CH4-1-4.1-4.2-4.3-結(jié)構(gòu)分析-20140314

1、CH4 結(jié)構(gòu)分析與屈服屈曲強(qiáng)度評估結(jié)構(gòu)分析與屈服屈曲強(qiáng)度評估4.1 概述概述 1. 解析法與有限元法解析法與有限元法 傳統(tǒng)解析方法傳統(tǒng)解析方法: 梁理論，板理論等；梁理論，板理論等； 現(xiàn)代方法：現(xiàn)代方法： 計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)，有限元，邊界元等。，有限元，邊界元等。1）解析法）解析法 縱向合成：縱向合成： 分別計(jì)算，合成應(yīng)力分別計(jì)算，合成應(yīng)力1234 + + +總= = 2）有限元法：）有限元法： 亦可在一定程度上分開亦可在一定程度上分開2有限元分析過程有限元分析過程 1）結(jié)構(gòu)建模；）結(jié)構(gòu)建模； 2）邊界條件處理；）邊界條件處理； 3）計(jì)算工況與載荷；）計(jì)算工況與載荷； 4）應(yīng)力提?。?yīng)力

2、提取 5）強(qiáng)度校核（屈服，屈曲強(qiáng)度校核）強(qiáng)度校核（屈服，屈曲強(qiáng)度校核） 6）其他方面（疲勞，極限強(qiáng)度）。）其他方面（疲勞，極限強(qiáng)度）。考考核核各各細(xì)細(xì)節(jié)節(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)取取適適當(dāng)當(dāng)?shù)牡哪ＤＰ托秃秃蛦螁卧?，可可一一次次得得到到合合成成?yīng)應(yīng)力力板板元元，梁梁元元膜膜元元，桿桿元元1）結(jié)構(gòu)建模）結(jié)構(gòu)建模某散貨船三艙段有限元模型某散貨船三艙段有限元模型2）邊界條件處理）邊界條件處理根據(jù)散貨船共同規(guī)范中關(guān)于根據(jù)散貨船共同規(guī)范中關(guān)于“直接強(qiáng)度分析直接強(qiáng)度分析”有限元模型邊有限元模型邊界條件的要求，模型兩端應(yīng)按界條件的要求，模型兩端應(yīng)按下表下表要求簡支。端部兩剖面的縱要求簡支。端部兩剖面的縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)應(yīng)與位于中

3、心線上中和軸處的獨(dú)立點(diǎn)剛性關(guān)聯(lián)向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)應(yīng)與位于中心線上中和軸處的獨(dú)立點(diǎn)剛性關(guān)聯(lián)。3）計(jì)算工況與載荷）計(jì)算工況與載荷以以CSR散貨船疲勞計(jì)算工況為例散貨船疲勞計(jì)算工況為例載荷工況載荷工況裝載工況裝載工況4.2 結(jié)構(gòu)模型的建立結(jié)構(gòu)模型的建立4.2.1 船舶結(jié)構(gòu)有限元分析的層次船舶結(jié)構(gòu)有限元分析的層次 1. 整船分析整船分析 1）用于應(yīng)力和變形的整體分析）用于應(yīng)力和變形的整體分析 2）總振動分析）總振動分析 3）特殊船：大開口船（集裝箱船），滾裝船，軍船、）特殊船：大開口船（集裝箱船），滾裝船，軍船、 軍輔船軍輔船 特點(diǎn)：工作量較大，全面特點(diǎn)：工作量較大，全面某船某船一階垂向彎曲振型一階垂向彎曲振

4、型某船某船一階水平彎曲振型一階水平彎曲振型某船某船一階扭轉(zhuǎn)振型一階扭轉(zhuǎn)振型MM2. 艙段分析艙段分析 1）可算舯部總體響應(yīng)）可算舯部總體響應(yīng) 通過加斷面載荷反映總體載荷通過加斷面載荷反映總體載荷 疊加了船體梁載荷響應(yīng)和局部載荷響應(yīng)疊加了船體梁載荷響應(yīng)和局部載荷響應(yīng) 2)用于甲板，舷側(cè)，船底和艙壁等結(jié)構(gòu)在總體和用于甲板，舷側(cè)，船底和艙壁等結(jié)構(gòu)在總體和 局部載荷作局部載荷作用下的強(qiáng)度用下的強(qiáng)度特點(diǎn)：工作量適中，適合于分析規(guī)整，常規(guī)船型的舯部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：工作量適中，適合于分析規(guī)整，常規(guī)船型的舯部結(jié)構(gòu)MMM3. 局部結(jié)構(gòu)有限元分析局部結(jié)構(gòu)有限元分析 1）在整船分析基礎(chǔ)上更詳細(xì)分析主要構(gòu)件局部強(qiáng)度或關(guān)）在

5、整船分析基礎(chǔ)上更詳細(xì)分析主要構(gòu)件局部強(qiáng)度或關(guān)鍵部件應(yīng)力水平。鍵部件應(yīng)力水平。 2）計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)（應(yīng)力集中模型）計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)（應(yīng)力集中模型） 3）類型）類型 a. 獨(dú)立模型（子模型），模型尺寸足夠大，有充分的獨(dú)立模型（子模型），模型尺寸足夠大，有充分的邊界條件過渡（來自總體分析）；邊界條件過渡（來自總體分析）； b. 內(nèi)嵌式模型內(nèi)嵌式模型 ：直接在整船或艙段模型上局部用網(wǎng)格：直接在整船或艙段模型上局部用網(wǎng)格細(xì)化。細(xì)化。獨(dú)立子模型獨(dú)立子模型應(yīng)力集中模型（嵌入式）應(yīng)力集中模型（嵌入式）4.2.2 船舶結(jié)構(gòu)有限元建模原則船舶結(jié)構(gòu)有限元建模原則l 船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對不同的模型粗細(xì)要適當(dāng)，若網(wǎng)格太細(xì)

6、，船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對不同的模型粗細(xì)要適當(dāng)，若網(wǎng)格太細(xì)，則工作量大，對則工作量大，對 計(jì)算機(jī)要求高；網(wǎng)格太粗則不能反映實(shí)計(jì)算機(jī)要求高；網(wǎng)格太粗則不能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)。際結(jié)構(gòu)。l 要合理使用桿元、梁單元、板元、膜元。要合理使用桿元、梁單元、板元、膜元。散貨船舷側(cè)肋骨趾端細(xì)網(wǎng)格模型散貨船舷側(cè)肋骨趾端細(xì)網(wǎng)格模型1. 單元：桿元、梁單元、板元、膜元單元：桿元、梁單元、板元、膜元 1）板元：以四邊形單元為主（四邊形長寬比不宜大于）板元：以四邊形單元為主（四邊形長寬比不宜大于3:1），少量用三角形單元（構(gòu)件連接與圓弧過渡處）用），少量用三角形單元（構(gòu)件連接與圓弧過渡處）用于，各種內(nèi)外板、腹板、肋板等。于，各種內(nèi)外

7、板、腹板、肋板等。 2）梁單元：用于尺寸較大且連續(xù)的縱骨、加強(qiáng)筋、扶）梁單元：用于尺寸較大且連續(xù)的縱骨、加強(qiáng)筋、扶強(qiáng)材考慮梁截面和偏心。強(qiáng)材考慮梁截面和偏心。 3）桿單元：用于面板，間斷且尺寸較小的加強(qiáng)筋等。）桿單元：用于面板，間斷且尺寸較小的加強(qiáng)筋等。 4）膜元：現(xiàn)在較少使用，在總振動計(jì)算中有應(yīng)用。）膜元：現(xiàn)在較少使用，在總振動計(jì)算中有應(yīng)用。 b. 骨材方向骨材方向?qū)傩詫傩曰蛟诠ぷ髦屑尤牖蛟诠ぷ髦屑尤霂О鍘О鍖傩詫傩詀. 偏心處理偏心處理.在在patranpatran中附屬性時，軟件會計(jì)算出骨材的偏移量中附屬性時，軟件會計(jì)算出骨材的偏移量VERT=196.08914 2. 模型范圍模型范圍:

8、 CSR-B, CSR-T, HCSR油船和散貨船規(guī)范油船和散貨船規(guī)范。 1）三艙段模型）三艙段模型 中間貨艙向前后各延伸一個艙段。中間貨艙向前后各延伸一個艙段。1+1+1目標(biāo)艙目標(biāo)艙 、 邊界條件過渡艙邊界條件過渡艙 以往指南：中間貨艙向前后各延伸以往指南：中間貨艙向前后各延伸1/2個貨艙個貨艙2）全寬模型、半寬模型）全寬模型、半寬模型 若載荷對稱，結(jié)構(gòu)對稱可采用半寬模型若載荷對稱，結(jié)構(gòu)對稱可采用半寬模型 目前：工況多，載荷不一定對稱、腐蝕余量不同等。目前：工況多，載荷不一定對稱、腐蝕余量不同等。 一般用全寬模型。一般用全寬模型。3網(wǎng)格寬度網(wǎng)格寬度 1）常規(guī)網(wǎng)格密度）常規(guī)網(wǎng)格密度縱向：以肋骨

9、間距為基準(zhǔn)縱向：以肋骨間距為基準(zhǔn)橫向：以縱骨間距為基準(zhǔn)橫向：以縱骨間距為基準(zhǔn)高度：縱桁和肋板在高度方向上有三個單元高度：縱桁和肋板在高度方向上有三個單元槽型艙壁的翼板和腹板采用一個板單元槽型艙壁的翼板和腹板采用一個板單元 肋距肋距縱骨間距縱骨間距 2）細(xì)網(wǎng)格模型）細(xì)網(wǎng)格模型對應(yīng)力較大或指定區(qū)域，用細(xì)化網(wǎng)格，進(jìn)一步評估對應(yīng)力較大或指定區(qū)域，用細(xì)化網(wǎng)格，進(jìn)一步評估CSR-T, 5050或更細(xì)或更細(xì)CSR-B， 每個肋距，縱骨間距為四個間距每個肋距，縱骨間距為四個間距HCSR 5050 3）應(yīng)力集中模型）應(yīng)力集中模型 網(wǎng)格為網(wǎng)格為 t/2, t 量級。量級。底縱桁開口結(jié)構(gòu)細(xì)化模型（底縱桁開口結(jié)構(gòu)細(xì)化

10、模型（50 x50）底邊艙斜板與內(nèi)底折角處細(xì)化模型（底邊艙斜板與內(nèi)底折角處細(xì)化模型（tXt）底邊艙斜板與內(nèi)底折角應(yīng)力集中模型底邊艙斜板與內(nèi)底折角應(yīng)力集中模型4.合理簡化合理簡化 1）次要構(gòu)件合并（如加強(qiáng)筋合并）次要構(gòu)件合并（如加強(qiáng)筋合并） 原則：原則： a. 幾何中心一致幾何中心一致 b. 剛度相當(dāng)剛度相當(dāng)2）小構(gòu)件不計(jì)入）小構(gòu)件不計(jì)入 以不影響局部結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)以不影響局部結(jié)構(gòu)為準(zhǔn) 按剛性節(jié)點(diǎn)處理，小肘板可略按剛性節(jié)點(diǎn)處理，小肘板可略 若專門計(jì)算局部應(yīng)力，則需要細(xì)化模型。若專門計(jì)算局部應(yīng)力，則需要細(xì)化模型。5. 板厚處理板厚處理 1）板厚，根據(jù)規(guī)范）板厚，根據(jù)規(guī)范 建造厚度（以前規(guī)范）建造厚度（以

11、前規(guī)范） 凈尺寸（新船，去掉腐蝕余量凈尺寸（新船，去掉腐蝕余量CSR） 測量尺寸（老齡船）測量尺寸（老齡船） 2）板厚突變，變線作為邊界）板厚突變，變線作為邊界4.3 邊界條件邊界條件 1. 約束的概念約束的概念 Xyxy= =0 0, ,0 0 ( (軸軸向向力力= =0 0) )xyz = = = = = = 0 0yz = = = 0= 0z = 0= 0z = 0= 0 xz = = 0 0, , = = 0 0 x xy y= = 0 0, , = = 0 0 約束位置與變形圖（基準(zhǔn)點(diǎn)）約束位置與變形圖（基準(zhǔn)點(diǎn)）EI,lPx = 0 xy = = 0不必不必， xyz = 0, =

12、0, = 00 x2.平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) 靜平衡，動平衡靜平衡，動平衡 N個約束點(diǎn)，平衡狀態(tài)則應(yīng)有個約束點(diǎn)，平衡狀態(tài)則應(yīng)有 若不是平衡狀態(tài)，若不是平衡狀態(tài)， 為約束反力之和，可以作為不平衡力之差。為約束反力之和，可以作為不平衡力之差。 1）若結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，則約束點(diǎn)可以任意，為去除方）若結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，則約束點(diǎn)可以任意，為去除方程求解的奇異性?；蛴脩T性釋放法，要注意應(yīng)用的條件。程求解的奇異性?；蛴脩T性釋放法，要注意應(yīng)用的條件。例如：潛器若例如：潛器若 平衡平衡 GBF =FBFGFif = 0if 2）平衡調(diào)整）平衡調(diào)整 a. 全船沿船長重量分布全船沿船長重量分布 為模型沿船長重量分布（可分

13、段稱量）為模型沿船長重量分布（可分段稱量） 為質(zhì)量修正（沿縱向）為質(zhì)量修正（沿縱向） b艙段艙段0u (x)su (x) c0sux = ux -u (x)不平衡不平衡C. HCSR 規(guī)范中規(guī)范中 船體梁載荷的調(diào)整船體梁載荷的調(diào)整1 1、縱向不平衡力調(diào)整、縱向不平衡力調(diào)整 HCSR HCSR邊界條件邊界條件x x方向約束施加于內(nèi)底板一節(jié)點(diǎn)，須平方向約束施加于內(nèi)底板一節(jié)點(diǎn)，須平衡縱向總合力，衡縱向總合力，CSR-BC/OTCSR-BC/OT邊界約束邊界約束x x方向通過方向通過MPCMPC施加，施加，因此無此要求。因此無此要求。2 2、剪力跨零調(diào)整、剪力跨零調(diào)整 對于給定的載荷工況，船體梁垂向和

14、水平彎矩在艙段對于給定的載荷工況，船體梁垂向和水平彎矩在艙段中心點(diǎn)要達(dá)到目標(biāo)值，這就需要垂向和水平船體梁剪中心點(diǎn)要達(dá)到目標(biāo)值，這就需要垂向和水平船體梁剪力分布交叉在貨艙中的零中心。力分布交叉在貨艙中的零中心。 3 3、剪力目標(biāo)值修正、剪力目標(biāo)值修正 在中間艙段有限元模型前段和后端橫艙壁處需在中間艙段有限元模型前段和后端橫艙壁處需要進(jìn)行剪力調(diào)整，船體梁剪力作用的目標(biāo)位置在艙段要進(jìn)行剪力調(diào)整，船體梁剪力作用的目標(biāo)位置在艙段有限元模型中部的橫艙壁上，調(diào)整后的船體梁彎矩不有限元模型中部的橫艙壁上，調(diào)整后的船體梁彎矩不應(yīng)超過目標(biāo)船體梁剪力。應(yīng)超過目標(biāo)船體梁剪力。 HCSRCSR-BCCSR-OT目標(biāo)位置

15、目標(biāo)位置前和后艙壁前和后艙壁前或后艙壁前或后艙壁前和后艙壁前和后艙壁調(diào)整方法調(diào)整方法強(qiáng)框架節(jié)點(diǎn)力強(qiáng)框架節(jié)點(diǎn)力端部彎矩端部彎矩強(qiáng)框架節(jié)點(diǎn)力強(qiáng)框架節(jié)點(diǎn)力節(jié)點(diǎn)力計(jì)算節(jié)點(diǎn)力計(jì)算剪流理論剪流理論-系數(shù)分配法系數(shù)分配法哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 4 4、彎矩調(diào)整、彎矩調(diào)整 船體梁彎矩的目標(biāo)位置在有限元模型中部貨艙船體梁彎矩的目標(biāo)位置在有限元模型中部貨艙的中心，如果最大彎矩值不在貨艙中心，調(diào)整后的最的中心，如果最大彎矩值不在貨艙中心，調(diào)整后的最大彎矩應(yīng)該位于中部貨艙內(nèi)部并且不應(yīng)該超過目標(biāo)目大彎矩應(yīng)該位于中部貨艙內(nèi)部并且不應(yīng)該超過目標(biāo)目標(biāo)船體梁彎矩。標(biāo)船體梁彎矩。 HCSRCSR-BCCSR-OT目標(biāo)位置目標(biāo)位置Max/min艙中艙中艙中艙中調(diào)整方法調(diào)整方法端部節(jié)點(diǎn)力端部節(jié)點(diǎn)力端部修正彎矩端部修正彎矩端部修正彎矩端部修正彎矩節(jié)點(diǎn)力計(jì)算節(jié)點(diǎn)力計(jì)算等效彎矩公式等效彎矩公式- 5 5、扭矩調(diào)整、扭矩調(diào)整 船體梁扭矩的目標(biāo)位置在有限元模型中部艙段船體梁扭矩的