船舶結(jié)構(gòu)有限元建模與分析01

1船舶結(jié)構(gòu)有限元建模與分析

上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院主講人：熊志鑫2一、有限元法的發(fā)展

有限元法的思想可以最早追溯到古人的“化整為零”，“化圓為直”的作法。曹沖稱象的典故；古代數(shù)學(xué)家劉微采用割圓法計算圓周長；

以上這些都體現(xiàn)了“離散逼近”的思想，即采用大量的簡單小物體來沖填出復(fù)雜的大物體。

有限元的基本方法：

借助數(shù)學(xué)和力學(xué)知識，利用計算機技術(shù)解決工程技術(shù)問題。劉徽（生于公元250年左右），是中國數(shù)學(xué)史上一個非常偉大的數(shù)學(xué)家，他的杰作《九章算術(shù)注》和《海島算經(jīng)》。"割圓術(shù)"，即將圓周用內(nèi)接或外切正多邊形窮竭的一種求圓面積和圓周長的方法基于功能完善的有限元軟件和高性能的計算機硬件對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行詳細的力學(xué)分析，以獲得盡可能真實的結(jié)構(gòu)受力信息，就可以在設(shè)計階段對可能出現(xiàn)的各種問題進行安全評判和設(shè)計參數(shù)修改，據(jù)有關(guān)資料，一個新產(chǎn)品的問題有60％以上可以在設(shè)計階段消除，甚至有的結(jié)構(gòu)的施工過程也需要進行精細的設(shè)計，要做到這一點，就需要類似有限元分析這樣的分析手段。有限元法已被應(yīng)用于固體力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁學(xué)、聲學(xué)、生物力學(xué)等各個領(lǐng)域；能求解由桿、梁、板、殼、塊體等各類單元構(gòu)成的彈性（線性和非線性）、彈塑性或塑性問題（包括靜力和動力問題）；能求解各類場分布問題（流體場、溫度場、電磁場等的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)問題）；還能求解水流管路、電路、潤滑、噪聲以及固體、流體、溫度等相互作用的問題。有限元法有比較固定的一套分析順序，對于不同的工程結(jié)構(gòu)，往往可以使用同一個計算程序來解決，便于求解過程規(guī)范化，有高度的通用性。相關(guān)的有限元程序發(fā)展也很快，目前國外有名的主要有限元軟件有：ASKA（結(jié)構(gòu)分析自動系統(tǒng)），NASTRAN（NASA結(jié)構(gòu)分析程序），SAFE（有限元結(jié)構(gòu)分析程序），SAP系列（結(jié)構(gòu)分析程序），ANSYS，ABAQUS，DINA，MARC，

等。有些程序還具備了前后處理功能，不僅解題的速度提高，還極大地方便了使用者，這對有限元法的普及與應(yīng)用必然起到很大的促進作用。8

有限元方法建模分析的流程：9二、船舶結(jié)構(gòu)實例

一直以來，船舶結(jié)構(gòu)的計算，主要是參照船舶入級規(guī)范進行。計算規(guī)范的條款，大多數(shù)是半理論半經(jīng)驗的參考公式。

目前，在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，三艙段分析，全船有限元分析，船舶局部結(jié)構(gòu)強度計算已經(jīng)越來越普遍被船東及船級社在設(shè)計中所采用。

船級社等機構(gòu)已經(jīng)越來越多的在規(guī)范中要求采用結(jié)構(gòu)的直接計算判斷結(jié)構(gòu)強度合格與否。

對于一些由新材料建造的船舶及新型結(jié)構(gòu)的船舶設(shè)計，有限元分析更是設(shè)計者的重要依據(jù)。船體結(jié)構(gòu)計算船體在彎扭聯(lián)合作用下的結(jié)構(gòu)“應(yīng)力-變形”有限元分析13二、船舶結(jié)構(gòu)實例14二、船舶結(jié)構(gòu)實例1517三、有限元法分析概述**名詞：FEM與CAEFEM：FiniteElementMethod—有限元方法CAE：ComputerAidedEngineering—計算機輔助工程**CAE分析的內(nèi)容結(jié)構(gòu)分析，流體分析，溫度分析，熱分析等18三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力？應(yīng)力是什么？對一個產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)施加載荷，結(jié)構(gòu)在變形的同時其內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。19三、有限元法分析概述

變形體的描述及所需要的變量2021三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力應(yīng)力是結(jié)構(gòu)對載荷抵抗所產(chǎn)生的力,用單位面積的力來表示。此應(yīng)力是判斷產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)破壞（損壞）與否的重要指標(biāo)。大?。簯?yīng)力=載荷/剖面面積，載荷除以剖面面積得到應(yīng)力。一個產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)施加載荷，結(jié)構(gòu)在變形的同時其內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力小的時候在材料內(nèi)部生成的抵抗力也小，不足以破壞材料。

應(yīng)力載荷變大，應(yīng)力變大，破壞了。面積變小，應(yīng)力變大，破壞了。=載荷/剖面面積。22三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力施加的載荷一起作用，產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)內(nèi)部就產(chǎn)生了抵抗力，也即產(chǎn)生了應(yīng)力。一般結(jié)構(gòu)的形狀非常復(fù)雜，根據(jù)施加載荷的種類，應(yīng)力也不一樣。有大應(yīng)力，小應(yīng)力，有壓應(yīng)力，拉應(yīng)力等等各種應(yīng)力。

因為應(yīng)力一大，就要損壞物體，所以設(shè)計時不能使應(yīng)力大于某個值。為此，在事前，有必要知道應(yīng)力的數(shù)值。23三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●應(yīng)力分析的應(yīng)用

總之，象這樣求應(yīng)力集中的程度或求應(yīng)力的值，這就是應(yīng)力分析。在袋上留有開口，則在切口處應(yīng)力集中，口袋也容易撕開。24三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●變形不能忽視應(yīng)力分析在求應(yīng)力的同時也能夠求產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)的變形。應(yīng)力的大小對判斷產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)是否損壞很重要，而即使產(chǎn)品沒有破壞，但因為過大的變形，而破壞了產(chǎn)品的功能和性能。在這個問題中寧可利用變形的結(jié)果而不用應(yīng)力進行設(shè)計尤為重要。應(yīng)力分析不僅僅求出“應(yīng)力”，同時也能求出“變形”。變形是重要的設(shè)計問題之一。25三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進行應(yīng)力分析？

到底在什么情況下要用CAE來求應(yīng)力（或者變形和應(yīng)變）呢？在簡單的形狀下即使不用CAE由公式或近似公式也能求出應(yīng)力和變形。但是在產(chǎn)品形狀復(fù)雜的時候用CAE就相當(dāng)?shù)姆奖懔?。讓我們先來考慮一下，應(yīng)力和結(jié)構(gòu)形狀及載荷的關(guān)系。備注：首先，考慮有關(guān)[復(fù)雜的和簡單的]兩種情況。26三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進行應(yīng)力分析？

①結(jié)構(gòu)和載荷都是簡單的情況拉伸一直徑和剖面面積都一樣的棒，則產(chǎn)生一樣的應(yīng)力和變形。即使不用CAE，根據(jù)材料力學(xué)的理論公式也能算出應(yīng)力和變形。27三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進行應(yīng)力分析？

②結(jié)構(gòu)形狀稍復(fù)雜的情況拉伸一具有圓孔的平板或具有臺階的圓棒，在孔的周圍或臺階附近應(yīng)力就會變大。對于這種形狀，應(yīng)力則集中在孔的周圍。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。28三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進行應(yīng)力分析？

②結(jié)構(gòu)形狀稍復(fù)雜的情況對于“簡單情況”，可用圖表進行求解。對于“復(fù)雜情況”，就要用到CAE求解。29三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力●什么情況下使用有限元進行應(yīng)力分析？

③結(jié)構(gòu)形狀和載荷都是復(fù)雜的情況產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布和變形。用CAE來分析30三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力

通常對工業(yè)產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)來說，復(fù)雜的情況占大多數(shù)。然而，只要利用CAE技術(shù)，不管怎樣復(fù)雜的形狀也不管怎樣復(fù)雜的載荷都能算出應(yīng)力和變形！31三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷？什么屈曲？對細長的柱或薄板施加一個壓力，則壓力在很小的時候壓縮變形與壓力成正比。但是，壓力一超過某一個值，由于在軸線或柱面的垂直方向出現(xiàn)了大的橫向緊縮，減少了承受壓力的能力，最后引起崩潰。象這樣：載荷的大小超過一定的數(shù)值，變形的形狀與此之前變形的形狀發(fā)生了不同的變化，從而承受載荷的能力減少了，把這一現(xiàn)象稱為屈曲。另外，把屈曲產(chǎn)生時的載荷稱為屈曲載荷。32三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷？什么屈曲？屈曲是由壓縮應(yīng)力產(chǎn)生的。我們對平常都能找得到的汽水鋁罐上下進行壓縮看看會產(chǎn)生什么情況。起先，鋁罐還能抵抗一陣子，再繼續(xù)進行加大壓力則罐的側(cè)面開始凹陷下去，不一會兒就壓壞了。這也就是我們身邊所見到的屈曲現(xiàn)象。33三、有限元法分析概述1、應(yīng)力分析和應(yīng)力

在產(chǎn)生壓縮應(yīng)力的情況時，也存在著屈曲的可能。特別是，細長的柱子或薄板這樣的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時有必要進行屈曲校核。34三、支柱結(jié)構(gòu)352/1/2023船海363738三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●柱的屈曲屈曲與構(gòu)件的形狀和所作用的壓縮應(yīng)力的大小有很大的關(guān)系。下面我們以柱狀構(gòu)件和板材構(gòu)件為例來考察一下它們的關(guān)系。我們對長度相同但粗細不同的柱施加一壓力，結(jié)果會怎樣呢？3940三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●柱的屈曲屈曲與構(gòu)件的形狀和所作用的壓縮應(yīng)力的大小有很大的關(guān)系。下面我們以柱狀構(gòu)件和板材構(gòu)件為例來考察一下它們的關(guān)系。我們對粗細相同但長度不同的柱施加一壓力，結(jié)果會怎樣呢？4142三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●屈曲和屈曲載荷的關(guān)系壓力較小時,因為變形小,一般我們眼睛觀察不到,這就是均勻壓縮變形。這種壓縮變形是與所施加的壓力成正比的。即2倍的壓力產(chǎn)生2倍的壓縮。壓力如一超過某一值,其變形則與壓力較小時的變形完全不同,成了彎曲變形,并且也會產(chǎn)生曲折。這種變形迅速地發(fā)生并以我們的肉眼可觀察到的速度快速發(fā)展。這就叫屈曲,此時的載荷就叫屈曲載荷。如果柱越細或柱越長屈曲越容易發(fā)生。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時,屈曲分析同前一章所說的應(yīng)力分析一樣重要。43三、有限元法分析概述●屈曲模態(tài)對于屈曲，即使相同的構(gòu)件，如果端部的支持狀態(tài)（或稱約束條件）不同，則屈曲載荷的大小或屈曲的變形形狀也不同。我們把這種變形形狀稱為屈曲模態(tài)。以下的例子顯示了相同形狀的柱由于端部的約束條件不相同，則它的屈曲模態(tài)和屈曲載荷也不同。2、屈曲分析和屈曲載荷44三、有限元法分析概述●屈曲模態(tài)2、屈曲分析和屈曲載荷45三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●屈曲和屈曲載荷的關(guān)系上述的圖中，哪個屈曲載荷最大？46三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●歐拉屈曲公式47三、有限元法分析概述

對于柱的屈曲，如果壓縮應(yīng)力越大或構(gòu)件越長則越容易發(fā)生。柱構(gòu)件的屈曲也即歐拉屈曲，從理論上可以推導(dǎo)它的屈曲載荷和屈曲模態(tài)。2、屈曲分析和屈曲載荷●柱的屈曲48三、有限元法分析概述2、屈曲分析和屈曲載荷●平板的屈曲對于平板的屈曲，不僅僅是壓力，也可由彎矩、剪力等荷載引起局部的壓應(yīng)力，從而發(fā)生平板的屈曲。兩邊支持，一方向壓縮四邊