船体结构强度直接计算中惯性释放的应用

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1、万方数据第1卷第l期2006年2月中国舰船研究ChineseJournalofShjpReseaf_chVol'lNo．1Feb．2006船体结构强度直接计算中惯性释放的应用张少雄杨永谦(武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063)摘要：介绍惯性释放的功能和原理，并以某观光潜艇和江海直达推船的全船结构强度直接计算为例，说明惯性释放功能的应用。关键词：惯性释放；船舶结构强度；直接计算中图分类号：u661．43文献标识码：A文章编号：1673—3185(2006)01一0058一04AppIicationofInertiaRelie

2、finDirectCalculationofStructuralStrengthforShipsZ^口，曙S^口D一石iD，}gyⅡngyb，皤一gi口凡Abstract：MakingexamplesofFEfiniteelementanalysisonshipstructuresofatouristsubmarineandariVer—to—seatug，thispaperdiscussedaboutthefhnctionandprincipleofineniarelief，aswellastheapplicationofit

3、indirectcalculationofshipstmcturalstrength．1【eywords：ineniarelief；shipstmcturalstrength；directcalculation航行的船舶结构处于“全自由”状态，但是对它进行有限元静力分析计算时，不能处理为全自由结构。一般情况下，有限元静力分析时，假设结构计算模型中没有机构，而且不允许有刚体运动(自由应变)模态。如果上述两条中任意一个不成立，则用常规的有限元方法分析时，刚度矩阵奇异，导致求解失败或者得到不正确的结果。在船舶结构直接计算中，外载荷(包

4、括波浪压力、砰击载荷、货物压力、晃荡载荷、波浪弯矩、剪力和扭矩等)的计算都依赖于经验公式，不管是采用全船的计算模型还是采用舱段的计算模型¨1，目前情况下很难得到一个完全平衡的外载荷力系；由于船舶结构是一个复杂的空间结构，直接计算时，有限元模型中节点数、单元数十分庞大，载荷计算的累计误差使得寻求一个完全平衡的外载荷力系的工作更加困难。在这种情况下，施加合理、合适的边界条件变得十分重要，因为约束点产生的很大的反力严重地影响(改变)了结构的实际受力状态。边界条件对于计算的结果有重大的影响，而边界条件的确定取决于对结构受力和变形状态的判

5、断以及分析者的经验，其中人为的因素较多。也许可以认为根据st．Venant·原理，由于约束点距离我们最关心的部位较远，对应力分布的计算结果的影响有限，但是这样得到的结果毕竟是不甚合理的。船体结构的变形状态十分复杂。一般而言，如果结构是以弯曲为主，在两端中和轴附近的节点施加类似简支的约束比较合理；而如果结构以扭转变形为主(如斜浪状态下的集装箱船和大开口船舶)，则应该在端面的剪心附近进行约束。众所周知，中和轴和剪切中心的位置并不重合，对于大开口船舶两者相去甚远，所以对于既弯又扭的情况，是无法进行合理约束的。1惯性释放惯性释放(Ine

6、rtiaRelief)是Msc．NAsTRAN或ANSYS中的一个高级应用，允许对完全无约束的结构进行静力分析。它对于船舶结构强度的有限元直接计算具有很强的实际意义。如果结构上作用有一个自平衡力系或者作用(如温度载荷或电磁载荷等)，即使完全不受约束的全自由结构，也会产生应力；但此时在结构上任意一点进行约束，得到的反力应该等于O。对于船舶、飞机以及宇宙飞船等复杂结构，由于受设计载荷计算方法的限制，还有数值计算的累计误差等原因，要得到一个绝对自平衡的力系是极其困难的。但可以通过静、动力平衡的方法构造一个自平衡的力系。设{，}为所有节

7、点(正，收稿日期：2005—10一1l作者简介：张少雄(1965一)，男，博士，副教授；研究方向：船舶结构、计算力学万方数据第l期张少雄等：船体结构强度直接计算中惯性释放的应用59工正，m，，m，，％)分量组成的节点外载荷向量；{艿}为所有节点加速度分量(五，；，面，舀；，拶，，舀：)组成的节点加速度向量，用有限元方法构造的静动力平衡方程为：{F}+[肘]{艿}=O式中[肘]=J烈Ⅳr[Jv]d力为质量矩阵。J“求解上式可得到各节点上为了维持平衡所需的节点加速度，进而得到各节点的惯性力，把节点的惯性力作为外力再加到有限元单元的节

8、点上，则可以构造一个自平衡力系，计算中不必太强调边界条件的施加。这种方法叫做“惯性释放”。惯性释放，简单地说就是用结构的惯性(质量)力来平衡外力，也就是说，尽管结构没有约束，分析时仍假设其处于一种“静态”的平衡状态。采用惯性释放功能进行静力分析时，只需要对一个节