规范计算和有限元分析介绍

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规范计算演示
2 Hull Girder Bending Strength 波浪弯矩 总弯矩 剖面模数要求 总纵应力要求
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规范计算演示
3 Hull Girder Shear Strength 波浪剪力 总剪力 静矩 剪力在外壳、内壳、纵 舱壁上的分配系数 剪力修正 剪应力要求
Longitudinal Frame Stiffener Space
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Transverse Frame
1. 根据功能和应力方向确定骨架形式 2. 强框间距和骨材间距对钢材重量、
焊接量、涂层量的影响
Frame Space
PSM Arrangement
Web Depth
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1. 根据船型、主尺度确定材料、型材 2. 根据功能需要布置桁材和通道 3. 一定范围内，腹板深度越大，结构
通常需要进行疲劳强度 直接计算的部位具有两 个特点：承受周期性载 荷引起的交变应力；几 何不连续。船舶结构主 要的周期性载荷有波浪 弯矩、波浪压力、货物 惯性力。
油船底边舱折角、集装 箱船舱口角隅、纵骨端 部都具备该特点。
有限元分析和规范计算的区别
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船舶结构 应力成分
Hull Girder PSM
11 Hull Girder Ultimate Strength (CSR Only)
12 Fatigue
13 Multi-sections Calculations
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
14 Transverse Structure
规范计算演示
1 Section Properties 对剖面信息进行统计计 算，如横截面积、不同 材料钢材占比、惯性矩、 剖面模数、中和轴
FR
LOAD01 LOAD02 LOAD03 LOAD05 LOAD06 LOAD07 LOAD08 LOAD09 LOAD10 LOAD11 LOAD12 LOAD13 LOAD14 LOAD15 LOAD16 LOAD17 LOAD18 LOAD19 LOAD20 LOAD21 LOAD22 LOAD23 LOAD24 Design
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完成wizard，建立了初步模型，进一步补充目标船的布置信息、 舱壁信息、舱室信息、骨材端部连接信息等，即可展开对所建 横剖面的规范计算。内容包括：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
14
1 Section Properties 2 Hull Girder Bending Strength 3 Hull Girder Shear Strength 4 Taper 5 Required Scantlings
通过该模型，可以评估 货舱区主要构件（纵向 构件、横舱壁、横框架） 的屈服和屈曲强度。
但对于结构局部细节， 则需要建立细化网格， 更精确的模拟出结构的 几何形状。
结构细化分析
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❖ 以舱段分析/全船分析为基础，以更小的网格（通常最大为1/4骨 材间距，最小为板厚）精确描绘结构的几何变化，从而考核几何 不连续引起的应力集中，评估结构细节局部强度。
❖ 在常规范围内，骨材间距越小，重量越小，但焊接、涂层、人工 成本上升；
❖ 强框间距越小，纵向构件重量下降，横向构件尺度下降数量上升， 整体趋势需具体分析，常规范围内重量下降。
❖ 双壳、双底高度（即PSM腹板深度）越大越好，但影响舱容和性 能。
❖ 对于对疲劳不敏感的部位，且尺寸大应力高的部位，可以适当增 加高强度钢使用比例，以降低空船重量。
❖ 全船有限元分析 (Full Ship Analysis) ❖ 结构细节的细化分析( Detailed Analysis) ❖ 疲劳分析 (Fatigue Analysis) ❖ 基于辐射绕射理论的时域、频域水动力载荷计算
(Hydrodynamic Analysis)
❖ 工艺、设备机座加强、挡浪板等局部强度分析
越强
Web Direction
PMA Arrangement
Stiff.-T,-L,-F,-B Material
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BM (tm)
bend moment
900000 800000 700000 600000 500000 400000 300000 200000 100000
0
-100000 13 67 94 113 151 189 227 265 295 333 371 409 442
有限元分析的一般流程
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屈服、屈曲的强度评估 施加载荷和边界约束 赋予材料、板厚、筋规格、腐蚀等属性 建立网格化的几何模型
货舱区舱段分析
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❖ 将规范规定的装载工况所引起的载荷施加在模型上。载荷通常包 括：静水压力、波浪压力、货物压力、货物的惯性载荷、重力、 静水弯矩、波浪弯矩。舱段两端保持为平断面。
❖ 总之，没有简单的规律可以描述何种结构设计优，何种结构设计 劣，也不能只从结构领域出发，与船舶性能和建造成本相关的所 有其他环节都需要考虑。
根据装载手册和规 范最小要求，确定 设计静水弯矩和剪 力。
Force (t)
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基于规范船长
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15000
shear force
10000
5000
0
13 67 94 113 151 189 227 265 295 333 371 409 442
-5000
-10000
FR
LOAD01 LOAD02 LOAD03 LOAD05 LOAD06 LOAD07 LOAD08 LOAD09 LOAD10 LOAD11 LOAD12 LOAD13 LOAD14 LOAD15 LOAD16 LOAD17 LOAD18 LOAD19 LOAD20 LOAD21 LOAD22 LOAD23
HGBS，采用WSD，只 考核了屈服强度所决定 的剖面模数。
ULS，采用LRFD，综 合考核屈服、屈曲、塑 性承载能力三方面影响 下船体梁承受中垂弯矩 的能力。
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12 Fatigue 规范计算只考核纵骨的 疲劳。 结构细节的疲劳评估使 用有限元直接计算。
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规范计算小结
❖ 而全船有限元分析，尤其是基于水动力分析的全船有限元分析， 对重量分布、重量惯性矩的分布都很敏感，不仅需要总体专业协 助分析对应工况的稳性相关数据，还需要提供对应工况详细的重 量分布信息。
结构设计参数对钢材重量的影响
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❖ 船的主尺度(L B D Cb Ts) 决定了目标船的重量所处的区间。好的 结构设计，能使钢材重量趋于该区间的下限，劣的结构设计，则 使钢材重量趋于该区间的上限。
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5 7 8 10 对于板或筋尺寸的要求。 包含了屈服强度 (Yielding)的要求和屈曲 强度(Buckling)的要求。
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11 Ultimate Strength 与Hull Girder Bending Strength 类似，但又有 很大的区别。
通常需要进行细化分析 的部位有：重要部位的 开孔、纵骨端部、肋骨 端部、舱口围角隅、边 舱折角、槽形舱壁壁墩、 舱口围过渡结构、粗网 格分析的高应力区
疲劳强度直接计算
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❖ 以舱段分析/全船分析为基础，以精细的网格（通常为板厚或1/2 板厚，更精细可以用体单元）描绘结构的几何变化，精确计算几 何不连续引起的应力集中。评估工况为常用装载工况，或根据目 标船的航线设计工况。通常采用随机理论处理载荷，即谱分析。
规范计算演示
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
14
6 User Defined Load Case
7 Compression Buckling
8 Shear Buckling
9 Torsion
10 Advanced Buckling Calculation (CSR Only)
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规范计算的主要工作是对Hull Girder Stress、Secondary Stiffener Stress、Plating Strip Stress进行基于公式的考核。需要总体专业提供与 船舶形状相关的信息（主尺度、方形系数、线型等）、布置信息、装载 信息、舱室信息。
对于横截面的分析，考核内容主要是：
Secondary Stiff. Plating
Concept
有限元更精确 规范计算更有效率
CodeTeCxtheck Cargo Hold FEM Fine mesh FEM
Fatigue FEM
重量分布的数据需求
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❖ 通常，货舱段有限元分析的工况和船体梁载荷都基于规范指定， 不需要总体专业提供重量分布。
规范计算和有限元分析介绍
彭贵胜 2010.02
Contents
开发室结构科
1
结构初步设计内容
2
规范计算流程
3
有限元分析流程
4
主要参数对结构重量的影响
1. 结构初步设计内容
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❖ 根据布置图和功能需要，确定强框间距、骨 架形式、骨材间距、桁材(通道)布置
❖ 确定强框腹板方向、腹板深度 ❖ 设计静水弯矩、剪力 ❖ 材料、型材
总纵强度(弯曲、剪切、极限强度）
筋和板的局部强度要求（屈服、屈曲）
纵骨疲劳强度
除了横截面分析，还有晃荡、艏部拍击、底部抨击、抓斗钢卷板等局部 强度也使用基于公式的校核(Code Check)。
对于横向构件也作出了要求，但横向构件的尺寸更多是根据有限元分析 来确定。
有限元分析的工作内容
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❖ 结构细节的细化分析 (Detailed Analysis) ❖ 疲劳分析(Fatigue Analysis) ❖ 货舱区舱段分析 (Cargo Hold Analysis)