ansysworkbench在船舶舱段有限元研究中应用

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1、ANSYSWorkbench在船舶舱段有限元研究中应用船舶舱段有限元分析中牵涉到许多变载荷，比如静水压力、油舱内静压力和波浪力等。这些载荷大都以压强(Pressure)的方式出现。对于沿坐标方向线性变化的变载荷，可以直接在静力分析(StaticStructural)中采用Tabular和Function两种方式施加，对于牵涉到多个坐标变量的复杂可变载荷，则可以采用ExternalData这个外部工具导入。本文以一油船舱段为例介绍变载荷的施加方法。一、建立模型并划分网格本文按照一10万吨油船的基本结构图，根据《钢制海船入级

2、规范》(以下简称规范)的要求，选择平行中体部分的舱段，采用概念建模(Concept)的方法建立了船舶舱段模型。船体板和桁材简化为壳体(SurfaceBody),船体骨架简化为线体(LineBody),x轴正向指向船首，y轴正向指向左舷，z轴正向指向上方，坐标原点位于舱段的一个端面、中纵剖面和船底的交点处，如图1所示。图中隐藏了端部的一些板，以便看清双层结构中的骨架。建模详细过程可参考《ANSYSWorkbench全船结构有限元分析新流程》。新版本的ANSYSWorkbench支持SurfaceBody和LineBody的

3、Joint,所以在新版本的ANSYSWorkbench中建模不必考虑建模的先后顺序，只要保证添加的LineBody位置准确即可。图2为划分好的网格，船舶的平行中体部分为较规则的几何体，网格划分并不困难。舱段为纵骨架式，相邻纵骨之间的网格数量约为3〜4个。二、施加载荷和边界条件船舶结构有限元分析一般可以参考相应的规范建模和计算，本文按照规范和船舶尺寸等，以中拱状态为例计算了船舶载荷，其中变载荷有如下几项。静水压力：P=pg(d-z)(KPa)o油舱内静压力:Pl=Pg(2.5+h)(KPa)o水线面以下波浪动压力：Pd~9

4、.618+1.2Xz+1.31y(KPa)。水线面以上波浪动压力：Pd~205.22-10Xz(KPa)o式中，p为海水密度；g为重力加速度；d为船舶吃水；y为计算点距离中纵剖面的距离；z为计算点距离基线的距离；h为计算点距离液面的垂直距离。ANSYSWorkbench中的SurfaceBody是一个没有厚度的壳，有正面和反面之分，施加压强时默认方向是从正面指向反面。当静水压力和油舱内静压力作用方向与面的正方向一致时，可以直接在StaticStructural中添加HydrostaticPressure,选择载荷作用的面

5、，输入液体密度、重力加速度和自由液面坐标即可，如图3中蓝色方框所示。当静水压力和油舱内静压力作用方向与面的正方向不一致时，可以返回建模模块(Geometry)中将面的方向翻转，也可以采用Tabular和Function两种方式施加变载荷，自定义压力的值,后者在需要分析多种载况的大型计算中可以节省很多时间，因为大型计算时模型导入和网格划分都需要很长时间。图4为根据规范中的LC2载况(有一个油舱为空，相邻油舱全满)，按照上述方法添加的静水压力，包括舷外静水压力和油舱内静压力。波浪动压力是线性的，跟y和z有关。但在Static

6、Structural中，只支持一个变量的变载荷输入，所以水线面以下波浪动压力必须拆分为包含z和包含y的两个动压力分量，分别施加。对于这种线性载荷，可以在StaticStructural中添加Pressure,选择载荷作用的面，然后在Magnitude后面的黑色三角上单击，出现下拉列表后，选择Function,然后输入“=1000X(9.618+1.2Xz)”,如图5中蓝色方框所示。输入完后点击任意区域，就得到图6所示的波浪动压力z向分量。还可以在图5中的下拉菜单中选择Tabular选项，然后在IndependentVar

7、iable后面的黑色三角上单击，选择下拉菜单中的Y,然后在窗口右下角的TabularData中坐标值和压强值得到波浪动压力的y向分量，如图7所示。其实船舶在中拱或中垂状态下，自由液面不是一个水平面，而是弯曲的，所以静水压力应该同时和y轴与z轴有关,如图8所示。下面详细介绍一下施加这种载荷的方法。(1)根据模型尺寸，分别将模型沿x、y、z方向的坐标等分为20份，毗部是圆弧形的，等分为10份，在Excel表格中按照x、y、z的顺序列出坐标值。(2)假设波浪形状为正弦函数，根据波浪函数计算沿x方向的自由液面高度值，设此值为di

8、。(3)按照公式Pi=Pg(di-z)分别计算各坐标对应的压力值。(4)将Excel表格中的关于坐标x、y、z和压力P的值拷贝到txt文件中，注意列的顺序是x、y、z和P。(5)从ANSYSWorkbench的Toolbox中找到ExternalData,用鼠标拖动的方法按照图9的方式连接好。(6)双击Externa