• §3 板梁组合结构计算示例
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/post 1 LSEL,S,LOC,X,0 ESLL /VIEW,1,1.0 /ANG,1,-90 /REPLOT etable,Ni,smisc,3 etable,Nj,smisc,9 plls,Ni,Nj,-1,0 etable,MI,smisc,5 etable,Mj,smisc,11 plls,Mi,Mj,-0.3,0
• · 梁的定位点（方向点）（图1-2） • 定位点k在x-Z平面（也可以在x-y平面）。例： 如果给定一条线，指定了一个方向点(关键点KB)， 则沿线按一定方向生成梁单元（图1-3）
图1-2 定位点
图1-3
• §2 交叉梁系（板架）计算
• 通常采用Beam44单元（图2-1）计算。 • (1).DX1 = 0,DY1 = 0,DZ1 = 0以CG 点为节点。 • (2).如果忽略扭转影响，IX1可填小值， 如IX1 = 1.0e-10；如果忽略IZ1影响， IZ1可填小值，如 IZ1 = 1.0e-10。 • 注意：IX1,IZ1不能填任意值，它对结果 有影响。 • 实常数： • R，1，Area1，,IZ1，IY1，TKZB1， TKYB1，IX1， • Rmore，Area2，,IZ2，IY2，TKZB2， TKYB2，,IX2，如果J点剖面与I点相同 Area2，IZ2，填0或空白 • Rmore，DX1，DY1，DZ1，DX2，DY2， DZ2， • Rmore，SHEARZ，SHEARY，TKZT1， TKYT1，TKZT2，TKYT2 • 剖面特性可以用ANSYS的SECTIONS计 算得到。
• Beam44采用3次形函数，单刚为精确解，所以 划分单元时，在梁的跨度范围（即每个构件）只 用一个单元即可。所以在连续梁、刚架、板架以 及空间刚架计算中多采用Beam44单元。 • Beam188单元为Timoshenko梁－包括弯曲、 轴向、扭转和横向剪切变形，适合于剪切变形为 主的深梁和剪切变形为次的细长梁。当梁的截面 尺寸h与典型轴向尺寸L之比h/L≤1/10 时可以给 出合理的结果，因为它计及了剪切变形的影响。 如果h/L＞1/10为高腹板梁，此时需将梁的腹版 用shell63单元离散，面板用杆元link8离散（图 1-1）。
• 第一章 板梁组合结构计算
• §1 概述 • ANSYS中梁单元类型有多种，在船体结构计算 中主要应用Beam44和Beam188单元。 • Beam44是3D带斜度的非对称梁元，节点i，j， k （ k为定位点），它的理论模型是: • Euler-Bernolli梁－包括轴向、弯曲、扭转变形， 横向剪切变形不包括在单元公式中，即假设梁的剪 切变形被忽略。这只有当梁的截面尺寸h与典型轴 向尺寸L之比 h/L≤1/15时才能给出合理的结果。
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L,3,4 ! L2 Lgen,16,2,,,500,0,0 k,500,0,0,3000 K,1000,4000,8e10,0 NUMMRG,KP,,,,LOW L,3,500 adrag,2,3,4,5,6,7,18 adrag,8,9,10,11,12,13,18 adrag,14,15,16,17,,,18
1.船体结构模型通常可以划分成下列类型： (a) 船体梁整体模型（图1）
(b) 舱段模型（图2）
图1船体梁整体模型
图2 舱段模型
(c) 交叉梁系模型（板架）（图 3）
(d) 肋骨框架模型（图4）
图3交叉梁系模型
(e) 局部结构模型（图5）
图4肋骨框架模型
图5局部结构模型
• 2.单元类型选取 • 舱段及整船分析主要应用板梁组合结构模型。 • 骨架采用梁单元，板采用壳单元，对于高腹板梁的腹板用 壳单元离散，面板用杆单元，支柱及撑材等用杆单元。 • 此外为处理特殊边界条件可能还需要应用一些特殊单元。 • 3.本专题我们将重点介绍舱段和整船有限元分析方法，包 括下列内容： • 板梁组合结构计算 • 舱段有限元分析－建模、施加边界条件、施加波浪载荷方 法 • 全船有限元分析 • 局部结构强度分析 以上内容，用ANSYS程序实现
图2-1
• 例：计算图2-2所示 交叉梁系
• 用ANSYS中SECTION计 算，剖面特性如下： • A=0.0112 m2 • Iy=0.319*e-3 m4 • TKZB1=0.13679 m • TKZT1=0.2832 m • h/L=1/15 ,可用 Beam44计算,以CG为节 点(DZ1=0)
FITEM,2,49 FITEM,2,51 LOVLAP,P51X NUMCMP,LINE /PNUM,KP,1 /REPLOT Element type,1 real,1 esize,500 amesh,all
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Lsel,s,,,85,98 Lsel,a,,,53,54 Latt,1,,2,0,1000,,1 Lmash,all lsel,all FLST,5,15,4,ORDE,15 FITEM,5,55 FITEM,5,-56 FITEM,5,58 FITEM,5,60 FITEM,5,62 FITEM,5,64 FITEM,5,66
• • • • • • • •
• Lesize,all, , ,1
FLST,2,4,4,ORDE,2 FITEM,2,4,4,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-4 LOWLAP,P51X NUMMRG,KP, , , ,LOW LPLOT LSEL,ALL LATT,1,1,1, ,100,
（3）Beam188为一次形函数所以需划分足够多的
图3-3
单元，它与壳单元网格密度一致 （4）定位点：取远点定位 K,1000,4000,8e10,0
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文件: Shell_B188.dat
Leabharlann Baidu
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fini /clear /title,shell 63 + beam188 /prep7 et,1,shell63 r,1,10 et,2,beam188 ! T 8*400/10*100 sectype,1,beam,T, , 0 secoffset,user, 0, 415 secdata,100,415,10, 8, 0, 0, 0, 0, 0, 0 et,3,beam188 ! L125 * 80 * 8 sectype,2,beam,L, , 0 secoffset,user, 0, 130 secdata,80, 130, 8, 8, 0, 0, 0, 0, 0, 0 mp,ex,1,2.1e5 mp,nuxy,1,0.3 k,1,0,0,0 $k,2,8000,0,0 L,1,2 !L1 k,3,0,0,-3000 $k,4,500,0,-3000
图3-1b
• 图3-2为一板梁组合结构（板架）。考虑梁的偏 置应用Beam188单元和Shell63单元计算板架的 变形与应力。
图3-2
• 板架承受均布载荷 q = 0.01 N/mm2 • 本例：h/L=1/20 所以可用梁来模拟。 • 计算要点：（1）Beam188为线性2节点 单元与Shell63（无中间节点）相匹配 • (2 ) 考虑Beam188/189 偏心影响用下面的方法（图3-3 ） • 梁的偏置应用下列命令： • SECOFFST，USER，y，z • SECTYPE，1，Beam，T，Beam188 • SECOFFST，USER，0，415 • SECDATA，100，415，10，8 • SECTYPE，2，Beam，L，Beam188 • SECOFFST，USER，0，130 • SECDATA，80，130，8，8
SMAX max 0 b
SMIN min 0 b
图2-3
• 本例命令流文件：Gird44.dat
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fini /clear /title,gird 2002/9/22 /prep7 /view,1,0.75,0.54,0.38 /ang,1,-101 et,1,beam44 mp,ex,1,2.06e8 R,1,0.0112,1.0e-10,0.319e3,0.13679,0.1,1.0e-10, rmore, , , , , , , rmore, , , , , , , rmore, , ,0.2832,0.1, , k,1,0,0,0 $k,5,0,8,0 kfill,1,5,3 K,6,3,2,0 k,7,3,4,0 $k,8,3,6,0 kgen,2,6,8,1,-6, K,100,0,4,3*1000 L,1,5 $L,6,9 $L,7,10 $L,8,11
LMESH,ALL /view,1,0.75,0.54,0.38 /ang,1,-101 /ESHAPE,1 EPLOT FINI
• /SOLU • DK,1,ALL $DK,5,ALL • NSEL,S,LOC,X,3 • NSEL,A,loc,x,-3 • D,ALL,ALL • ALLSEL • FK,3,FZ,-300 • SAVE • SOLVE • FINI • /EOF
图2-2 叉梁系 （用kN-m 单位）
• 计算要点：
• • • • (1) 忽略IZ,IX,取IZ = 1.e-10, IX = 1.e-10 (2) 全部板架梁都用一个定位点 K,100,0,4,3*1000 (3) 绘纵梁弯矩图 (4) 显示面板、带板应力 材料：E=2.06e8 kN/m2,MU=0.3
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FLST,2,16,4,ORDE,16 • • FITEM,2,1 • FITEM,2,21 • FITEM,2,23 • FITEM,2,25 • FITEM,2,27 • FITEM,2,29 • FITEM,2,31 • FITEM,2,34 • FITEM,2,36 • FITEM,2,38 FITEM,2,40 FITEM,2,42 FITEM,2,44 FITEM,2,47
船体结构有限元分析专题
• 概 述
• 船体是由板梁组成的三维空间结构，是在水中漂浮的自由体，在重力 和浮力作用下处于自平衡状态。根据这些特点，进行船体结构有限元 分析时，各国船级社都有一些要求和规定。 • 我国船级社（CCS）的下列标准可供参考： • 船体结构直接计算指南（海船） • 钢质内河船舶船体结构直接计算指南（内河） • 散货船船体结构强度直接计算指南 • 油船船体结构直接计算指南 • 集装箱船结构强度直接计算指南 • 双舷侧散货船船体结构强度直接计算指南 • 应用ANSYS程序进行船体结构分析时应遵照这些指南或标准的规定， 比如单元选取，网格划分要求，边界条件，载荷等。然后才能选用它 们规定的许用应力衡准。
• 板梁组合结构计算需考虑梁的偏置。 • 当梁单元作为壳单元的加强部件时，梁单元与壳单元应共 享一个节点。壳单元节点位于壳中面上，而梁单元的节点 位于梁横截面形心处，因此，如果壳和梁共享节点，加强 梁与壳将重叠（图3-1a），这与实际结构不符，所以必 须将梁截面从节点位置处偏置（图3-1b）
图3-1a
图1-1
Timoshenko梁（Beam188/ Beam189）采用一次/二次形 函数，所以梁需要划分足够多的单元才能逼近真实解。
• Beam188单元可以直接输剖面尺寸而不需 输入实常数，用/eshape,1命令显示梁的 实体形状时，可显示剖面真实形状；而 Bean44单元则只能显示截面为矩形形状， 因为它是通过输入的实数显示剖面形状的。 此外在后处理中，Beam188单元非常方便， 像shell63单元一样显示应力云图；而 Beam44单元只能通过定义单元表显示梁 的弯矩，应力等。