730TEU集裝箱船艙段有限元分析畢業(yè)論文.doc

江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 I 730TEU 集裝箱船艙段有限元分析畢業(yè)論文集裝箱船艙段有限元分析畢業(yè)論文 目錄目錄 第第 1 1 章章 緒論緒論 1 1 1 研究背景 1 1 2 研究目的及意義 1 1 3 本文研究內容 1 1 4 集裝箱船簡介 2 1 4 1 集裝箱船的分類 2 1 4 2 集裝箱船的特點 3 1 4 3 本文研究集裝箱船特點 3 1 5 集裝箱運輸簡介 5 1 6 集裝箱船發(fā)展歷史概述 6 1 6 1 集裝箱船大型化發(fā)展趨勢 7 1 7 集裝箱船結構強度校核發(fā)展趨勢 8 第第 2 章章 有限元分析軟件簡介有限元分析軟件簡介 11 2 1 Patran 簡介 11 2 2 Nastran 簡介 12 第 3 章 艙段有限元模型的建立 14 3 1 概述 14 3 1 1 評估依據(jù) 14 3 1 2 圖紙資料 14 3 2 船體總體概述 14 3 2 1 主尺度和主要參數(shù) 14 3 2 2 主要構件尺寸 15 3 2 3 其它概述 15 3 3 結構有限元模型 15 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 II 3 3 1 模型范圍 15 3 3 2 坐標系 21 第第 4 章章 載荷施加及強度校核載荷施加及強度校核 22 4 1 計算工況 22 4 2 邊界條件 22 4 2 1 對稱邊界條件 22 4 2 2 局部載荷工況邊界條件 23 4 2 3 橫傾工況邊界條件 23 4 3 計算載荷 24 4 4 許用應力 26 4 5 應力衡準以及結論 27 結論結論 32 致謝致謝 33 參考文獻參考文獻 34 附錄附錄 35 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 1 第第 1 1 章章 緒論緒論 1 1 研究背景研究背景 隨著全球經(jīng)濟一體化的不斷加深 國與國之間在生產(chǎn)上的分工變得越來越明確 從而加速了相互之間的經(jīng)濟貿易 因此未來對于集裝箱船的需求會繼續(xù)加大 與此同 時 在發(fā)達國家 隨著技術的進步 很多原來并不適宜由集裝箱運輸?shù)呢浳镆查_始集 裝箱化 從而增加了箱柜裝運的貨種 而且 許多原來用散貨船和液貨船運輸?shù)墓任?液化氣體等 也開始實現(xiàn)部分集裝箱運輸 不僅如此 隨著發(fā)展中國家經(jīng)濟的高速發(fā) 展和工業(yè)實力的不斷成熟 原來主要以出口工業(yè)半成品為主 現(xiàn)如今 發(fā)展中國家工 業(yè)成品的出口也開始不斷增多 且大部分都適用于集裝箱運輸 這樣以來 會使得集 裝箱船可以裝載的貨物種類數(shù)目增多 從而加大集裝箱船在全球貨運總量中的比例 為了降低集裝箱船的運輸成本 增加其運輸?shù)囊?guī)模經(jīng)濟效益 集裝箱船開始向大型化 發(fā)展 已近從最初的幾百箱增加到目前由韓國船企正在建造的兩萬箱超大型集裝箱船 集裝箱船的大型化可以大幅度的降低單個集裝箱的運輸成本 與此同時港口使用費用 和人工費都不會有明顯增加 與此同時 為了深入腹地 增大大型集裝箱船的輻射能 力 實現(xiàn)大型港口向內河之間的轉運 內河支線型集裝箱船顯得越來越重要 1 2 研究目的及意義研究目的及意義 隨著全球氣候環(huán)境的不斷惡化 各行各業(yè)紛紛開始作出自己的改變 從而船舶設 計在追求高經(jīng)濟型性的同時也開始注重節(jié)約能源和保護環(huán)境 與此同時 各種新生效 的規(guī)范 也在不斷影響著船舶結構設計 例如壓載艙的新涂層標準 壓載水處理 燃 油艙保護等綠色環(huán)保要求 因此原來老舊的船舶已經(jīng)不符合新的發(fā)展形勢要求 必須 對其進行更新?lián)Q代 使得對于新船型的研究變得更有意義 1 3 本文研究內容本文研究內容 本文的主要研究內容就是通過研究 730TEU 集裝箱的性能特點 結構特點 布置 特點等 對船中艙段進行模型建造 載荷施加 校核計算 從而得出其應力分布圖 從而為結構設計提出合理的指導意見 其主要內容如下 1 研究集裝箱船及結構強度校核發(fā)展歷史 并對未來可能的發(fā)展方向做出合理 的預測 2 根據(jù)提供的基本結構圖 中橫剖面圖 研究船舶的結構設計特點 對于如艙 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 2 口角隅 橫艙壁結構等應力比較集中的地方進行單獨研究 3 參照集裝箱船結構強度直接計算指南中的相關規(guī)范 運用 Patran 軟件建立船 中艙段強度校核的有限元模型 然后對于結構單元施加響應的材料屬性 最后運用 Nastran 軟件進行載荷施加 通過計算得出應力分布圖 1 4 集裝箱船集裝箱船簡介簡介 1 4 1集裝箱船的分類集裝箱船的分類 1 4 1 1 按照裝運集裝箱情況集裝箱船可以分類如下按照裝運集裝箱情況集裝箱船可以分類如下 1 部分集裝箱船 2 全集裝箱 3 可變換集裝箱船 1 4 1 2 集裝箱船按照裝箱量的多少劃分如下 集裝箱船按照裝箱量的多少劃分如下 表 1 1 集裝箱船分類 集裝箱船型分類裝箱數(shù) TEU 小型集裝箱船 1000 中型集裝箱船1000 2500 中型集裝箱船2500 8000 超大型集裝箱船8000 1 4 1 3 按照巴拿馬型的船舶劃分 按照巴拿馬型的船舶劃分 表 1 2 集裝箱船分類 集裝箱船型分類裝箱數(shù) TEU 中超巴拿馬型集裝箱船8000 超巴拿馬型集裝箱船 小超巴拿馬型集裝箱船5500 6500 巴拿馬極限性集裝箱船5000 巴拿馬型集裝箱船 巴拿馬型集裝箱船4200 1 4 1 4 按照集裝箱船的發(fā)展情況劃分 按照集裝箱船的發(fā)展情況劃分 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 3 表 1 3 第一代 第五代集裝箱船代表船型表 船舶情況船長 m 船寬 m 吃水 m 載箱量 TEU 載重量 t 備注 第一代 170 258700 1000 10000 第二代 225 29 111000 200015000 20 000 第三代 275 32 122000 3000 30000 第四代 295 32 123000 400040000 50 000 第五代28039 8 設計吃 12 5 結構吃水 14 4000 500068950 總載 重噸 以魯河號 為例 第六代39556 156000 8000170890愛瑪 馬 士基 1 4 2 集裝箱船的特點集裝箱船的特點 隨著越來越高的裝卸效率 集裝箱船對于港口的占用時間大幅度縮短 使得港口 使用費用大幅縮減 由于集裝箱船是定時 定港 定航線運營 為了不耽誤航運時間 故集裝箱船的航速相對于散貨船來講比較高 通常為二十幾節(jié) 為了增加船舶的運量 以增加其經(jīng)濟效益 所以通常在甲板以上也需要裝載集裝箱 這對于集裝箱的穩(wěn)性來 講 要求就比較高 故其船體形狀和船體結構與普通貨船有很大的不同 通常集裝箱 船比較瘦長 只在頂部設置一層寬敞平整的甲板以存放集裝箱 為了裝卸方便 集裝 箱船的甲板開口的范圍都比較大 集裝箱船一般都是尾機型 上層建筑在機艙的上部 從而可以留出更多的甲板空間來裝載集裝箱 在甲板以上可以堆放 2 6 層集裝箱 為 了穩(wěn)性起見 在甲板及貨艙口上都設有固定的綁扎設備 貨倉內部的裝置有導軌架 格柵等 集裝箱船由于甲板大開口 總縱強度 局部強度 扭轉強度的損失都比較大 在結構設計時為了彌補強度的不足 故通常船體為雙層底和雙層舷側 在頂部也設置 有效的抗扭箱結構以增加總縱強度 集裝箱船一般都?？吭谟刑厥庋b卸設施的港口 因此不需要在船上設置裝卸設施 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 4 1 4 3 本文研究集裝箱船特點本文研究集裝箱船特點 1 4 3 1 型及航區(qū)型及航區(qū) 為了方便裝卸集裝箱 提高裝卸效率 因此與大多數(shù)集裝箱船一樣也有寬大的貨 倉開口 船舶的結構強度有很大損失 故集裝箱船一般都為雙層底 雙殼 并在舷側 頂部設置抗扭箱 同時為了增加船舶的總縱強度 雙層底 甲板都采用縱骨架式 而 為了增加橫向強度 在雙層舷側采用橫骨架式 船型特點有 寬大艙口 無艙口蓋 裝卸靈活 停港時間短等特點 船舶的航區(qū)為沿海航線 1 4 3 2 船體總體布置船體總體布置 在整個船廠范圍內總共有七對十四個壓載水艙 中間平行中體部分設置了六對 由于向首位延伸線性的變化 在首部的一對壓載水艙比較小 集裝箱船滿載出港的時 候通常也需要把壓載水艙注滿 原因在于甲板上裝載了許多集裝箱 這樣做可以降低 船舶的重心 增加適航性能 當船舶處于壓載狀態(tài)時 浮力在船中部比較大 而重量 分布在船長范圍內分布都比較均勻 這樣會導致船舶處于中拱狀態(tài) 因此把首尾兩端 的艙室設置成了空倉以降低首尾重量 機艙布置在尾部 由于甲板集裝箱裝載層數(shù)比 較高 為了不影響駕駛員的視野 提高船舶的操縱性 同時也為了減小了機艙振動和 噪聲對船員的影響 因此該船舶的駕駛甲板和居住甲板位于船首 總布置圖如圖 1 1 所 示 圖 1 1 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 5 1 4 3 3 船體結構布置船體結構布置 該船的中橫剖面圖如圖 1 2 所示 圖 1 2 為了增加穩(wěn)性 故船寬比較大 從而船的寬度吃水比較大 形式上看船的中橫剖 面比較扁平 從而導致甲板和船底板距中和軸的距離先對較小 由于中垂彎曲和中拱 彎曲的影響 從而船的中部遭受總縱彎曲應力比較大 因此 貨艙段主船體結構采用 縱骨架式 以提高總縱強度度和屈曲強度 由圖中可以看出 左側為弱肋位 右側為 強肋位 并且為橫骨架式 船舶結構設計都是按照最大的設計彎矩來校核相應的構件 的 但是 在選取靜水彎矩時 要綜合考慮經(jīng)濟型和適航性兩方面 取得過大過小都 不合適 1 5 集裝箱運輸簡介集裝箱運輸簡介 為了提高貨物的裝卸效率 降低運營成本 人們開始考慮采用集裝箱裝卸貨物 這樣也可以減少貨損 最早是在陸地上采用這種形式 后來才普及到船舶運輸上 1957 年 美國船企第一次將散貨船改裝成為集裝箱船 并在第一次運營中驚奇的發(fā)現(xiàn) 其裝卸效率比散貨船高出很多倍 集裝箱船停港時間短 大大降低了港口的使用費用 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 6 增加了經(jīng)濟效益 從那以后 集裝箱船開始迅猛發(fā)展 逐漸成為貨件運輸?shù)闹髁?集裝箱運輸?shù)膬?yōu)點有 1 裝卸效率高 目前港口裝備的集裝箱起重機起重能力都比較大 裝卸速度也 比較快 平均每小時可以裝卸大約 30 到 40 箱 按照每個集裝箱裝載 11 噸計算 每小 時可以裝卸 350 400 噸 然而 假如采用傳統(tǒng)的船舶吊桿或者門式起重機 由于雜貨 船的堆放比較散亂 裝卸不便等原因 效率較低 例如起重能力為 10 噸左右的門式起 重機平均每小時只能裝卸 30 35 噸雜貨 很明顯 集裝箱船的運輸效率比雜貨船高出 很多倍 因此集裝箱船正在逐步取代雜貨船 2 安全可靠 集裝箱作為一個密閉金屬制的箱體 它對于裝載的貨物起到了很 好的保護作用 使得在運輸過程中貨損大為降低 而假如用傳統(tǒng)的裝卸雜貨件出現(xiàn)約 1 2 的貨損是在所難免的 對于易碎品 如瓷器 玻璃品等 貨損可能高達 10 3 全天候作業(yè) 以前裝卸雜貨 為了減少貨損 遇到下雨天就必須停止作業(yè) 使得作業(yè)時間大為折減 使得裝卸效率低下 假如采用集裝箱裝卸 由于箱體是金屬 密閉的 不受雷雨天氣的影響 可以全天候作業(yè) 使得裝卸效率大為提升 4 集裝箱可重復使用 雜貨件的運輸必須有包裝 成組的貨物還需要大包裝 假如使用集裝箱的話 可以省去包裝 而且還可以重復使用 降低了成本費 5 縮短了貨物運輸時間 集裝箱運輸有定航線 定港 定時 定船等特點 運 輸 航線比較固定 定期定港的運輸方式極大地方便了運輸商 可以使得他們對于自己 產(chǎn)品的售賣做出經(jīng)濟合理的安排 這樣可以提升這個運輸鏈的經(jīng)濟效益 當今的集裝 箱航速高達 28 節(jié) 使得單次航運時間與傳統(tǒng)雜貨船大為縮減 使得商品和資金的周轉 速度大為提升 6 運輸成本低 綜上所述 由于裝卸效率提高 碼頭利用率高 運轉周期短等 特點使得集裝箱的運輸成本大為縮減 提高了經(jīng)濟效益 隨著集裝箱運輸在總的運輸 量中所占的比例的提升 其低廉的運營成本促進了世界各國之間的經(jīng)濟貿易 使得全 球經(jīng)濟一體化的步伐進一步加快 綜上所述 集裝箱船運輸可以大幅度提高裝卸效率 從而降低港口使用費和運輸周 期 與此同時 全天候作業(yè)提高了港口的利用率 這些都使得集裝箱運輸成本的降低 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 7 1 6 集裝箱船發(fā)展歷史概述集裝箱船發(fā)展歷史概述 1956 年 美國泛大西洋航運公司 Pan Atlantic Steamship Company 也就是后來 的海陸服務公司 Sea Land Service Inc 將其擁有的油輪 蓋特威城 GATEWAY CITY 號散貨船改裝 并在其甲板上轉載了一部分集裝箱 第一次試航是從美國諾 瓦克港口出發(fā)到休斯頓去卸貨 然而結果卻發(fā)現(xiàn)與散貨船相比 停港的時間由原來的 7 天縮減為 15 小時 裝卸費也降為原來的 1 37 獲得了巨大的成功 從那以后 世界 各大運輸公司紛紛開始建造自己的集裝箱船 掀起了集裝箱船建造的新浪潮 隨著建 造速度的加快 各大船東開始確定最適宜運輸?shù)募b箱船型 并于上世紀七十年代末 確定了第一代實用船型 現(xiàn)如今 歐美國家如美國 英國 德國等 它們的雜貨物基 本都是依靠集裝箱運輸 集裝箱船發(fā)展至今已經(jīng)有六代 現(xiàn)簡介如下 第一代集裝箱船 上世紀六十年代 第一代集裝箱船基本定型 其裝箱量為 700 到 1000 箱左右 總噸位在 2 萬噸左右 它的航行區(qū)域包括大西洋 太平洋等 第二代集裝箱船 到上世大幅度提升 已經(jīng)達到 2000 箱 總噸位也已經(jīng)達到 5 萬 噸 與此同時航速也有了進一步的提升 已經(jīng)提高到了 26 27 節(jié) 第三代集裝箱船 受 1973 年石油危機的影響 各種船型都開始考慮經(jīng)濟性的問題 集裝箱船的發(fā)展也不例外 第二代集裝箱船裝箱量少 使得其經(jīng)濟效益不佳 各大船 企基于規(guī)模經(jīng)濟效益的思想繼續(xù)加大船型 于是第三代集裝箱船應運而生 然而其航 速卻降低了 凸顯了其經(jīng)濟性 第四代集裝箱船 上世紀八十年代后期 為了進一步凸顯集裝箱船運輸?shù)囊?guī)模經(jīng) 濟效益 世界各大造船廠加快了集裝箱船大型化發(fā)展的步伐 然而船型的劃分開始以 能否通過巴拿馬運河為準繩 開始出現(xiàn)巴拿馬型 超巴拿馬型船舶 裝箱數(shù)量也已經(jīng) 超過 4000 箱 隨著船舶的大型化發(fā)展 高強度鋼的采用范圍和比例也開始不斷加大 這使得船舶的重量開始大幅度減輕 船舶的屈曲強度應該引起足夠重視 與此同時 新型的柴油機的功率不斷加大 而燃油費大大降低 伴隨著科技的進步 船舶的自動 化程度也不斷提高 降低了人力需求 從而船舶的經(jīng)濟型進一步提高 第五代集裝箱船 為了增大集裝箱船的穩(wěn)性 從而增大其復原力臂 德國船企率 先開建了幾艘 APLC 10 型集裝箱船 其長寬比略有縮小 裝箱量也有了進一步的提升 達到了 4800 箱 第六代集裝箱船 二十世紀末 為了加快集裝箱船大型化發(fā)展的步伐 船企開建 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 8 大型集裝箱船 其中為代表的就是馬士基公司建造的 Rehina Maersk 號集裝箱船 從此 大家紛紛開始建造以馬士基為代表的六代集裝箱船 近年來 可裝載 10000 個集裝箱的巨輪已經(jīng)在歐洲問世 而裝箱量高達兩萬箱的 超大型集裝箱船在韓國已經(jīng)開建 1 6 1集裝箱船大型化發(fā)展趨勢集裝箱船大型化發(fā)展趨勢 當代集裝箱船的發(fā)展趨勢及所面臨的問題 進入新世紀以來 集裝箱船大型化發(fā)展的步伐越走越快 裝箱量已經(jīng)從最初的幾 百箱到幾千箱 現(xiàn)如今已經(jīng)超過兩萬箱 集裝箱船呈現(xiàn)出經(jīng)濟化 環(huán)保化 節(jié)能化的 新特點 船長也已經(jīng)超過 350 米 有的超大型的集裝箱船已經(jīng)接近 400 米 根據(jù)經(jīng)濟 學中的規(guī)模效益理論 一次航行過程中的運輸量越大 其規(guī)模性越明顯 單件產(chǎn)品的 運營成本也就越低 經(jīng)濟效益也就越明顯 近年來 隨著焊接技術的快速發(fā)展以及高 強度鋼的采用 未來集裝箱船大型化的發(fā)展趨勢還會進行下去 也就意味著主尺度還 會進一步增大 然而船舶大型化發(fā)展也帶來了一系列的問題 比如應力集中 穩(wěn)性不 足 總縱強度和扭轉強度不夠等 隨著 EEDI 的全面生效 以及近年來石油等燃料價格的不斷攀升 航與企業(yè)開始 加大對于低成本 節(jié)能環(huán)保的關注度 因此 如何設計出一艘能源消耗少 載箱量大 節(jié)能環(huán)保的新船型成為了國際集裝箱船舶設計的研究熱點 現(xiàn)如今 主流的集裝箱船 舶的航速已將較原來的船型大大的降低了 由最初的 25 節(jié)降為現(xiàn)如今的 18 節(jié)甚至更 低 這樣的發(fā)展趨勢下 為了改善船舶低航速時的阻力性能同時也是為了增加船舶的 載箱量 目前主流設計思想都是采用豐滿的型線設計 這樣做使得首尾艙室的裝箱量 增加 增加了首尾重量 同時肥大的首尾線型使得首尾的排水量增加 從而靜水彎矩 也有所增加 使得結構強度問題變得越來越突出 現(xiàn)代超大型集裝箱船的結構特點 伴隨著船舶的大型化發(fā)展 為了減輕結構重量增加船舶的裝貨量以增加經(jīng)濟效益 在船舶的設計和建造中 對于高強度鋼的使用范圍和比例越來越大 其強度等級也有 所提高 這樣可以大大減輕結構重量 從而載貨量增加 進一步增加船舶的經(jīng)濟效益 以前大型的集裝箱船由于首尾型線比較瘦削 結構重量比較小 因此 重量分布 比較均勻 而浮力主要集中在船中 因此船舶結構強度主要考慮中拱帶來的總縱強度 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 9 問題 然而超大型集裝箱船采用的肥大船型設計 首尾的裝箱量和結構重量的增加使 得局部結構強度問題變得愈加突出 因此 在超大型集裝箱的設計過程中 要兼顧總 縱強度和局部強度 并且對于扭轉強度也要引起足夠的重視 1 7 集裝箱船結構強度校核發(fā)展趨勢集裝箱船結構強度校核發(fā)展趨勢 傳統(tǒng)的船體結構分析分為兩部分 一是船體局部強度分析 二是全船總縱強度的 簡化分析 對局部強度分析 目前通用的方法是采用有限元分析 對于所要研究的結構運用 相關軟件進行建模 然后根據(jù)結構實際受力狀態(tài)對模型施加載荷 接著運用相關軟件 進行結構強度計算 得出結構強度計算報告 近些年來 隨著計算機技術的飛速發(fā)展 采用有限元模型分析法對所要考慮部分進行校核的方法已經(jīng)各大設計公司采用 這種 做法在業(yè)界也獲得了普遍的認可 在總體強度分析中 初始的研究方法是采用船體梁理論 采用簡化方法 將船體 看成一根梁 復雜構件如肋骨 肋板 縱骨 縱桁等 被簡化成一條一條直線 在結 構計算中為了體現(xiàn)出其材料屬性 所以通過單元模擬的方法來實現(xiàn) 并把外界傳遞過 來的各種載荷施加在這些簡化直線上 為了計算出強力構件所受到的應力 將構件的 內力分為總彎曲應力和板架彎曲應力 各自進行計算 最后再采用應力合成法得到構 件的內力 整個船體是一個整體 其受力也具有整體性 單純?yōu)榱擞嬎惴奖?強行的將兩種 有著互相聯(lián)系的力分開 這種方法本身的理論依據(jù)就不足 由于受力計算的不準確 在設計時為了保證船舶的安全性 單純的用調高安全系數(shù)的方法來實現(xiàn) 然而 這也 必然造成了結構材料的浪費和施工費用的增加 降低船舶的經(jīng)濟型 因此 船體梁理 論是粗略的計算 并不完善 由于各種受力之間的互相影響 人為的將它們分開缺乏 理論依據(jù) 并不合理 大型的集裝箱船結構比較復雜 為了實現(xiàn)不同的功能 設計者對于船體內部空間 做出了合理的規(guī)劃 同時船舶的橫剖面積沿著船長方向變化也比較大 這樣以來 對 于把船體剖面看成基本不變的船體梁理論顯然已經(jīng)不適用 針對大型集裝箱船的這種 結構特點 必須采用一種考慮到非等值結構的扭轉響應問題的新型的船體梁設計方法 現(xiàn)如今 國際上的主流思想是采用基于薄壁梁理論的有限薄壁梁理論 Wide 最先開始 相關研究船 在校核扭轉強度時 為了計算簡便 他將船中的平行中體部分看成是等 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 10 斷面的 而將兩端線性變化比較大的首尾結構看成是中部平行段的約束 由于當時認 識的局限性 并未考慮到非棱柱的三維效應問題 從而導致他的計算結果誤差比較大 由于船體的非棱柱性 現(xiàn)在普遍的計算思路都是采用有限梁的計算方法 即把變 斷面的船體梁看成是階梯形狀的 并采一維的有限元法或者是遷移矩陣法 在計算時 由于彎矩之間的耦合作用 上述計算理論也不盡完善 但是 在初步設計階段 薄壁 梁理論還可以起到一定的指導作用 薄壁梁理論采用的是確定性的研究方法 但是對 于波浪載荷這樣的隨機性變量 按照上述方法就很難得出很好的計算結果 也得不出 各個部位的詳細應力分布 隨著計算機技術的飛速發(fā)展 針對全船的有限元分析已經(jīng)變?yōu)榱丝赡?目前可以 采用模型法 用膜 桁 梁 殼等單元模擬表達船體的各個部位的主要構件 這樣可 以較為真實的模擬表達船舶各個部位的剛度特性 最后施加載荷 并通過有限元分析 軟件得出應力分布圖 從上世紀九十年代開始 世界造船界針對大開口的集裝箱船開始普遍采用有限元 分析法 使得結構強度的校核上升到一個新的階段 隨著技術的進步 基于概率性計 算的直接計算法開始代替確定性計算方法 例如美國 ABS 船級社就推薦采用 DLA 設 計方法 目前國外前進的船級社都開始采用動態(tài)載荷對大型集裝箱船的總縱強度進行 直接計算 主要研究思路如下 首先采用流體動力學的計算程序對船舶運營所處的海況 進行長期預報 運用載荷參數(shù)法 對鎖預報的波動進行參數(shù)化處理 得出一種概率性 的均勻波 并測量出其具有的波長 波高 相位等基本參數(shù) 然后將得到的等效規(guī)則 波施加在已建立好的有限元模型上 從而得出結構的應力分布 目前在海洋工程領域 已經(jīng)提出基于載荷和結構強度均采用概率性分析方法的 LRFD 方法 伴隨著科技的進 步 船舶結構領域也會逐漸采用此先進的設計思路 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 11 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 12 第第 2 章章 有限元分析軟件簡介有限元分析軟件簡介 2 1 Patran 簡介簡介 MSC Patran 集成的并行框架式有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng) 隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展 CAE 仿真技術在結構設計中的應用越來越廣泛 由于 CAD 系統(tǒng)間各有各的特色 并且產(chǎn)品設計性能的仿真也具有多樣性的特點 因此 急 需一款軟件能將 CAE 仿真的各個集成塊融合到一個統(tǒng)一完善的 易學易用的平臺上 MSC Patran 應運而生 設計者可以根據(jù)自己本行業(yè)的實際需要 可以在此開放式平臺 上進行多好學科間的數(shù)據(jù)交換 工程分析等 目前 MSC Patran 已經(jīng)被廣泛應用于 航空 航天 鐵道 制造業(yè) 船舶 機械 電子 建筑 教學研究 生物力學等各個 行業(yè) MSC Patran 特點如下 1 擁有友好的 條理清晰的 簡潔易懂的用戶界面 正符合目前主流的 CAE 操 作流程 也有利于軟件應用的推廣 用戶界面分人菜單分級不超過三個并且按照時間 的先后順序一一激發(fā) 使得用戶可以快速的介入任何分析任務 并自由切換 2 豐富的電子表格工具 為了給用戶提供更多的服務功能 在其下拉菜單中有諸 如圖形編輯 移動條碼 視圖等快捷按鈕 如果用戶想要管理或者輸入自己想要的數(shù) 據(jù)可以通過單擊 單擊和拖動 或者 多功能屏幕拾取選擇 按鈕 方便簡潔 通俗 易懂 軟件中提供的各類表格全部采用的是普通的工程界最基本的術語 整個界面簡 潔易懂 3 對大模型的操作響應極快 本軟件由于其構架的優(yōu)越性 在處理結構模型時 能夠對數(shù)據(jù)進行快速優(yōu)化 對網(wǎng)格進行合理有效的劃分 使得軟件在處理模型時能夠 快速準確的得出結果 4 MSC Patran 軟件服務商為我們提供了在線的全文服務系統(tǒng) 使得我們的問 題可以及時得到解決 除此之外 在軟件中執(zhí)行相關命令時 所有的操作都會自動保 存或者恢復編輯修改 有助于我們避免在執(zhí)行錯誤操作后及時恢復 方便了用戶的使 用 5 強大的幾何建模功能 MSC Patran 提供了一系列的幾何建模功能 包括幾 何元素的創(chuàng)建 Create 刪除 Delete 編輯 edit 變換 Transform 顯示 show 檢查 Verify 關聯(lián) Associate 取消關聯(lián) Disassociate 重新標號 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 13 Renumber 6 幾何模型直接訪問技術 除了本身建模外 本軟件還可以直接從 CAD 等大 型建模軟件中直接導入模型 方便了廣大用戶 7 分析求解器集成 作為一款優(yōu)秀的有限元模型分析前后置處理器 它提供了 按照 事件分類 分析求解器的選擇功能 使得 MSC Patran 的分析集成系統(tǒng)達到了一 個嶄新的水平 因此 用戶可以根據(jù)自己后期的計算需要 自助選擇不同的分析軟件 8 有限元建模功能 本軟件中集成了自動實體網(wǎng)格單元格劃器 可靠的映射網(wǎng) 格劃分器 掃成網(wǎng)格生成器等多種網(wǎng)格生成器 軟件還集成了一些獨特的網(wǎng)格處理功 能 2 2Nastran 簡介簡介 為了方便各行各業(yè)處理工程問題分析 美國宇航局開發(fā)出了適應于多種用途的有 限元分析軟 這個系統(tǒng)稱為 NASA Structural Analysis System 命名為 Nastran 上世紀六十年代初 為了能早日登上月球 美國宇航局希望開發(fā)一款大型的有限 云結構分析軟件 并且其兼容性要好 能夠在幾乎所有的大型計算機上運行 當時 MacNeal Scherndler Corporation 即 MSC 公司 參與了這一開發(fā)過程 Nastran 程序最 早在 1969 年通過 COSMIC Computer Software Management and Information Center 對 外發(fā)行 一般稱為 COSMIC Nastran 隨著計算機行業(yè)的飛速發(fā)展 Nastran 程序的版 本更新速度也開始加快 其中被用戶廣泛使用的當屬 MSC 公司所開發(fā)的 MSC Nastran 程序 MSC Nastran 的應用極大地方便了各行各業(yè)的對于結構應力分析的需要 進入新世紀以來 MSC Software 公司為結合新的計算方法 對于 MSC Nastran 進 行了改進 尤其是對其進行 MD 技術特新開發(fā) 并于 2006 年發(fā)布了 MD Nastran 新 的軟件能處理多種學科的仿真 能處理顯式非線性 高級非線性 熱分析 外噪聲分 析等問題 從而增大軟件的應用范圍 MSC Nastran 軟件功能介紹 1 靜力分析 在模型的結構校核中 為了計算在受靜力載荷下的應力 Nastran 軟件為大家提供 了靜力分析功能 可以計算節(jié)點的受力 位移 約束力等 2 屈曲分析 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 14 在船舶結構校核中 除了要計算結構強度外 還要校核穩(wěn)定性 也就是屈曲問題 本軟件中的屈曲分析包括線性和非線性兩種 3 動力學分析 為了校核結構在動力作用下得受力響應 MSC Nastran 軟件為我們提供了應對動變 載荷的響應分析 為了綜合性考慮 在分析中也包含了對于慣性和阻尼的響應 4 非線性分析 為了使得分析計算更趨于合理性 在校核中必須考慮結構的非線性響應 其包含 材料 幾何 以及接觸等的非線性問題 5 熱傳導分析 當所研究的結構模型處于帶有熱量變化的環(huán)境中時 結構校核必須把這一部分變 化包含進來 因此 MSC Nastran 可以有效的分析出結構內部的熱量分布 并以直觀的 顏色分布顯示出來 加大的方便了工作者的結構熱力分析 從而實現(xiàn)對于產(chǎn)品的熱力 性能改善 6 流 固耦合分析 當所研究的結構模型與流體有力的相互作用時 受力還比較復雜 MSC Nastran 軟件中提供了許多求解流 固耦問題的方法 包括虛質量法 流 固耦合法等 極大地方便了船舶設計工作者在水環(huán)境下對于船體結構的分析 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 15 第第 3 章章 艙段有限元模型的建立艙段有限元模型的建立 3 1 概述概述 3 1 1 評估依據(jù)評估依據(jù) 根據(jù)中國船級社 國內航行海船建造規(guī)范 2012 及其 2014 修改通報第 2 篇第 7 章附錄 2 集裝箱船結構強度直接計算 以及 集裝箱船結構強度直接計算指南 第 3 章 貨艙區(qū)域主要結構強度直接計算 的規(guī)定 對 730TEU 集裝箱船貨艙區(qū)域的主要 構件應用直接計算方法進行了強度計算 3 1 2 圖紙資料圖紙資料 1 總布置圖 2 基本結構圖 3 典型橫剖面圖 4 貨艙段結構圖 3 2 船體總體概述船體總體概述 3 2 1 主尺度主尺度和主要參數(shù)和主要參數(shù) 總 長 127 60 m 水 線 長 122 50 m 垂線間長120 20 m 型 寬21 40 m 型 深 10 40 m 設計吃水6 70 m 肋 距 0 60 m 設計航速11 2 kn 航 區(qū) 沿 海 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 16 3 2 2 主要構件尺寸主要構件尺寸 表 3 1 主要構件尺寸 構件名稱構件尺寸 mm 內底縱骨L160 100 10 外底縱骨L160 100 10 舷側縱骨L160 100 10 平臺縱骨L125 80 10 舭部強肋骨T 型材 10 400 12 120 舷側強肋骨T 型材 10 400 14 180 弦頂強肋骨T 型材 10 400 12 120 甲板縱骨T 型材 16 400 16 240 3 2 3 其它概述其它概述 1 本船共裝載集裝箱 730 只 集裝箱尺寸 長 寬 高 6058mm 2438mm 2591mm 2 本船裝載狀態(tài)如下 A 配箱裝載時 共裝載集裝箱 730 只 平均每只集裝箱重 11 56t B 裝載 14t 箱時 重箱 1 每只集裝箱重 14t C 裝載 28t 箱時 重箱 2 每只集裝箱重 28t 3 3 結構有限元模型結構有限元模型 3 3 1 模型范圍模型范圍 運用 MSC Patran Nastran 軟件進行建模及計算 采用三維有限元模型 模型寬度 范圍 1 邊界條件類型為對稱時選取為半寬模型 取左舷 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 17 2 邊界條件類型為非對稱時選取全寬模型 艙段模型的縱向范圍從 49 肋位到 107 肋位 垂向范圍為從船體基線到艙口圍板 上緣 其中甲板等平板結構用板單元模擬 肋板 底縱桁 甲板縱桁 甲板強橫梁 舷側強肋骨 艙壁垂直桁等腹板用板單元模擬 面板用梁單元模擬 其它小的骨材用 梁單元模擬 模型長度單位 m 有限元模型有 半寬模型節(jié)點 27139 個 單元 40763 個 全寬模型節(jié)點 53706 個 單元 81065 個 材料屬性 彈性模量 E 2 06 105 MPa 泊松比 0 3 密度 7 85 t m3 有限元模型如圖 3 2 圖 3 11 所示 圖 3 2 半寬結構有限元模型 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 18 圖 3 3 半寬結構有限元模型示意圖 隱去內底板和內舷板 圖 3 4 半寬舷側結構有限元模型局部放大圖 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 19 圖 3 5 全寬結構有限元模型示意圖 圖 3 6 全寬船底結構有限元模型局部放大圖 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 20 圖 3 7 半寬結構有限元模型板厚示意圖 圖 3 8 半寬結構有限元模型板厚示意圖 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 21 圖 3 9 半寬結構有限元模型板厚示意圖 隱去內底和內舷 圖 3 10 全寬結構有限元模型板厚示意圖 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 22 圖 3 11 全寬結構有限元模型板厚示意圖 隱去內底和內舷 3 3 2 坐標系坐標系 坐標系見圖 3 11 所示 原點 0 位于 49 號船底中線處 X 軸指向船艏為正方向 Y 軸指向左舷為正方向 Z 軸向上為正方向 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 23 第第 4 章章 載荷施加及強度校核載荷施加及強度校核 4 1 計算工況計算工況 根據(jù) 國內航行海船建造規(guī)范 2012 及其 2014 修改通報第 2 篇第 7 章附錄 2 集裝箱船結構強度直接計算 中 2 3 計算工況 的要求 選取工況如下 1 LC1 中間 40ft 箱位空艙 2 LC4 船舶橫傾 中間 40ft 箱位空艙 3 LC5 船舶橫傾 4 LC6 船舶縱蕩 5 LC7 根據(jù)穩(wěn)性計算書 選取滿載出港貨艙浸水 依據(jù)以上五種工況對本船進行結構強度有限元計算 而其中每種工況又分別 包含三種情況 如表 4 1 所示 表 4 1 裝載工況表 工況配箱 730TEU 重箱 1 14t 重箱 2 28t LC1 LC4 LC5 LC6 LC7 4 2 邊界條件邊界條件 根據(jù) 規(guī)范 LC1 LC6 和 LC7 為邊界類型對稱工況 LC4 和 LC5 為邊界類型 非對稱工況 4 2 1 對稱邊界條件對稱邊界條件 縱中剖面對稱邊界條件 對于結構形式 設計載荷均左右對稱的工況 LC1 LC6 和 LC7 縱中剖面內節(jié) 點的橫向線位移 繞縱中剖面內兩個坐標軸的角位移約束 即 y x z 0 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 24 4 2 2 局部載荷工況邊界條件局部載荷工況邊界條件 1 此邊界條件適用于載荷對稱的計算工況 見表 4 2 2 端面 A 與 B 施加對稱面邊界條件 端面內節(jié)點的縱向線位移 繞端面內兩個坐 標軸的角位移約束 即 x y z 0 3 舷側外板 內殼板與前后橫艙壁交線上節(jié)點應設置垂向彈簧單元 彈簧單元彈性 系數(shù)均勻分布 彈性系數(shù)按下式計算 6456 N mm 5 6 H GA K l n 66348006 22468010792 0 5 5 式中 材料的剪切彈性模量 對于鋼材 N mm2 G 5 0 792 10G 前后艙壁處舷側外板 內殼板的剪切面積 取 224680mm2 A 中部貨艙長度 取 34800mm H l 舷側外板 內殼板上垂向交線節(jié)點數(shù)量 取 n 66 n 表 4 2 局部載荷邊界條件 線位移約束角位移約束 位置 x y z x y z 方向縱向橫向垂向繞 X 軸轉繞 Y 軸轉繞 Z 軸轉 A B 端固定 固定固定 CL 固定 固定 固定 交線 EG FH 彈簧 4 2 3 橫傾工況邊界條件橫傾工況邊界條件 1 此邊界條件適用于載荷非對稱的橫傾工況 應采用全寬模型 見表 4 3 2 端面 A 與 B 施加對稱面邊界條件 即 x y z 0 3 舷側外板 內殼板與前后橫艙壁交線上節(jié)點應設置垂向彈簧單元 彈簧單元彈性 系數(shù)均勻分布 彈性系數(shù)參見 4 2 2 即 k 6456 N mm 4 船底板 內底板與前后橫艙壁交線上節(jié)點應設置水平彈簧單元 彈簧單元彈性系 數(shù)均勻分布 彈性系數(shù)按下式計算 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 25 7236N mm 4 1 5 6 H GA K l n 114348006 43500010792 0 5 5 式中 材料的剪切彈性模量 對于鋼材 N mm2 G 5 0 792 10G 前后艙壁處船底板 內底板的剪切面積 取 435000mm2 A 中部貨艙長度 取 34800mm H l 船底板 內底板上水平交線節(jié)點數(shù)量 取 n 114 n 表 4 3 不對稱邊界條件 線位移約束角位移約束 位置 x y z x y z 方向縱向橫向垂向繞 X 軸轉繞 Y 軸轉繞 Z 軸轉 A B 端固定 固定固定 交線 EG FH 彈簧 交線 IK JL 彈簧 邊界條件各符號見圖 4 1 圖 4 1 計算工況的邊界條件符號示意圖 4 3 計算載荷計算載荷 局部載荷計算工況中考慮的載荷分量如下 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 26 1 空船重量 2 集裝箱載荷 將集裝箱重量加到內底板上對應箱角位置上 3 吃水引起的靜水壓力 基線處 2 1 025 9 8110 055 static PgzzzkN m 水線處 2 0 static PkN m 其中 z 相應工況下計算吃水 m 4 局部波浪載荷引起的附加壓力 水線處 27 519 www CkP3 W C31 1 339 8 3 3 2 mkN 基線處 18 763 wBB CkP5 1 w C5 15 1 339 825 2 2 mkN 其中 PW和 PB之間線性插值 1 1 1 5 WB kk CW 波浪系數(shù) 339 8 w C L 船長 120 20m 5 橫傾工況中 LC4 LC5 模型處于一靜橫傾狀態(tài) 計算各載荷分量 貨艙內 集裝箱隨船舶橫傾產(chǎn)生的橫向載荷分量 按其在縱艙壁對應的箱角分布位置為作用點 以一組集中力作用在縱艙壁上 6 由船舶縱向加速度作用在集裝箱上產(chǎn)生的縱向載荷 貨艙內每一集裝箱縱向運動加速度產(chǎn)生的力按各集裝箱的物理位置由集裝箱對應 箱角位置傳遞到橫艙壁的主要結構上 縱向合成加速度應按下式計算 4 2 2 sin10 mrppxl zzaaa 2 sm 2 式中 1 z 計算點到基線的垂向距離 m 2 橫搖轉動軸和縱搖轉動軸到基線的垂向距離 應按下列兩式計 rp z 算 取小值 取 5 2m 2 5 2 94 5 24 2 1 m D z m dD z rp rp rp z 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 27 其中 D 型深 m d 吃水 m 3 縱蕩加速度 應按下式計算 x a 0 783 bx Caa 0 2 式中 方形系數(shù) b C 加速度系數(shù) 應按下式計算 0 a 432 0 3 0 L C L C a vw 其中 219 0 50 2 120 50 L Cv L 船長 120 2m V 航速 11 2kn 波浪系數(shù) 8 339 W C 4 縱搖角加速度 應按下式計算 p a 2 2 28 6 srad T a p mp 式中 縱搖周期 s 按下式計算 p T s L TP240 6 10 80 1 5 最大縱搖角 rad 按下式計算 但不得大于 0 14 m rad C a b m 131 0 25 0 0 7 工況 LC7 中由于貨艙浸水使得舷側內殼 內底板和橫艙壁上所受的浸水壓力為 18 1 8 9025 1 81 9 025 1 11 zdzhdgzPstatic 2 mkN 其中 浸水表面距內底板的距離 6 618m 1 d 1 d h 雙層底高 1 18m 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 28 4 4 許用應力許用應力 本船貨艙區(qū)全部結構都采用低碳鋼 其材料換算系數(shù) k 為 1 0 本船評估區(qū)域為 從 49 肋位到 107 肋位的貨艙區(qū)主要結構 各主要構件對應校核工況下最大許用應力 如表 4 4 所示 根據(jù)中國船級社 國內航行海船建造規(guī)范 2012 及其 2014 修改通報第 2 篇第 7 章附錄 2 集裝箱船結構強度直接計算 中 2 6 2 的要求 局部載荷工況下 各主要 構件的許用應力見表 4 4 表 4 4 許用應力 許用應力 2 mmN 構件名稱計算工況 l W e 船底板 內底板LC1 2 3 100 K140 K 舷側板 縱艙壁LC1 2 3 4 5 140 K 90 K LC1 2 3 100 K 175 K90 K 船底縱桁 雙層 底肋板 橫向強 框架 LC1 2 3 4 5 175 K90 K 邊艙縱向平臺LC1 2 3 4 5 100 K 175 K90 K 橫艙壁板LC1 2 3 140 K175 K90 K LC1 2 3 4 5 140 K175 K 橫艙壁桁材 LC6 85 K LC4 5 140 K175 K90 K 甲板橫向抗扭箱 LC6 85 K 縱骨及加強筋LC1 2 3 4 5 6 220 K 表中 e 合成應力 l 船長方向正應力 W 船寬或船深方向正應力 腹板總高度 或總深度 內的平均剪應力 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 29 4 5 應力衡準以及結論應力衡準以及結論 本船貨艙區(qū)全部結構都采用低碳鋼 其材料換算系數(shù) k 為 1 0 本船評估區(qū)域為 從 49 肋位到 107 肋位的貨艙區(qū)主要結構 各主要構件對應校核工況下最大許用應力 如表 4 4 所示 根據(jù)表 4 5 可見 對應校核工況各主要構件應力均滿足強度要求 表 4 5 各主要構件應力匯總及應力衡準表 構件名稱校核工況 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 配箱 83 791 1 重箱 1 76 977 2 LC1 重箱 2 80 991 9 配箱 21 019 7 重箱 1 31 134 6 船底外板 LC7 重箱 2 38 339 0 配箱 77 4117 重箱 1 71 087 5 LC1 重箱 2 74 8112 配箱 24 066 8 重箱 1 35 252 3 內底板 LC7 重箱 2 44 365 1 配箱10978 6 62 3 重箱 110272 6 58 4LC1 重箱 212177 3 69 4 配箱84 824 2 43 5 重箱 111134 2 55 8 船底縱桁 LC7 重箱 214844 8 74 8 配箱167 83 0 重箱 1134 73 9 LC1 重箱 2166 81 7 配箱157 83 3 雙層底肋板 橫向強框架 LC4 重箱 1142 71 5 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 30 構件名稱校核工況 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 重箱 2157 83 9 配箱157 83 3 重箱 1141 70 8LC5 重箱 2158 83 3 配箱138 78 6 重箱 188 6 48 2LC7 重箱 2126 69 4 配箱 26 731 5 重箱 1 16 933 4LC1 重箱 2 22 744 5 配箱 21 425 5 重箱 1 23 343 7LC4 重箱 2 23 443 7 配箱 21 425 5 重箱 1 24 627 8LC5 重箱 2 23 621 3 配箱 26 035 3 重箱 1 26 330 6 舷側外板 LC7 重箱 2 34 544 8 配箱 95 847 7 重箱 1 74 647 3LC1 重箱 2 92 057 3 配箱 88 344 6 重箱 1 61 241 2LC4 重箱 2 73 050 1 配箱 88 344 6 重箱 1 38 653 8LC5 重箱 2 49 581 9 內舷側板 LC7配箱 31 639 1 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 31 構件名稱校核工況 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 重箱 1 30 735 3 重箱 2 49 746 2 配箱61 424 2 33 6 重箱 140 724 7 22 4LC1 重箱 274 329 4 40 4 配箱77 140 5 42 7 重箱 160 430 4 32 7LC4 重箱 285 135 1 40 9 配箱77 140 5 42 7 重箱 174 027 4 39 0LC5 重箱 286 240 5 42 3 配箱14668 2 78 3 重箱 110849 5 57 6 邊艙縱 向平臺 LC7 重箱 213774 8 72 7 配箱146 11578 0 重箱 1113 87 659 5LC1 重箱 2139 11272 6 配箱133 10665 6 重箱 184 8 87 544 1 橫艙壁板 LC7 重箱 2126 13063 5 配箱61 5 50 3 重箱 157 7 51 8 LC1 重箱 260 1 57 7 配箱50 3 51 9 重箱 142 1 45 5 LC4 重箱 230 3 30 5 配箱50 3 51 9 重箱 122 3 23 5 橫艙壁桁材 LC5 重箱 219 3 19 6 江蘇科技大學本科畢業(yè)設計 論文 32 構件名稱校核工況 e N mm2 l N mm2 W N mm2 N mm2 配箱118 122 重箱 188 0 91 0 LC7 重箱 2137 130 配箱39 3 重箱 143 5 LC6 重箱 279 1 配箱118 36 732 3 重箱 171 6 19 628 4 LC4 重箱 287 4 19 622 3 配箱111 36 732 3 重箱 1117 16 219 1LC5 重箱 270 8 19 218 4 配箱26 9 重箱 129 4 甲板橫向 抗扭箱 LC6 重箱 251 5 配箱220165220169 重箱 1220