探析基于jbp ruies的散货船结构强度直接计算研究

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摘要近年来，由于新型船只的建造和船舶的大型化及海洋平台开发的兴起，新结构、新材料不断出现，船舶结构的屈曲、弹塑性破坏、疲劳和断裂等课题提出，迫使我们寻找新的有效的船体结构分析方法；并且，随着计算机软硬件技术的发展，将船体的局部结构甚至是整艘船划分为有限单元来进行分析成为可能，船体结构强度分析从此有了革命性的突破。有限元分析方法，将整个船体结构离散为能精确模拟其承载模式和变形情况的有限单元。对于各主要结构构件，按其受力状况分别以膜、杆、板、壳和梁等单元来表达。这样可详尽地表述船体结构的微观细节，真实地表达出各个构件问的协调关系与变化。通过大规模有限元软件分析求解，可以求出各个关心构件或区域的实际变形与应力。这种方法是目前船体强度分析最准确、最完善的方法，也是在理性结构设计中，最能精确预报结构对载荷响应的结构分析方法。但是，世界上各主要船级社都有着自己独特的船体结构强度直接计算方法及强度标准，这样便造成了现行模式的目标不透明，风险的接受程度不统一，不利于对船舶设计方案的评估，为此国际船级社协会(IACS)于2005年推出了一套统一的散货船结构尺寸的共同规范，即JBP规范。制订此规范是为了满足工业界期望建造更加坚固、耐用、适用的船舶，进一步满足使用需求，消除各船级社之间在船舶最小尺寸方面的竞争。建立统一的规范，在成员船级社巾统一实施，同时也可使各个船级社的经验得到共享。进行船体结构强度有限元直接计算的基本步骤是：建立三维有限元模型；处理边界条件；进行载荷计算；选取计算工况；利用有限元软件进行求解：分析计算结果：最后得出结论。本文主要研究目的是，全面研究JBP规范的编写理念及其所采用的计算方法、过程和基本假定。为了便于比较分析该规范，本文通过采用JBP规范和中国船级社(CCS)的散货船结构强度直接计算分析指南(2003)两种直接计算方法，应用通用有限元软件NASTRAN，对同一条2l万吨双壳散货船进行船体结构有限元直接计算分析，得到的最终结论为：IACS刚刚推出的JBP规范是安全、可靠的，我们有必要推，“和贯彻该规范。关键词：JBP规范，直接汁算，敝货船结构强度，有限元法 AbstractRecently，asthedevelopmentofnew—style，large—scaleshipandmarineplatform，thesubjectofshipstmctures’buckling，elastic-plasticdamage，fatigueandrupturewasproposed，soweshouldfindanew，effectiveanalysismethodofshipstructures．Meanwhile，withthedevelopmentofcomputer’ssoftwareandhardware，itwaspossibletodividethelocalstmcturesaswellasthewholeshiptofiniteelementsinordertoanalyze．Sincethen，theanalysisofshipstructures’strengthhadgotrevolutionarybreak．through．Finiteelementanalysismethodcandividethewholeshipstructurestofiniteelements．whichcanaccuratelysimulatetheloadmodeanddistortion．Fortheprimarymembers，wecanrepresentthemwithelementsofmembrane，rod，plate，shellandbeam．Thentheycandescribetheshipstructures’microcosmicdetailsatlarge，andactuallyrepresentthemembers’relationshipandtransformation．At】ast，wecangettheconcernedmembers’translationandstress，byusingalarge．scalefiniteelementanalysissoftware．Themethodisthemostaccurateandperfectoneintheanalysisofshipstructures．anditisalsothebestoneinpredictingtheresponseofload．But．themainshipclassificationsocietiesintheworldhavetheirowndirectcalculationmethodsofshipstructures’strenmhandstructuralcriteria．Itmakestheaimofcurrentmodenottransparent，theacceptanceofriskdifierent，anditgocsagainsttheassessmentofshipdesign’sscheme．So，theIntemationalAssociationofClassificationSocietiesprovidedwiththecommonrulesforbulkcarriersin2005．viz．JBPRules．Therulesaimatsarisfyingtherequirementofbuildingstronger,moredurableandsuitableship．andeliminatingthecompetitionfort11eship’sminimumscalebetweentheshipclassificationsocieties．ThenmembersinthesocietiesCallsharetheexperiencebyimplementingthesamerules．Theprocessofdirectcalculationofshipstructures’strengthis：firstly,creatingthethree—dimensionaJfiniteelementmodel；secondly,dealingwiththeboundaryconditions；thirdly,calculatingtheload；fourthly,choosingtheloadcase；fifthly,usingftniteelementsoftwaretosolve；sixthly,analyzingtheresults；atlast，gettingtheCOIlclusion．Themainpurposeofthethesisistoresearchthecalculationmethods，processandessentialhypothesesofJBPRules．Inordertocomparativelyanalyzetherules，thisthesisadoptstwomethods，JBPRulesandChinaClassificationSociety’smanual，respectively，andthen，takesa210thousanddoublesideskinbulkcarrierasanexampletocalculate．Thelastconclusionisthatweshouldgeneralizeandimplementtherules，Keywords：JBPRules，directcalculalion，bulkcarrier’Sstructuralstrengthfiniteelementmethod 武汉理J人学硕七学位论文1．1引言第1章绪论船舶是一个复杂的水上工程建筑物。它航行于江河湖海，担负着运输、生产、战斗及其它各种任务。我国有漫长的海岸线，无数的内河湖泊，还有广阔富饶的海疆，为此就需要大量的、各种类型的船舶来从事各方面的工作，为社会主义革命和建设服务。为了保证船舶能很好地完成上述任务，船舶应具有良好的航行性能、工作性能和具有一定的强度⋯。本文主要研究的就是船舶的强度问题。船舶具有一定的强度，是指船体结构在正常的使用过程和一定的使用年限中具有不破坏或不发生大的变形的能力，以保证船舶J下常地I丁作。由于一艘船舶的经常工作状态是航行状态，因此设计人员应首先保证船舶在航行状态有足够的强度。船舶在海洋中航行，它所受到的外力是相当复杂的。这个外力除了船舶的载重和装备等重量外，主要就是水作用于船体的力。除非船足静置于水中，否则船舶受到的力总是动力。动力包括水动压力、冲击力以及船舶在运动中的惯性力等等。这些力显然取决于海面的情况，并且还是随机性的，这样就使得船体外力的确定显得相当复杂了。尽管如此，人们通过长期的生产实践，分析了船体受力和变形的主要特征，认为在考虑船体强度时，首先把船舶整体当作一根梁来研究是合理的。将“船体梁”(shiphullgirder)静罱于静水中或波浪上，计算船舶在纵向(船长方向)分布的重力与浮力作用下的弯曲变形与应力。这种将船作为一整体来研究的强度问题就叫做船体的总纵强度问题或简称为总强度问题。长期以来，总强度一直都是船体强度校核的重要方面。除了总纵强度外，船体的横向构件(如横粱、肋骨、肋板等)及船体的局部构件(如船底板及船底纵桁等)也会因局部荷重而发生变形或受到破坏，因此办需要研究这些横向构件或局部构件的强度问题。这类问题通常称为横向强发问题或局部强度问题。 武汉理工大学硕十学位论文由于将船舶静置于波浪上来研究总强度是忽略了一系列因素的结果，因此多年来人们又对船舶在波浪上运动时的受力情况进行分析研究，包括对波浪本身的研究，波浪中动压力及波浪冲击力的研究，以及考虑船舶在波浪上运动时的各种惯性力等等，并力图寻找出能确定船舶在波浪中所受外力的正确规律及其计算方法。目前随着对海况资料的累积以及电子计算机的应用，船舶在波浪上所受的外力计算己逐渐成为可能。1．2课题研究的目的、意义长期以来，民船的结构设计主要以各船级社颁布的有关规范为依据。现有的规范仍以船舶建造经验为基础，是基于许用应力的传统设计方法。这种方法简单、迅捷、实用，特别适用于常规船舶，因此至今尚具有很大的意义。然而，按现行规范的传统设计方法存在着明显的缺陷。例如，设计是否合理，设计者胸中无数；结构强度的保证，受到规范使用范围的限制；特别是，设计没有明确的目标，增加了盲目性等弘】。由于船舶工业的发展，船舶设计规范已不能满足设计要求，特别是对于大型高附加值船舶和结构新型船舶，所以近年来各国船级社都发展了结构设计方法和程序系统。而直接设计计算的一个重要环节是对船体结构进行有限元分析，国外著名船级社的船舶直接计算分析系统都发展了自己的有限元分析系统。因为只有这样才能把船舶的静水弯矩、波浪弯矩、水动压力和三维有限元模型紧密结合，进行应力分析，然后作出应力评价pI。在过去的十几年中，散货船的损失一直相当严重。英国劳氏船级社(LR)对在1980～1996年期间的散货船事故进行了统计：其中丢失55条，发生严重事故61条，船员死亡人数达到577人”l。随后，劳氏船级社又发表了从1997年1月至1998年4月发生的各类船舶事故统计资料，其中散货船又丢失了10条15I。面对巨大的财产和生命损失，国际船级社协会(IACS)和国际海事组织(IMO)以及各大船级社均采取了各种措施，对散货船的安全性进行了全面的调查和研究，发布了一些指导性文件【6’2”，加强了对现有散货船的检验。从60年代丌始，在造船业中发生了深刻的变化，比如，油船和散货船的尺度越来越大：新的运输方式、新的运输货物所要求的新船型层出不穷：新材料和新的建造方法，要求船舶更加安全可靠，同时叉要有更高的效率和经济性。 武汉理工大学硕上学位论文因此，老的规范设计方法不能适用新的情况，迫切要求建立一个更加科学、通用的结构设计方法。另外，由于高速电子计算机的出现，结构分析的有限元方法和数学规划的优化技术飞速发展，使得结构设计工作者不仅有了一个强有力的快速计算分析工具，而且有了一套系统的方法来改进设计和优化设计。于是，如同在航空、土木建筑等工程结构设计领域发生的深刻变革一样，船体结构设计的基本原理和方法也正在逐渐发生着深刻的变化，一个全新的船体结构设计原理和方法的研究已经达到实用化的阶段。一般来说，对于常规型式的散货船不需要进行有限元直接计算，但对于尺度超大、结构新型的散货船，各家船级社都在各自的规范中规定对其应进行结构强度有限元直接计算。散货船船体结构强度直接计算的目的是验证散货船船体结构在指定的装载条件下船体结构的应力在允许的限值范围之内。目前，各国的船级社都对超大型散货船提出了对其船体结构进行有限元直接计算的要求。例如，中国船级社(CCS)规定，对于船长大于或等于190m的散货船或结构型式超出CCS《钢质船舶入级与建造规范》[22-23】规定范围的散货船应根据散货船结构强度直接计算分析指南【，4】(以下简称CCS指南)进行结构直接计算分析。国际船级社协会(IACS)规定，对于国际海上人命安全公约第Ⅶ章所定义的、航行于无限国际航区的、船长90m或以上的单舷侧和双舷侧散货船应根据散货船结构统一规范【2圳(以下简称JBP规范)进行结构直接计算分析。JBP规范和CCS指南在进行结构强度直接计算分析时，都是采用三维舱段有限元模型来进行分析的。JBP规范采用的是三舱段模型，CCS指南采用的是两舱段模型。然而，按照JBP规范和CCS指南进行舱段有限元分析时，其边界条件的处理、载荷的计算原理、计算工况的选择及许用应力的值都有所不同。因此，本文的研究目的和意义就是：全面研究JBP规范的编写理念及其所采用的计算方法、过程和基本假定，然后选取一条散货船分别按照JBP规范和CCS指南这两种方法进行直接计算、分析、比较，以观察这两种计算方法对同一条散货船进行结构强度评估能否得到一致的结论。继而，为完善CCS指南提出一点建议，逐步向JBP规范靠拢，与世界接轨。 武汉理]。大学硕士学位论文1．3国内外研究现状分析船体强度是研究船体结构安全性的科学。所谓结构的安全是指结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种载荷和(或)载荷效应，并在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。此外，结构在正常使用时，还必须适合营运的要求，并在正常的维护保养条件下，具有足够的耐久性【26】。在一般情况下，船体强度计算应包括下述内容：(1)确定作用在船体或各个结构上的载荷的大小及性质，所谓外力问题。(2)确定结构剖面中的应力与变形，即结构的响应分析(亦称载荷响应分析)：或者求使结构失去它应起的各种作用中的任何一种作用时的载荷，即结构的极限状态分析(亦称求载荷效应的极限值)，即所谓内力问题。(3)确定合适的强度标准，并检验强度标准。长期以来，结构的安全性衡准都普遍采用确定性的许用应力法。该法以预先规定某一计算载荷为基础，利用结构剖面中的计算应力盯与许用应力『仃1相比较，即利用条件ors【盯】来检验结构强度是否足够。因此，该法的特点是将计算中的有关参数都取为单一的确定值。但是，实际上船体强度计算中必须考虑许多不确定因素。首先，作用于船体的载荷具有很大的变动性和随机性，特别是波浪引起的载荷：其次，船体结构材料的性能，如屈服极限、疲劳极限的不确定性；此外，如建造质量(它对结构强度的影响特别大)，分析计算中的简化、假设、近似所造成的误差等。由此可见，结构安全性是属于概率性的，因此，在结构强度计算中，只有运用概率方法才能充分揭示作用在船体结构上的随机外力的真相和结构材料在随机载荷作用下的破坏机理。对船体总强度的研究已有很长的历史，总强度判别的传统方法是把船体看作一根船体梁，计算出船体粱横剖面的惯性矩和剖面模数等参数，然后和作用的设计弯矩相比求出总纵弯曲应力，再进行总强度的判别。这种把船体横剖面看作一根空间梁的方法有较大的近似性，首先这种假定认为横剖面上处于同一高度位置(距中和轴的距离相同)上的构件应力是一样的，从而忽略了应力沿船体宽度方向的变化，其次它不能准确地考虑不连续纵向构件的影响，例如上层建筑的影响。所以它对于结构规则的细长形船舶的精度好一些，但对于结构较特殊的船舶，如有甲板大丌口、特殊上层建筑等的船舶就不太适删了。随着 武汉理T大学硕七学位论文近年来国内外设计计算方法的发展，有限元方法在船体结构计算中己得到广泛的应用。已经可以采用建立整船结构有限元模型，用整船结构有限元分析的方法来解决船体结构的总强度问题。这种方法把船舶结构力学、有限元方法和计算机技术有机地融合起来，已成为现代船舶结构设计技术中的有力手段。它不但可以解决垂向弯矩作用下的强度问题，而且还可以解决由于斜浪引起的扭矩和水平弯矩作用下的强度问题【2“。由于船体结构本身及其环境条件和相互作用的复杂性，在船舶工程中概率方法的应用仍处于初步阶段。目前，在船舶建造规范中，对常规船舶，波浪载荷仍以传统形式表达，但应用了随机性波谱理论以一定概率水平预报；而对于超过规范规定的范围的船舶，则明确规定了一种半概率的“直接计算法”作为补充，即对于波浪载荷运用概率法进行长期预报，但对船体结构的承载能力仍沿用许用应力的确定方法。近年来，由于新型船只的建造和船舶的大型化及海洋平台开发的兴起，新结构、新材料不断出现，船舶结构的屈曲、弹塑性破坏、疲劳和断裂等课题提出，迫使我们寻找新的有效的船体结构分析方法；并且，随着计算机软硬件技术的发展，将船体的局部结构甚至是整艘船划分为有限单元来进行分析成为可能，船体结构强度分析从此有了革命性的突破。有限元分析方法，将整个船体结构离散为能精确模拟其承载模式和变形情况的有限单元。对于各主要结构构件，按其受力状况分别以膜、杆、板、壳和粱等单元来表达。这样可详尽地表述船体结构的微观细节，真实地表达出各个构件间的协调关系与变化。通过大规模有限元软件分析求解，可以求出各个关心构件或区域的实际变形与应力。这种方法是目前船体强度分析最准确、最完善的方法，也是在理性结构设计中，最能精确预报结构对载荷响应的结构分析方法。有限元软件是与有限元方法同时诞生的，并且随着有限元方法和计算机技术的发展而迅速发展。有限元方法是与工程应用密切结合，直接为j：程设计服务的，因此各种有限元结构分析程序，即有限元软件使有限元方法，转化为直接推动社会发展和科技进步的生产力，产生了巨大的社会和经济效益。有限元软件已经成为CAD／CAM不可分割的一部分。同时，以有限元软件为依托的力学学科——计算力学，异军突起，将力学理论应用于工程实践，使古老的力学学科在20世纪末仍然lN耀着强大的牛命之光。有限元软件的应用极大地提高了力学学科解决自然科学和工程r}l的力学问题的能力，成为力学工作者通向工程 武汉理上人学硕+学位论文实践以及邻近科学领域的桥梁。它的一个重要特点是与工程应用直接联系，解决了许多用传统的理论和方法无法解决的工程问题。促进了力学学科的发展以及力学为工程服务能力的提高。有限元软件就是有限元方法的计算机程序或程序系统，有通用和专用两种。前者通常是商业软件，优点是通用性强，格式规范，输入方法简单，用户无需特殊记忆也不需要太多的专业知识和计算机技能，解决问题领域宽，因而流行范围广，缺点是程序通常很大，因而开发成本高。专用程序的优点是程序相对较短，开发价格低，版本升级相对容易，解决专门问题更有效。自20世纪70年代后期，引入我国的各种大、中型专用和通用有限元著名软件有ABAQUS、ANSYS、ADINA、SAP、MARC、NASTRAN[“J等。由于NASTRAN具有很高的软件可靠性、品质优秀，得到有限元界的肯定，众多大公司和工业行业都用NASTRAN的计算结果作为标准代替其它质量规范。NASTRAN具有开放式的结构，全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵活性，使用者可针对自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获得最佳的应用系统。针对工程实际应用，NASTRAN中有近70余种单元独特的单元库。所有这些单元可满足NASTRAN各种分析功能的需要，且保证求解的高精度和高可靠性。模型建好后，NASTRAN即可进行分析，如动力分析、非线性分析、灵敏度分析、热分析等。此外，NASTRAN的新版本中还增加了更为完善的梁单元库，同时新的基于P单元技术的界面单元的引入可有效地处理网格划分的不连续性(如实体单元与板壳单元的连接)，并自动地进行MPC约束。NASTRAN的RSSCON连接单元可将壳_实体自动连接，使组合结构的建模更加方便。鉴于此，本文在进行实船结构强度直接计算时，采用的就是MSC公司的NASTRAN软件作为求解器，同时采用MSC公司的PATRAN[29]作为前后处理器。可以认为，在已经知道外载荷的前提条件下，20世纪末期的计算手段已可以准确地计算任意复杂结构的内部应力【3⋯。因此，在这个时期内，对新型船舶的设计进行船中部立体舱段的有限元分析已属常规的工作要求。在这个发展阶段中，大型软件系统的开发起着决定性的作用。一个典型的软件系统应包括完整的单元库，叮以处理数力至数十万阶方程组的求解系统，以及具有功能强大的前后处理器，从而大大减轻操作人员的工作量。除了通用有限元软件外，世界上各土要造船国家都进行了巨额投资，经过 武汉理丁大学硕士学位论文长期的开发，在20世纪90年代后期陆续推出了各自集成的设计计算系统，已经发表的可以应用的代表性系统有：英国劳氏船级社的SHIPRIGHT系统，美国船级社的SAFEHULL系统，挪威船级社的NAUTICUS系统和法国船级社的VERlSTAR系统等，这标志着船体结构分析技术进入了新的阶段。在我国造船界，有限元技术的发展始于20世纪70年代，经过大约20年的开发，一些中小型的专用程序被广泛应用在船舶结构分析中，对我国新船型的开发研制起了重要的作用。目前，对大型船舶以及结构新型船舶进行船舶结构有限元分析，是进行船舶结构设计必不可少的手段。国内各科研机构中的科研人员对各种类型的船舶进行船舶结构有限元分析，做了大量的研究工作。主要有以下：顾晔昕、傅雅萍、万沪广、赵耕贤的15万吨双壳油船强度分析【3lJ；马广宗、郑莎莎的35000DWT散货船整船结构有限元分析计算模型浅析【”】；陈灏、罗展贤的21000／22600DWT多用途／集装箱船结构设计和直接强度计算【331；陈灏的44000吨散货船结构扭转计算【34】；朱胜昌、陈庆强、郭列、江南的船舶强度直接计算中的有限元分析模块和在整船分析中的应用135】；陈庆强、朱胜昌的船体结构强度直接计算中的外载荷节点化方法1361；赵耕贤、杨志勇的15万吨油船有限元强度分析及方法研究1371；马建、马广宗的七万吨自卸散货船货舱段结构有限元强度分析【38】；陈庆强、江南、朱胜昌、胡劲涛、吴斌的30000吨多用途船船体舱段强度的有限元计算分析例：张少雄、杨永谦的关于油船结构强度计算的几种方法Ho】；陈有芳，徐立的船舶结构强度直接计算分析中应力的选取⋯等【42。551。在船体结构强度直接计算法中，多采用舱段有限元分析方法。目前各船级社采用的都是三维有限元模型。为了减少边界条件的影响，JBP规范采用的是船中货舱区1个货舱+1个货舱+1个货舱三舱段三维有限元模型，CCS指南采用的是1／2个货舱+1个货舱+1／2个货舱两舱段三维有限元模型。JBP规范和CCS指南有限元模型单元的划分主要依据纵骨或加强筋来布置，即所谓的细网格模型，结构单元以板单元和梁单元居多，采用少部分杆单元。各家船级社在处理有限元模型的边界条件时，分别采用了各自独特的边界条件。JBP规范在处理边界条件时，如果使用该规范定义的直接法，则三舱段有限元模型的一端刚性固定，另一端自由，假设自由端面没有平面外的位移，即变形后自由端面保持平面，可以通过在白山端碰建市一个刚性点(MPC)，把有限元模型中所有纵向构件与这个刚性点连接起柬。CCS指南在处理边界条件时， 武汉理工人学硕士学位论文在两舱段有限元模型的两个端面都建立了MPC约束，用来施加端面约束和端面弯矩，并对中纵剖面施加对称边界条件。在船舶结构强度直接计算中，不同的有限元模型范围、不同的载荷计算原理、不同的边界条件处理方法，对计算得到的结果都有很大的影响。而且所需要校核的应力成分及强度标准都不相同。例如，JBP规范在校核船体各个构件的强度时，统一采用了235／k(k为材料系数)这个值，而CCS指南的强度标准，对船体各构件来说，则不尽相同。大量的科研人员在运用有限元法对船体结构进行强度分析中，做了许多有意义的工作。世界上各国船级社在船舶结构强度直接计算中，各自形成了独特的计算方法【珏60l，并且在实际工程中得到广泛应用，适用性得到实际的检验，为在这个领域进行进一步研究奠定了夯实的基础。IACS于2005年IIIIII推出的JBP规范，其有效性和可靠性还需要广大的科研人员进行大量的实船计算、分析，并与已经成熟的计算方法相比较，以进一步完善该规范。1．4本文的主要内容随着大型、超大型、结构新型船舶的研制开发，传统的设计方法己不能满足要求，于是船体结构强度有限元直接计算方法便应运而生，并立即得到广泛的工程实际应用。但是，世界}二各主要船级社都有着自己独特的直接计算方法及强度标准，为此nCS理事会早在2003年就决定制订出一套统一的散货船结构尺寸的共同规范，经过两年多的论证，最终决定将于2005年7月1日，在全球同步实施这套规范。制订此规范是为了满足工业界期望建造更加坚固、耐用、适用的船舶，进一步满足使用需求，消除各船级社之间在船舶最小尺寸方面的竞争。建立统一的规范，在成员船级社中统一实施，同时也可使各个船级社的经验得到共享。本文主要研究的就是IACS于2005年推出的这一套规范——．1BP规范中关于船体结构强度直接计算部分的内容。本文首先对JBP规范和CCS指南各自的船体结构强度直接计算方法进行了阐述。在结构模型方面，JBP规范采用的是净尺度法，即扣除船体各构件的腐蚀裕量，而CCS指南采用的则是船舶的建造厚度，这是两者之间的最大区别之一。其次，JBP规范采用的是船中货舱区1个货舱+1个货舱+1个货舱三舱段全宽三维有限元模型，CCS指南采用的是船中货舱区1／2个货舱+1个货舱+1／2个货舱 武汉理J=人学硕士学f市论文两舱段半宽三维有限元模型。JBP规范采用了先进的波浪载荷模型，即等效设计波方法(EDw)，使外载荷的计算更为合理，但是较CCS指南也更为复杂和冗长。在边界条件方面，JBP规范采用的是一端刚性固定，另一端通过建立一个MPC来把有限元模型中所有纵向构件与这个刚性点连接起来。CCS指南采用的是在两舱段有限元模型的两个端面都建立了MPC约束，用来施加端面约束和端面弯矩，并对中纵剖面施加对称边界条件。另外JBP规范选取的计算工况也远远多于CCS指南。因此，根据这两种直接计算方法，必然会得出不同的计算结果，因此用来校核计算结果的强度标准就截然不同。在本文第三章给出了这两种计算方法各自的强度标准。进行船体结构强度有限元直接计算的基本步骤是：建立三维有限元模型；处理边界条件；进行载荷计算；选取计算工况；利用有限元软件进行求解；分析计算结果；最后得出结论。由于本文主要研究目的是，全面研究JBP规范的编写理念及其所采用的计算方法、过程和基本假定，然后比较分析JBP规范和CCS指南各自的计算方法，对同一条船舶采用两种计算方法进行计算，以比较分析这两种计算方法对结果的影响。本文第四章选取一条21万吨双壳散货船分别应用JBP规范和CCS指南两种方法进行独立的计算。由于按照JBP规范建立的有限元模型规模远大于按照CCS指南建立的有限元模型，且前者所要求加载的载荷比较复杂以及计算工况很多，因此按照JBP规范的方法来计算所耗费的机时是CCS指南的好几倍。通过对计算结果的比较分析，得到不同的有限元模型范围、不同的载荷计算原理、不同的边界条件处理方法，对计算结果影响的主要结论。这些结论对进行船体结构有限元分析具有一定的借鉴作用，以便更加合理地进行船体结构强度直接计算。最后对本文进行了客观的评价，展示了本文的成果，并对后续工作进行了展望。 武汉理上人学硕士’≯位论文第2章船体结构模型、载荷计算及边界条件2．1船体结构模型概述对船体进行有限元分析，必须先建立有限元模型。它是由技术人员根据船舶的结构型式、受力情况、精度要求和计算的最终目的，运用结构力学和有限元知识，对实际结构进行简化，选用适当类型的单元加以模拟而得出的模型。船体结构是非常复杂的，这就决定了其三维有限元模型的建立是一项非常繁重而艰巨的工作，因此充分地利用有限元软件的建模工具是十分必要的。其中特别值得一提的是在超大型结构的建模工程中的子结构技术的运用，即将船体划分成若干个子结构来处理，通常按照船舶结构的自然分段来划分子结构，然后再通过平移、镜射等手段将其组装起来。这样可以将各个子结构的建模工作交给不同的人同时处理，可以有效地、充分地利用计算机资源，从而大大地加快工作进度。一般而言，根据要求不同，船体结构的有限元分析可以分为以下三个不同层次：1)整船分析。目的是为了获得船体应力和变形的整体情况，主要是对大开口型船舶(如集装箱船)等特殊船型进行强度分析时采用：另一目的是为舱口角隅等需要细化的局部结构分析提供边界条件。2)舱段分析。它不仅能用于分析甲板、舷侧、船底和舱壁等结构在局部载荷作用下的强度，而且在得到的结构局部应力和变形上再叠加船体梁载荷的响应后，同样能够进行船体总强度的评估。3)局部有限元分析。通常在对船体进行整体分析的基础上，为了更精确地获知主要结构构件或关键部位的应力水平和应力分布时采用，可用于计算局部应力以确定应力集中系数。全船的有限元模型化必须建立在对船体结构的承载模式、载荷传递和相应的变形特征正确分析的基础上，合理地布置单元网格线和简化纵骨等小构件，运用杆元、粱元、膜元和板壳元等结构单元的恰当组合，做到即保证了计算结 武汉理工大学硕士学位论文构的真实、有效、可信，又控制了模型的规模。在模型简化过程中，主要遵循以下原则：1)若采用舱段分析，即仅对船体的某些舱段建立有限元模型。各个船级社技术小组基于各自的考虑，模型范围并不完全相同，主要包括两种i一种是中间舱段各向前后延伸一个舱共三个舱，即三舱段模型，ABS和IACS采用的就是三舱段模型；另一种则是船中的一个舱段各向前后延伸半个舱，即两舱段模型，DNV、LR、GL及CCS采用的是两舱段模型。无论是三舱段模型还是两舱段模型，模型的垂向范围都为船体型深。2)主要的结构构件，如肋板、舷侧肋骨、甲板横梁、纵骨、纵桁、底部纵桁及其他相当构件等要合理地模型化。3)有限元网格的划分应根据计算目标和精度的要求，过细会给建模和计算工作带来困难；过粗又会使计算结果不能表达细部的变形和应力。主要有两种做法：一种是粗网格(如ABS)，即根据主要结构件来布置单元格子线；另一种是细网格，即根据骨材的间距来划分单元，目前DNV、LR、BV和CCS等都采用细网格模型。4)粗网格的有限元模型在表达船体结构的总纵弯曲和局部板架弯曲时是恰当的，但是它关于加强筋和板格的弯曲的描述却是不完备的。有鉴于此，粗网格模型通常采用膜单元和杆单元来模拟船体结构。由于梁单元与膜单元的贴和连接存在单元间变形的不相容，所以一般不采用梁单元。但是在有些情况下，为了使结构具有面外刚度，梁单元被用来支撑膜单元，以便承受横向载荷。如双层底上的纵骨通常采用杆单元，但在横舱壁的支凳附近则处理为梁单元。5)细模型的板构件(主要结构构件)选用板壳单元，加强筋选用梁单元，后者是必须的。在主要构件之间布置这种单元，以承受压力载荷并把它们传递给主要构件。对于仅在板的一侧布置的加强筋应采用偏心梁元。否则梁的弯曲刚度应该计入有效带板的影响。另外对于较薄的板构件，考虑到它的承载能力，可以用平面应力单元来代替板壳元。6)单元主要采用四种类型：杆单元、梁单元、膜元和板壳元。并且通常只采用简单单元，即仅在角点处布置节点，采用高阶单元被认为是不必要的。7)一般来讲，船体的外板结构，强框架、纵桁、平面舱壁的桁材、肋骨等的高腹板，以及槽型舱壁和壁凳采用四节点板壳单元模拟，存高应力医和高应力变化区尽可能避免使用三角形单元，如减轻孔、人孔，舱壁与壁凳连接处， 武汉理】人学硕士学位论文邻近肘板或结构不连续处，尽量少用三角形单元。8)对于承受水压力和货物压力的各类板上的扶强材用梁单元模拟，并考虑偏心的影响。纵桁、肋板上的加强筋、肋骨和肘板等主要构件的面板和加强筋可用杆单元模拟。若考虑到网格的布置和大小划分的困难，部分区域一个线单元可以用来模拟一根或多根梁／杆单元。船底纵桁和肋板在垂直方向布置应不少于3个板单元。舱壁最底部的单元一般情况下应尽量划分为正方形单元。9)槽型舱壁和壁凳：每一个翼板和腹板至少应划分一个板单元；在槽型舱壁下端接近底凳处的板单元和凳板的邻近单元，其长宽比系数接近1。主要构件的减轻孔、人孔，特别是双层底邻近舱壁处桁材和邻近底凳肘板肋板的开孔，可以采用等效板厚的板元来替代这些开孔的影响。10)在板厚有突变的地方应作为单元的边界。如果单元跨越板厚突变，则应相应地调整单元数据以得到等效刚度。板单元应位于相应板构件的中面上，但对于在整体强度分析中，板单元可以近似置于外部轮廓的平面内。11)由于船体结构的复杂性，在模型化时要做必要的简化，只要这样做对结构的不利影响可以忽略。在整体分析时，最通常的简化就是将几个次要构件合并(如加强筋等)，合并的构件应位于相关构件的几何中心，还要具有相同的刚度。甚至一些贡献较小的次要构件可以不计入模型，例如短的防止屈曲的加强筋和小的开孔。对于大的开孔，则必须计入模型。2．1．1JBP结构模型21．1．1坐标规定x轴——沿船长方向，向首为正：y轴——沿横向，从纵中剖面向左为正；z轴——沿垂向，向上为正。21．1．2：争尺度基于JBP规范的直接结构有限元分析应基于净尺度法。有限元模型的构件厚度f。应取作下列给出的净厚度：tFF=tHⅦm—1．,oh,mary-addmM—Q．5t。(2一1) 武汉理工大学硕士学位论文式中：‘n，一n是建造厚度；f。。。。一。。是船东要求的可能的附加厚度t。是从表2—1得到的腐蚀裕量。表2．1结构构件单面的腐蚀裕量表腐蚀裕量(mm)BC．C或结构构件BC—A或150m以部位BC．B下的散货船主要构件的面板舱顶以下3m范围【3】2．O压载舱其他1．5舱顶以下3m范围f311．7其他构件【5】其他1_2顶部【212．01．0横舱壁底凳斜板4．42．2其他2．21．2干散顶部‘2I以及顶部大肘板的腹板和面板1．81．O货舱[1】其他构件底部肘板的腹板及面板2．21．2其他2．O1．2底边舱斜板、有连续的木质衬垫2．O1．2内底板无连续的木质衬垫3．72．4与空气水平构件【6】1．7接触的构件垂向构件1．0与海水接触的构件【4】1．0上述未叙及的构件，如空舱，淡水舱，机舱等【4lO．5注：【1】干散货舱包括那些实际装油或压载水的，但可能要装散货的舱；【2】货舱的顶部，对于有顶边舱的船系指顶边舱斜板与内壳板交点以上的范围对于没有顶边舱的船，系指舱项向下t／3货舱高度的范围；f3】不适用于双层底； 武汉理L：人学硕士学位论文【4]箱形(ductkeel)龙骨按压载舱考虑；【5】适用于燃油舱与压载舱的交界板：【6】水平构件指与水平面夹角不超过20度的构件。21．13有限元模型的范围按照JBP规范规定可以选择两种方法来评估有限元结构模型中构件的应力，即：1)把船体梁载荷直接加入有限元模型(直接法)；2)把船体梁应力分别叠加在从使用侧向载荷的结构分析获得的应力上(叠加法)。对应于这两种方法，有限元模型的范围分别如下：1)有三个横舱壁的三个货舱长度(1+1+1)有限元模型使用直接法；2)有两个横舱壁的两个货舱长度(1／2+1+1／2)有限元模型使用叠加法。为了考虑横向的不对称动态载荷，宽度方向取左、右舷全宽范围，高度方向取整个型深范围。在有限元模型中，应包括所有主要的纵向和横向构件。它们包括内外壳板，双层底肋板、桁材系统，横向、垂向强框架，纵桁和纵横舱壁等。所有主要构件上的骨材以及腹板上的加强筋均需要在有限元模型中表现出来。2，1．14单元类型的选择根据需要模型化的构件的刚度不同，可以选择不同的单元类型：1)在对加强筋进行模拟时，可以选用：·杆元：只有轴向刚度和沿长度方向横剖面面积恒定的构件：·梁元：具有轴向扭转、双向剪切和弯曲刚度的构件。2)在对板进行模拟时，可以选用：·膜元：具有双轴和平面内刚度的构件；·壳元：除具有双轴和平面内刚度外，还有平面外刚度的构件。对于膜元和壳元，应该尽量采用线性的四边形或三角形单元。而且，三角形单元的数量应尽可能减少到最低，特别是在高应力区域和应力变化梯度较大的区域，例如孔、肘板附近区域，邻近底凳连接处的区域等。3)谯模拟JJ口筋板时，也白JI以选用二维诉交各向异性板儿。 武汉理工人学硕士学位论文2，1．2COS结构模型2．1．2．1坐标规定CCS的坐标规定同JBP的坐标规定。2．1．2．2模型网格划分1)采用三维有限元模型对散装货船主要构件进行强度直接计算，模型范围要求包括船中货舱区的1，2个货舱+1个货舱+1，2个货舱，垂向范围为船体型深。一般来说，强度评估采用中间一个货舱(含舱壁)的结果。2)主要构件和载荷对称于纵中剖面时，则可以仅模型化船体结构的右舷(或左舷)。而一般情况下非对称载荷可以分解为相对于纵中剖面对称和反对称的载荷来处理，也可以采用全宽模型。3)船体结构有限元网格沿船壳横向按纵骨间距或类似的间距划分，纵向按肋骨间距或类似的间距大小划分，网格形状尽量接近正方形。4)一般来讲，船体的外板结构，强框架、纵桁、平面舱壁的桁材、肋骨等的高腹板以及槽型舱壁和壁凳采用四节点板壳单元模拟，在高应力区和高应力变化区尽可能避免使用三角形单元，如：减轻孔、人孔，舱壁与凳连接处，邻近肘板或结构不连续处，尽量少用三角形单元。5)对于承受水压力和货物压力的各类板上的扶强材用梁单元模拟，并考虑偏心的影响。纵桁、肋板上加强筋、肋骨和肘板等主要构件的面板和加强筋可用杆单元模拟。若考虑到网格的布置和大小划分的困难，部分区域一个线单元可以用来模拟一根或多根梁／杆单元。6)船底纵桁和肋板在垂直方向布置应不少于3个单元。舱壁最底部的单元一般情况下应尽量划分为正方形单元。7)舷侧肋骨可以定义为板元或粱元，当肋骨腹板的高度与舷侧的网格尺寸之I：L4,于1／3时，可用梁元。8)槽型舱壁和壁凳：每一个翼板和腹板至少应划分为一个板元：在槽型舱壁下端接近底凳处的板单元和凳板的邻近单元，其长宽比系数接近l。9)主要构件的减轻孔、人孔，特别是双层底邻近舱壁处桁材和邻近底凳肘板肋板的丌孔，可以用等效板厚的板元来瞥代这些丌孔的影响。 武汉理：[大学硕士学位论文10)在前后端面中和轴与中纵剖面相交处各建一个独立点，端面各纵向构件节点自由度6，、6，、0，、吼与独立点相关。11)结构尺寸采用船舶建造厚度。12)板单元许用应力标准采用的是膜应力，即：弯曲板单元的中面应力。梁单元采用的是轴向应力。2．2载荷计算作用在船体结构上的载荷，按其对结构的影响，可分为：总体性载荷和局部性载荷。总体性载荷是指引起整个船体的变形或破坏的载荷和载荷效应，例如，总纵弯曲的力矩、剪力、应力及纵向扭矩等；局部性载荷是指引起局部结构、构件的变形或破坏的载荷，例如，水密试验时的水压力，机器的不平衡所造成的惯性力、局部振动，海损时水的压力等。而对于最基本的载荷——装载的货物、油、水等重力及舷外水压力(静水或波浪下)，显然既引起局部结构构件的变形或破坏，同时又是引起船体梁总纵弯曲或扭转的基本载荷。作用在船体结构上的载荷，按载荷随时间变化的性质，可分为：不变载荷、静变载荷、动变载荷和冲击载荷。不变载荷，是指在作用时间内不改变其大小的载荷，例如，静水载荷(包括静水压力、货物压力、静水弯矩等)、水密试验时的水压力等。在不变载荷作用下的结构响应分析称为静力分析。静变载荷，是指载荷在作用时间内有变化，但其变化的最小周期超过该受力结构构件的固有振动周期若干倍，故又称为准静态载荷。例如，作用于船体的波浪载荷(包括水动压力、波浪诱导弯矩)、液体货物的晃动压力、航行中的甲板上浪、下水载荷等，其中最重要的是波浪载荷。由于波浪载荷的随机性以及载荷与响应之间的复杂的相互作用，其计算是一项复杂的任务，它涉及统计理论、流体动力学，以及系统分析等多种专门知识。在造船中，自19世纪中叶以来一直沿用将船舶静置在波浪上的纵强度计算的标准方法。由于所有船舶的强度都是在同一计算原理的基础上进行比较，而作为比较标准的许几J应力又是以大量安全航行的总纵弯曲应力计算、海损事故的纵强度分析以及实船测量所得的大量应力数据为基础，并按照安全要求制定出来的。实践表叫，采用这种方法存‘定范围内仍可以比较、判断肌体候度， 武汉理T大学硕十学位论文并且简单、方便。动变载荷与静变载荷不同，它是指在作用时间内的变化周期与所研究的结构构件响应的固有振动周期同阶，例如局部结构的强迫(机械)振动、由螺旋桨引起的脉动压力、船体梁的波激振动等。冲击载荷，是指在非常短的时间内突然作用的载荷，例如砰击。当船舶纵摇又恰巧遇到波谷，船底便从水中露出，而当船底再入水时，由于船与波之间存在的相对加速度，平坦的船底就会受到极大的水动力冲击，这种现象称为底部砰击。底部砰击持续的时间很短(常在0．1s～ls)，并伴有响亮的轰鸣声和砰击声。砰击不仅引起局部的变形或损坏，还引起船体梁的弯曲振动和附加应力。在计算动变载荷及冲击载荷的响应时，通常需作动力分析才能有足够的精度。通常静力分析和动力分析总是分开进行的，动力分析通常只研究对于静载荷的偏离，因此，结构总的响应应为这两种分析结果的和。2．2．1JB?载荷计算等效设计波方法(EDW)用于设定设计载荷，包括静水和波浪侧向载荷及船体粱载荷。货物和压载造成的外部静水压力和内部静压力计为静水侧向载荷，货物和压载造成的外部水动压力和内部惯性压力计为波浪侧向载荷。静水垂直弯矩、波浪引起的垂直弯矩和波浪引起的水平弯矩视为船体梁载荷。如有必要，可追加计及静水垂直剪力和波浪引起的垂直剪力。应使用为每一等效设计波确定的载荷组合因数，将波浪侧向载荷和船体梁波浪载荷造成的应力组合起来。2．2．1．1船舶运动和加速度假定船舶运动和加速度具有周期性，且船舶运动幅度为波峰至波谷幅度的一半。1)横摇(Roll)横摇周期k(秒)和横摇单幅值口(度)：，2，3k，靠2了希(22) 武汉埋L：人学硕士学位论文0；—9000(1．25-O—．025T月)f．kb(2—3)(B+75如式中：B：型宽；，。：用于10。8概率度计算为1．0；用于1酽概率度计算为0．5：k。：对于无舭龙骨船舶取为1．2：对于有舭龙骨船舶取为1．O；k，=所计及装载工况的横摇回转半径，m。当k，不知道时，可用表2-2计算；GM=所计及装载工况的稳心高度，m。当GM不知道时，可用表2．2计算。装载工况k，GM满载工况(隔舱或匀质装载)O．35BO．12B正常压载工况0．45BO_33B重压载工况0，40BO．25B2)纵于苗(pitch)纵摇周期耳(秒)和纵摇单幅值中(度)耻再mF‘挈候式中：刎石(¨抖；g：重力加速度，取作为：9．81m／s!；(2—4)(2．5) 武汉理工大学硕士学位论文y：最大前进航速，节；c。：方形系数c。=面西A面△：型排水量，t；瓦。：假定装载工况下的船中吃水，mr：结构吃水，in。3)垂荡(heave)垂荡造成的垂直加速度(m／s2)：aheave2aog式中：n。2fp(1-58-0．47CB)(篑4+i34一丁60014)横荡(sway)横荡造成的横向加速度(m／s2)：n～；O．3aog5)纵荡(surge)纵荡造成的纵向加速度(m／s2)：ns。F20．2aog6)加速度任何一点纵向、横向和垂向加速度的基准值由下式得出·纵向：(2—6)(2—7)(28) 武汉理工大学硕士学位论文ax=CxGgsin由+C勰a。。，妒+CxPntkh·横向ay=C硒gsin0+Crsa。唧+C擂口，。啦●垂向Ⅱz=CzH口^∞vf+C加以rn№+Czea口Ⅱck式中：(2—9)(2一10)CXG，CⅪ，cⅫ，％，cⅪ，cⅫ，c口，C口，CzP：载荷组合系数，见表2-6；n。。=纵摇造成的纵向加速度，m／s2％一。中孟㈧只n，。。=横摇造成的横向加速度，m／s2～巾孟㈣尺口。=横摇造成的垂向加速度，m／s2‰。中孟㈣y。n。。=纵摇造成的垂向加速度，m／s2‰：=中旦1sofk塾7"，1-|)k-045￡)I20 武汉理工大学硕士学位论文～。叫詈+孚，罢)％：舱室重心纵向距离，m，量自尾垂线处船舶坐标系统原点；Y。：舱室重心横向距离，m，量自中线处船舶坐标系统原点，当液舱重，D在上风舷时取正值，在下风舷时取负值；z。：舱室重心垂向距离，m，量自基线处船舶坐标系统原点。22．1．2船体梁载荷1)静水弯矩对装载手册中定义的装载工况，船体任一横剖面的设计静水弯矩M。、Ⅳ。和MSWS分别为该船体横剖面中拱和中垂工况下的最大计算静水弯矩。2)静水剪力船体任一横剖面的设计静水剪力为该船体横剖面在装载手册中定义的装载工况下的最大计算正或负剪力。3)垂直波浪弯矩船体任一横剖面完整工况下的垂直波浪弯矩，kN．m，由阻下公式得出：·中拱工况：Mw．H=190FMf．CL2BC日10—3(2—12)●中垂工况：Mw．j=llOFMfpCL2B(C日+0．7)10—3(2一13)式中：％：表2-3及图2—1定义的分布因数。 武汉理：[大学硕士学位论文船体梁剖面位置分布因数凡+0sX<0．4L2．5三一LO．4L‘工s0．65L1．00．65L