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1、2004年第3期广东造船9利用ANSYS软件进行船舶局部结构分析向溢(广船国际产品开发部)关键词ANSYS结构船舶一前言有限元计算是随着计算机技术的发展而蓬勃发展起来的,目前在船舶有限元计算中,主要有一些通用软件,如Patran/Nastran、Ansys等,进行全船有限元的计算,包括静力、振动甚至噪音等。一些船级社也开发有相应的有限元计算软件,如DNV的Nauticus、L.R.的ShipRight等。这些软件一般都还局限于油船、散货船或集装箱船等,且仅局限于1/2+1+1/2的中部货舱范围的静力计算和曲屈计算,与通用有限元软件相比较,他们
2、一般可以根据规范要求自动添加边界条件和载荷。一些船级社和MSC公司进行了合作,使得其前后处理都比较方便。ANSYS在国内应用非常广泛,功能很强大。本文以一条实船的舭部结构有限元分析为例,展示了ANSYS在前后处理方面的强大功能,指出了ANSYS计算中一些需要注意的地方,愿能对用ANSYS进行船舶有限元计算的同志有一定的启发。二有限元建模及求解ANSYS支持自底向上和自上向下两种建模方式,本文采用由点到线,由线到面的自底向上的建模方法。对于关键点(KeyPoint)的输入,可以利用Excel辅助进行。用Excel生成如表1的表格,好处在于易于编辑,并且可利用Ex
3、cel的绘图功能初步察看所定义关键点是否正确。然后Copy到Ansys的commandprompt中,生成关键点,并在ANSYS中生成线,再由线生成面,最终得到有限元图网格图如图1。表1用EXCEL辅助生成关键点表格示例K,NPT,X,Y,Zk,1,0,0,0k,2,0,-700,0k,3,0,-1400,0k,4,0,-1600,010广东造船2004年第3期对于舭部外板,选择Shell63单元,对于纵骨选择Beam189单元。注意到因为189需要定义梁的方向,所以在生成关键点时,也要生成梁的方向点。
4、图1有限元图网格图关于板的腐蚀余量,型材的腐蚀余量:根据DNV规范的要求,板腐蚀余量tk=1.0mm,对球扁钢wk=1+0,06tkw,其中tkw=1.5,从而wk=1.09,所以在选择扶材的时候,需要将其模数减小到1/109,钢度也需要适当减小。边界条件:全部钢固2外力:取10m海水压力,01N/mm。经过以上过程,建立了有限元模型,进行有限元划分(Mesh),添加边界条件,进行模型加载,然后可以进行求解。此处需要说明以下几点:(1)由于Ansys计算是不考虑单位换算的,所以要由设计者来定单位,本文采用长度2mm、压强N/mm作为基本单位,如果担心出错,
5、则可以输入全部采用国际单位制,这样输出结果自然也就是国际单位;(2)在PlotCtrls下,打开面的方向显示开关,调整到面方向一致,以使以后的面载荷方向正确;(3)为了保证梁(Beam)和板(Shell)的有限单元协调,需要保证用来作为梁的Line是作为板平面的边界线。且在划分有限元模型前,最好利用MergeItem功能,将一定容差范围内的元素(如keypoint、line等)融合,保证结构的连续性。三结果后处理在输出结果中,单元节点位移为基本输出,节点的应力等为衍生结果,它是由基本输出结果得出的。一般在显示节点应力云图时,会在节点处进行平均处理,但是如果材料
6、不一致等原因,有时会导致不正确的结果,这一点在看输出结果的时候一定要注意。Shell单元输出结果默认是对总体坐标而言(也可以选择输出到局部坐标中),但是对于Beam,输出结果是对于单元坐标而言的。由于此舭部模型是船舶结构的一个部分,必然受到总纵弯曲应力和剪切应力,本文暂不2004年第3期广东造船11考虑总体应力与局部应力的合成的问题,仅考虑局部应力。图2为板的TopLayer的对于总体坐标的X方向的节点应力Sx,从图中可以看出:图2板的TopLayer的节点应力Sx舭部弯曲对抵抗外力效果明显,应力很小,而在平板部位显著增大。22在1-17线中点的Von
7、Miss应力(等效应力),达到171N/mm,Sx=16336N/mm,考虑到这里的应力很大程度上是由于边界条件引起的,所以不作为校核的部位。在6-7-1622-17构成的面的中点的应力为:Seqv=62N/mm,Sx=79.968N/mm,这是局部弯曲应力,根据DNV规范,作为纵骨架式船舶,许用应力为120f1=153.6,满足规范要求。根据DNV规范,采用如下公式,计算等效应力为:Ka:=1S:=0.7P:=100t:=1315.8KaSPt:=+tk215.8KaSP:==72.381t-tkDNV规范计算公式是基于板的筒型弯曲有关理论的,
8、从计算结果对比可见,规范
