甲板船的有限元強(qiáng)度校核【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　[Abstract] 2</p><p><b>　　1.緒論3</b></p><p>　　

2、1.1 論文研究的目的和意義3</p><p>　　1.2關(guān)于Nastran3</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析4</p><p>　　1.4 中國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展近況6</p><p>　　2.甲板運(yùn)輸船強(qiáng)度計(jì)算有限元分析基本理論與方法7</p><p>　　2.1有限元建模的準(zhǔn)則7</p

3、><p>　　2.2 邊界條件的處理8</p><p>　　2.3連接條件的處理8</p><p>　　2.4 有限元基本理論與方法8</p><p>　　2.4.1 彈性力學(xué)基本方程8</p><p>　　2.4.2 彈性力學(xué)基本原理10</p><p>　　3. 142m甲板運(yùn)輸船有限

4、元強(qiáng)度計(jì)算分析12</p><p>　　3.1 船體說(shuō)明及概述12</p><p>　　3.1.1評(píng)估依據(jù)12</p><p>　　3.1.2 圖紙資料12</p><p>　　3.1.3 主尺度12</p><p>　　3.2 有限元模型13</p><p>　　3.2.1 模型范

5、圍及描述13</p><p>　　3.2.2 坐標(biāo)系14</p><p>　　3.2.3 邊界條件14</p><p>　　3.2.4 材料特性15</p><p>　　3.3 計(jì)算工況和載荷15</p><p>　　3.3.1 計(jì)算工況15</p><p>　　3.3.2 艙內(nèi)貨物

6、壓力15</p><p>　　3.3.3 舷外水壓力16</p><p>　　3.4計(jì)算結(jié)果17</p><p>　　3.4.1許用應(yīng)力17</p><p>　　3.5 應(yīng)力與變形19</p><p>　　3.5.1應(yīng)力云圖19</p><p>　　3.5.2變形云圖37</

7、p><p><b>　　4.總結(jié)39</b></p><p><b>　　5.致謝40</b></p><p><b>　　6.參考文獻(xiàn)41</b></p><p>　　甲板船的有限元強(qiáng)度校核</p><p><b>　　摘要</b&g

8、t;</p><p>　　船舶結(jié)構(gòu)的規(guī)范設(shè)計(jì)基本上以船體梁理論以大量經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)，存在一定的弊端和局限性。目前，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算方面的研究，基本上還限于艙段的模型，但是艙段模型的缺點(diǎn)是明顯的。</p><p>　　本論文以一艘142m甲板運(yùn)輸船為對(duì)象，對(duì)于全船結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算方法及其過(guò)程中的各種問(wèn)題進(jìn)行了研究和探討。該船船體結(jié)構(gòu)具有大跨度、長(zhǎng)通艙、大開口等特點(diǎn)。由于這一系列的特殊

9、性，采取規(guī)范的總強(qiáng)度計(jì)算方法難以合理地評(píng)估船體強(qiáng)度，且采用艙段模型進(jìn)行直接計(jì)算也存在困難。所以有必要對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全船的三維有限元計(jì)算分析。采用大型有限元計(jì)算軟件MSC/Patran、MSC/Nastran，對(duì)本船的變形和應(yīng)力水平進(jìn)行計(jì)算分析，確定船體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。</p><p>　　「關(guān)鍵詞」：有限元分析；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；直接計(jì)算</p><p>　　Finit

10、e element strength check of the deck ship</p><p>　　[Abstract] On the whole, ship structural design often based on ship beam-theory and large numbers of empirical formulas. There are much limitations and ab

11、uses in it.. At the present time ,the researches on ship structural strength through direct calculation often focus on the model of part-cabin, but it has obvious faults. </p><p>　　This thesis takes a 142m d

12、eck carrier as an example to have a research on the direct calculation of strength to the whole hull structure through FEM and various problems in the process. This ship’s structure has the features such as long span, bi

13、g cabin and large deck-openings. Just because of this, it’s very hard for us to evaluate the ship structural strength, which based on whole strength calculation method. The calculation software MSC.Patran, MSC.Nas

14、tran are adopted to establish the </p><p>　　「keywords」：FEM analysis；hull strength；direct calculation</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1 論文研究的目的和意義</p><p>　　世

15、界經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的發(fā)展是促進(jìn)現(xiàn)代運(yùn)輸船舶以空前速度向多樣化發(fā)展的主要因素；港口和航道對(duì)船舶的限制．以及社會(huì)發(fā)展對(duì)人命安全和環(huán)境保護(hù)提出愈來(lái)愈高的要求，均對(duì)船舶技術(shù)發(fā)展具有不可忽視的重要影響。自70年代中期以來(lái)，世界造船業(yè)在經(jīng)歷了10余年持續(xù)簫條之后，隨著航運(yùn)市場(chǎng)的回升，終于從1988年底起走出谷底。各主要造船國(guó)家，經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)能力的調(diào)整，其技術(shù)水平達(dá)到了新的高度，并在新的基礎(chǔ)上與市場(chǎng)需求相平衡，從而步入良性發(fā)展的軌道。自70年代中期以來(lái)，世界

16、造船業(yè)在經(jīng)歷了10余年持續(xù)簫條之后，隨著航運(yùn)市場(chǎng)的回升，終于從1988年底起走出谷底。各主要造船國(guó)家，經(jīng)過(guò)對(duì)生產(chǎn)能力的調(diào)整，其技術(shù)水平達(dá)到了新的高度，并在新的基礎(chǔ)上與市場(chǎng)需求相平衡，從而步入良性發(fā)展的軌道。有限元法是一種在工程分析中常用的解決復(fù)雜問(wèn)題的近似數(shù)值分析方法，以其在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面具有較高的計(jì)算精度而得到普遍應(yīng)用，特別是在材料應(yīng)力、應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算及校核。

17、有限元分析的基本研究方法可以概括為“ 結(jié)構(gòu)離散→單元分析→整體求解”的過(guò)程。經(jīng)過(guò)近50 年的發(fā)展，有限元法的理論日趨完</p><p>　　1.2關(guān)于Nastran</p><p>　　MSC Software公司自1963年開始從事計(jì)算機(jī)輔助工程領(lǐng)域CAE產(chǎn)品的開發(fā)和研究。</p><p>　　MSC Nastran是MSC Software公司的旗艦產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)4

18、0余年的發(fā)展，用戶從最初的航空航天領(lǐng)域，逐步發(fā)展到國(guó)防、汽車、造船、機(jī)械制造、兵器、鐵道、電子、石化、能源材料工程、科研教育等各個(gè)領(lǐng)域，成為用戶群最多、應(yīng)用最為廣泛的有限元分析軟件。作為世界CAE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及最流行的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，MSC NASTRAN的分析功能覆蓋了絕大多數(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域,并為用戶提供了方便的模塊化功能選項(xiàng),MSC NASTRAN的主要功能模塊有: 基本分析模塊(含靜力、模態(tài)、屈曲、熱應(yīng)力、流固耦合及數(shù)據(jù)庫(kù)管

19、理等)； 動(dòng)力學(xué)分析模塊；熱傳導(dǎo)模塊； 非線性分析模塊； 設(shè)計(jì)靈敏度分析及優(yōu)化模塊； 超單元分析模塊。</p><p>　　MSC Nastran的開發(fā)環(huán)境通過(guò)了ISO9001:2000的論證，MSC Nastran始終作為美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)飛行器適航證領(lǐng)取的唯一驗(yàn)證軟件。在中國(guó)，MSC的MCAE產(chǎn)品作為與壓力容器JB4732-95標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的設(shè)計(jì)分析軟件，全面通過(guò)了全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的嚴(yán)格考

20、核認(rèn)證。另外，MSC Nastran是中國(guó)船級(jí)社指定的船舶分析驗(yàn)證軟件。世界制造企業(yè)500強(qiáng)中有420家公司選擇MSC軟件。2011年6月16日，MSC軟件公司宣布，與Next Limit科技公司建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，借助XFlow這一代表最新計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）發(fā)展水平的軟件，為客戶提供完整的仿真解決方案。</p><p>　　MSC.NASTRAN 是世界上功能最全面、性能超群、應(yīng)用最廣泛的大型通用結(jié)構(gòu)有

21、限元分析軟件，也是全球CAE 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的原代碼程序。在國(guó)際合作和國(guó)際招標(biāo)中，成為首選的工程分析和校驗(yàn)工具。 能夠有效解決各類大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、屈曲、模態(tài)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、非線性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問(wèn)題。通過(guò)MSC.NASTRAN 的分析可確保各個(gè)零部件及整個(gè)系統(tǒng)在最合理的環(huán)境下正常工作，獲得最佳性能。</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析</p><p>　　船體強(qiáng)度是研究船體結(jié)

22、構(gòu)安全性的科學(xué)。自船體梁理論提出以來(lái)，它就一直主宰著船體總強(qiáng)度分析。該理論把整艘船簡(jiǎn)化為一根直梁，將其靜置于波浪上進(jìn)行分析，為得到強(qiáng)力構(gòu)件的內(nèi)力，還應(yīng)采用應(yīng)力合成的方法，即將構(gòu)件的內(nèi)力分為總彎曲應(yīng)力和板架彎曲應(yīng)力，分別計(jì)算后再進(jìn)行合成。然而，船舶的實(shí)際結(jié)構(gòu)及其受力是相當(dāng)復(fù)雜的，如存在著各種間斷構(gòu)件、不同的連接方式、貨艙大開口、復(fù)雜的波浪載荷等;并且，實(shí)際構(gòu)件的受力是多種因素共同作用的結(jié)果，將其人為地分開計(jì)算會(huì)帶來(lái)較大的誤差。設(shè)計(jì)建造單位

23、為了保證安全，不得不規(guī)定較大的安全系數(shù)，從而導(dǎo)致材料的浪費(fèi)和建造與營(yíng)運(yùn)費(fèi)用的增加。所以，船體梁理論是比較粗略和不完善的。滾裝船、散貨船、集裝箱船等等大開口船，由于在船長(zhǎng)范圍內(nèi)有大艙口，船體剖面變化顯著間斷，因此不能把船體當(dāng)作一根等直梁來(lái)計(jì)算這類船的總強(qiáng)度，而需要有一種能夠考慮非等直結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的更加精確的船體梁分析方法。目前，國(guó)內(nèi)外主要發(fā)展以薄壁梁理論為基礎(chǔ)的有限梁方法。Widle最早應(yīng)用經(jīng)典薄壁梁理論來(lái)計(jì)算集裝箱船扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，他把船體貨

24、艙部分視為兩端有翹曲約束的等斷面開口薄壁梁，將首尾影響作為邊界條件來(lái)考慮，但由于未考慮船體非棱柱的特</p><p>　　1.4 中國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展近況</p><p>　　據(jù)2006年中國(guó)船舶制造行業(yè)研究報(bào)告及英國(guó)克拉克松研究公司對(duì)世界造船總量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近年來(lái)我國(guó)船舶工業(yè)發(fā)展迅速。2005年我國(guó)造船完工量1212萬(wàn)噸，新承接船舶訂單1699萬(wàn)噸，手持船舶訂單3969萬(wàn)噸，分別占世界市場(chǎng)份

25、額的17%、23%和18%，尤其是我國(guó)新承接船舶訂單首次超過(guò)日本，位居世界第二。市場(chǎng)需求保持旺盛。由于2005年我國(guó)船舶工業(yè)承接新船訂單再創(chuàng)歷史記錄，全年承接新船訂單1500萬(wàn)載重噸。截止05年底，國(guó)內(nèi)各船廠手持船舶訂單3760萬(wàn)載重噸，同比增長(zhǎng)9%。隨著進(jìn)出口貿(mào)易和船隊(duì)的迅速發(fā)展，中國(guó)的修船業(yè)得到了快速發(fā)展。根據(jù)船舶工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2004年，我國(guó)大中型修船企業(yè)總產(chǎn)值首次突破100億元，預(yù)計(jì)2005年將接近150億元。2005年全國(guó)規(guī)

26、模以上船舶工業(yè)企業(yè)完成出口交貨值478億元，同比增長(zhǎng)47%。全年完工出口船舶752萬(wàn)載重噸，同比增長(zhǎng)34%，占造船完工總量的62%。船舶出口創(chuàng)匯顯著增長(zhǎng)。2006年上半年，全國(guó)規(guī)模以上861家船舶工業(yè)企業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值777億元，同比增長(zhǎng)36%。完成工業(yè)增加值185億元，同比增長(zhǎng)33%。其中船舶制造企業(yè)118億元，增長(zhǎng)33%;船舶配套設(shè)備</p><p>　　2.甲板運(yùn)輸船強(qiáng)度計(jì)算有限元分析基本理論與方法 <

27、;/p><p>　　有限元法是一種在工程分析中常用的解決復(fù)雜問(wèn)題的近似數(shù)值分析方法，以其在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面具有較高的計(jì)算精度而得到普遍應(yīng)用，特別是在材料應(yīng)力、應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算及校核。有限元分析的基本研究方法可以概括為“ 結(jié)構(gòu)離散→單元分析→整體求解”的過(guò)程。經(jīng)過(guò)近50 年的發(fā)展，有限元法的理論日趨完善，已經(jīng)開發(fā)出了一批通用和專用的有限元軟件。Na

28、stran 是當(dāng)前國(guó)際上流行的大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，廣泛地應(yīng)用于航空航天、船舶、建筑等行業(yè)，是一種通用程序，可以用它進(jìn)行多種行業(yè)多種類型的有限元分析。結(jié)合Patran 軟件可以高效準(zhǔn)確地建立分析結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，自動(dòng)或手動(dòng)生成有限元網(wǎng)格，建立相應(yīng)的約束及載荷工況，并自動(dòng)進(jìn)行有限元求解，對(duì)模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圖形顯示和結(jié)果輸出，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性做出評(píng)價(jià)。它包括靜力分析、屈曲分析、動(dòng)力學(xué)分析、靈敏度分析、熱傳導(dǎo)分析和流—固耦合分析等眾多

29、功能模塊。</p><p>　　2.1有限元建模的準(zhǔn)則 </p><p>　　有限元建模的總則是根據(jù)工程分析的精度要求,建立合適的,能模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的有限元模型。在連續(xù)體離散化及用有限個(gè)參數(shù)表征無(wú)限個(gè)形態(tài)自由度過(guò)程中不可避免的引入了近似。為使分析結(jié)果有足夠的精度,所建立的有限元模型必須在能量上與原連續(xù)系統(tǒng)等價(jià)。具體應(yīng)滿足下述準(zhǔn)則: </p><p>　　1) 有限元模

30、型應(yīng)滿足平衡條件。 </p><p>　　2) 變形協(xié)調(diào)條件。 </p><p>　　3) 必須滿足邊界條件。 </p><p>　　4) 剛度等價(jià)原則。 </p><p>　　5) 認(rèn)真選取單元,使之能很好的反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點(diǎn),尤其是對(duì)主要受力構(gòu)件應(yīng)該做到盡可能的不失真。 </p><p>　　6) 應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)

31、特點(diǎn),應(yīng)力分布情況,單元的性質(zhì),精度要求及其計(jì)算量的大小等仔細(xì)劃分計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。 </p><p>　　7) 在幾何上要盡可能地逼近真實(shí)的結(jié)構(gòu)體,其中特別要注意曲線與曲面的逼近問(wèn)題。 </p><p>　　8) 仔細(xì)處理載荷模型,正確生成節(jié)點(diǎn)力,同時(shí)載荷的簡(jiǎn)化不應(yīng)該跨越主要的受力構(gòu)件。 </p><p>　　9) 質(zhì)量的堆積應(yīng)該滿足質(zhì)量質(zhì)心,質(zhì)心矩及其慣性矩等效要求。

32、</p><p>　　10) 超單元的劃分盡可能單級(jí)化并使剩余結(jié)構(gòu)最小。 </p><p>　　2.2 邊界條件的處理 </p><p>　　對(duì)于基于唯一模式的有限元法在結(jié)構(gòu)的邊界上必須嚴(yán)格滿足已知的位移約束條件。例如：某些邊界上的位移,轉(zhuǎn)角等于零或者已知值計(jì)算模型必須讓它能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。對(duì)于自由邊的條件可不予考慮。 </p><p>　　2.

33、3連接條件的處理 </p><p>　　一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)常常是由桿,梁,板,殼及二維體,三維體等多種形式的構(gòu)件組成。由于桿,梁,板,殼及二維體,三維體之間的自由度個(gè)數(shù)不匹配,因此在梁和二維體,板殼和三維體的交接處,必須妥善加以處理,否則模型會(huì)失真,得不到正確的計(jì)算結(jié)果。 </p><p>　　在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中,還能遇到各種各樣其他的連接關(guān)系,只要將這些連接關(guān)系徹底弄清,就嫩提高寫出相應(yīng)的位移約束關(guān)

34、系式,這些關(guān)系式我們稱之為構(gòu)件間復(fù)雜的連接條件,同時(shí)在計(jì)算中使程序嚴(yán)格滿足這些條件。 </p><p>　　應(yīng)當(dāng)指出,在不少實(shí)用結(jié)構(gòu)分析有限元分析有限元程序中,已為用戶提供輸入連接條件的借口,用戶只需嚴(yán)格遵守用戶使用規(guī)定,程序?qū)⒆詣?dòng)處理自由度之間的用戶所規(guī)定的位移約束條件。</p><p>　　2.4 有限元基本理論與方法</p><p>　　2.4.1 彈性力學(xué)基

35、本方程</p><p>　　彈性體V在表面力和體積力的作用下，任意一點(diǎn)產(chǎn)生位移為。其中，，和分別為表面力、體積力和位移沿直角坐標(biāo)軸方向的三個(gè)分量。體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由六個(gè)應(yīng)力分量來(lái)表示，其中為正應(yīng)力，為剪應(yīng)力。應(yīng)力分量的矩陣形式稱為應(yīng)力列陣或應(yīng)力分量。</p><p>　　彈性體內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變可以由六個(gè)應(yīng)變分量表示，其中為正應(yīng)變, 為剪應(yīng)變。應(yīng)變的矩陣形式為稱為應(yīng)變列陣或應(yīng)變向量。</

36、p><p><b>　?。?）平衡方程</b></p><p>　　對(duì)于一般三維問(wèn)題，彈性力學(xué)基本方程如下：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p><b>　　其矩陣形式為：</b></p><p><b>　　(3-2)

37、</b></p><p>　　其中為微分算子矩陣。</p><p><b>　?。?）幾何方程</b></p><p>　　對(duì)于線性彈性力學(xué)問(wèn)題，應(yīng)變和位移的關(guān)系為：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　幾何方程的矩陣形式為：<

38、;/p><p>　?。?-4） </p><p><b>　　（3）物理方程</b></p><p>　　彈性力學(xué)中應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系也稱物理關(guān)系。對(duì)于各向同性線彈性材料，其矩陣表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其

39、中稱為彈性矩陣，它由彈性模量和泊松比ν確定。</p><p><b>　?。?）邊界條件</b></p><p>　　彈性體V的全部邊界為S，在一部分邊界上作用著表面力 ，這部分邊界稱為給定力的邊界，記為 ；在另一部分邊界上彈性體的位移 已知。這部分邊界稱為給定位移的邊界，記為 ，這兩部分邊界構(gòu)成彈性體的全部邊界，即</p><p>　　所以彈

40、性體的邊界條件為：</p><p><b>　　（3-6） </b></p><p>　　其中l(wèi) ,m ,n為彈性邊界法外法線與三個(gè)坐標(biāo)軸夾角的方向余弦。</p><p>　　彈性體位移邊界條件為</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　以上是三

41、維彈性力學(xué)問(wèn)題的基本方程和邊界條件，對(duì)于彈性力學(xué)平面問(wèn)題、軸對(duì)稱問(wèn)題和板殼問(wèn)題都有與之對(duì)應(yīng)的類似方程和邊界條件。</p><p>　　2.4.2 彈性力學(xué)基本原理</p><p><b>　?。?）虛位移原理</b></p><p>　　虛位移原理，又稱可能位移原理，它表達(dá)了彈性體平衡原理，它表達(dá)了彈性體平衡的普遍規(guī)律。利用虛位移原理可以推導(dǎo)出

42、位移模式有限元公式。所謂彈性體虛位移是指滿足變形協(xié)調(diào)條件和邊界約束條件的任意無(wú)限小位移，可以用 來(lái)表示。虛位移原理表述了一個(gè)彈性體在外力作用下處于平衡狀態(tài)，則對(duì)于任何約束允許的虛位移來(lái)說(shuō)，外力所做的虛功。其表達(dá)式為：</p><p>　　(3-8) </p><p>　　其中 為內(nèi)力的虛功， 為外力的虛功</p><p><

43、;b>　　(3-9)</b></p><p><b>　　(3-10)</b></p><p><b>　?。?）最小勢(shì)能原理</b></p><p>　　彈性體外力的作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形，儲(chǔ)藏在彈性體內(nèi)的應(yīng)變能為</p><p><b>　　(3-11)</b&g

44、t;</p><p>　　A為應(yīng)變能密度函數(shù)，可以證明A與應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系如下</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　對(duì)于線彈性體，上式積分得</p><p>　　(3-13) </p><p><b>　　外力的勢(shì)能為&l

45、t;/b></p><p>　?。?-14） </p><p>　　彈性體的總勢(shì)能為應(yīng)變能和外力勢(shì)能之和</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　對(duì)總勢(shì)能取一階變分，并根據(jù)虛位移原理，得 </p><p>　　這表明物體在平衡時(shí)，系統(tǒng)總勢(shì)能的一階變分為零

46、。根據(jù)變分法，總勢(shì)能將駐值。而在物理上，總勢(shì)能取極小值可能是穩(wěn)定平衡狀態(tài)，故最小勢(shì)能原理敘述為在所有滿足給定邊界條件和變形協(xié)調(diào)條件的位移中，只有那些滿足平衡條件的位移使總勢(shì)能最小，要求彈性體在外力作用下的位移，可以從滿足邊界條件且使物體總勢(shì)能取極小值的條件去尋找答案。這就是彈性力學(xué)問(wèn)題的能量法，也是有限元法的理論基礎(chǔ)之一。</p><p>　　3. 142m甲板運(yùn)輸船有限元強(qiáng)度計(jì)算分析</p>&l

47、t;p>　　3.1 船體說(shuō)明及概述</p><p>　　3.1.1評(píng)估依據(jù)</p><p>　　按中國(guó)船級(jí)社入級(jí)要求，對(duì)142m甲板運(yùn)輸船在各種危險(xiǎn)工況下進(jìn)行有限元強(qiáng)度計(jì)算。采用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件建立模型并進(jìn)行分析。</p><p>　　3.1.2 圖紙資料</p><p><b>　　3.1.3 主尺

48、度</b></p><p><b>　　3.2 有限元模型</b></p><p>　　3.2.1 模型范圍及描述</p><p>　　據(jù)圖紙可知，本船為單甲板、雙底的縱骨架式結(jié)構(gòu)，無(wú)大開口，全船共設(shè)置九道水密橫艙壁，四道縱艙壁及十四道縱向桁架，橫向每三檔設(shè)置橫向強(qiáng)框架及橫向桁架。按照CCS《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2006）來(lái)建立

49、模型。</p><p>　　計(jì)算模型中甲板板、舷側(cè)外板、船底板、內(nèi)底板、縱橫艙壁板、圍壁板、雙底桁材和肋板、單底內(nèi)龍骨和實(shí)肋板等采用板殼單元模擬，船底縱骨、船體肋骨、艙壁扶強(qiáng)材、甲板骨架等采用梁?jiǎn)卧M。模型范圍#49~#109，具體如下圖：</p><p>　　圖3.2.1 有限元模型示意圖</p><p>　　圖3.2.1 有限元模型示意圖</p>

50、;<p><b>　　3.2.2 坐標(biāo)系</b></p><p>　　坐標(biāo)系統(tǒng)采用右手坐標(biāo)系，，原點(diǎn)位于船尾底部，X軸為船長(zhǎng)方向，Y軸為船寬方向，Z軸為型深，X軸正方向指向船首。</p><p>　　3.2.3 邊界條件</p><p>　　模型的兩端（簡(jiǎn)稱A端和B端），詳細(xì)邊界條件見下表：</p><p>

51、;<b>　　邊界條件</b></p><p>　　3.2.4 材料特性</p><p>　　結(jié)構(gòu)由普通鋼構(gòu)成，計(jì)算中取材料的物理特性參數(shù)如下:</p><p>　　3.3 計(jì)算工況和載荷</p><p>　　3.3.1 計(jì)算工況</p><p>　　本計(jì)算僅考慮艙內(nèi)貨物壓力和舷外水壓力的影響，因

52、此計(jì)算工況按照裝載手冊(cè)選取。取重壓載、一般壓載、隔艙滿載、重貨均勻滿載和輕貨均勻滿載五種狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算工況如下：</p><p>　　3.3.2 艙內(nèi)貨物壓力</p><p>　　艙內(nèi)散貨產(chǎn)生的壓力由《指南》3.1確定：</p><p>　　艙內(nèi)貨物壓力：Pi =ρc gkbhd KN/m2</p><p>　　式

53、中：貨物密度 ρc =3.0t/m3</p><p>　　重力加速度 g＝9.81m/s2</p><p>　　系數(shù) kb=sin2αtan2(45。-0.5δ)+cos2α</p><p>　　α=0。時(shí)（內(nèi)底板）； kb=1.0</p><p>　　α=90。時(shí)(艙壁及內(nèi)殼板)；kb=0.27099</p>&

54、lt;p>　　hd為計(jì)算點(diǎn)到貨物頂面的垂直距離，m。</p><p>　　hd=zs+h0+hdb-z</p><p>　　hdb 為雙層底高度；Z為計(jì)算點(diǎn)的垂向坐標(biāo)，從基線量起。</p><p>　　3.3.3 舷外水壓力</p><p>　　按照《指南》3.2的規(guī)定，舷外水壓力由靜水壓力和波浪水動(dòng)壓力兩部分組成：</p>

55、<p><b>　　3.4計(jì)算結(jié)果</b></p><p><b>　　3.4.1許用應(yīng)力</b></p><p>　　因CCS規(guī)范并未對(duì)本船型的全船有限元直接計(jì)算的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)提出具體要求，故本計(jì)算書的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)參照中國(guó)船級(jí)社《集裝箱船船體結(jié)構(gòu)計(jì)算指南》（2003）整船強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)選取。</p><p>　　

56、板材許用應(yīng)力［σc］=190N/mm2 </p><p>　?。郐樱?100N/mm2</p><p>　　梁?jiǎn)卧S用應(yīng)力［σc］=190N/mm2</p><p>　　表3.4-1船體主要構(gòu)件最大應(yīng)力(MPa)</p><p>　　表3.5 變形量（mm）</p><p><b>　　結(jié)論</b&

57、gt;</p><p>　　通過(guò)MSC.PATRAN對(duì)142m甲板運(yùn)輸船有限元直接計(jì)算，結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度要求。</p><p><b>　　3.5 應(yīng)力與變形</b></p><p><b>　　3.5.1應(yīng)力云圖</b></p><p>　　圖3.5-1 工況1外板合成應(yīng)力云圖</p>

58、<p>　　圖3.5-2工況5外板合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-3工況3外板合成應(yīng)力云圖圖3.5-4工況4外板合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-5工況1甲板合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-6工況2甲板合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-7工況3甲板合成應(yīng)力云圖</p>&l

59、t;p>　　圖3.5-8工況4甲板合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-9 工況1內(nèi)底合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-10工況2內(nèi)底合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-11工況3內(nèi)底合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-12工況4內(nèi)底合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-13

60、工況1 縱艙壁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-14工況2 縱艙壁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-15工況3 縱艙壁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-16工況4 縱艙壁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-17　工況1橫艙壁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-18　工況2橫

61、艙壁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-19　工況3橫艙壁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-20　工況4橫艙壁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-21　工況1強(qiáng)框架合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-22　工況2強(qiáng)框架合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-23　工況3強(qiáng)框架合成應(yīng)

62、力云圖</p><p>　　圖3.5-24　工況4強(qiáng)框架合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-25　工況1肘板合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-26　工況2肘板合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-27　工況3肘板合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-28　工況4肘板合成應(yīng)力云圖</p

63、><p>　　圖3.5-29　工況1縱桁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-30　工況2縱桁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-31　工況3縱桁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-32工況4縱桁合成應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-33工況1 BAR軸向應(yīng)力云圖</p><

64、p>　　圖3.5-34工況2 BAR軸向應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-35工況3 BAR軸向應(yīng)力云圖</p><p>　　圖3.5-36工況4 BAR軸向應(yīng)力云圖</p><p><b>　　3.5.2變形云圖</b></p><p>　　圖3.5-37 工況一變形云圖</p><p

65、>　　圖3.5-38工況二變形云圖</p><p>　　圖3.5-39 工況三變形云圖</p><p>　　圖3.5-40 工況四變形云圖</p><p><b>　　4.總結(jié)</b></p><p>　　作為大學(xué)生涯的最后一次作業(yè)，本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)我一直以認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度對(duì)待。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力終于完成了本次設(shè)計(jì)。

66、本設(shè)計(jì)主要涉及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與分析，由于對(duì)這方面知識(shí)比較陌生在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到過(guò)很多困難，但在指導(dǎo)老師的幫助下，一邊學(xué)習(xí)一邊嘗試，雖然經(jīng)常碰壁但經(jīng)過(guò)努力還是完成了設(shè)計(jì)，讓我拓展了自己的知識(shí)面，為以后的工作打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)142m甲板運(yùn)輸船在各種危險(xiǎn)工況下進(jìn)行有限元強(qiáng)度計(jì)算，其基本的內(nèi)容是采用MSC.PATRAN/NASTRAN軟件建立模型并進(jìn)行分析，首先是了解甲板運(yùn)輸船的基

67、本結(jié)構(gòu)，甲板運(yùn)輸船做為主流的船型，找了很多資料去學(xué)習(xí)；其次是學(xué)習(xí)PATRAN軟件的基本操作，一開始一點(diǎn)都不會(huì)，跟老師和很多同學(xué)請(qǐng)教；最后還要學(xué)習(xí)最難的有限元計(jì)算分析，結(jié)合Patran 軟件高效準(zhǔn)確地建立分析結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，自動(dòng)或手動(dòng)生成有限元網(wǎng)格，建立相應(yīng)的約束及載荷工況，并自動(dòng)進(jìn)行有限元求解，對(duì)模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行圖形顯示和結(jié)果輸出，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性做出評(píng)價(jià)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中我首先對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的

68、好處做了一定的介紹，介紹了國(guó)內(nèi)外研究的動(dòng)態(tài)，有限元建模的準(zhǔn)則，有限元建模的理論和最后模型的建立與計(jì)算。在設(shè)計(jì)中我學(xué)到了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算的步驟與方法，也學(xué)到了對(duì)于PATRAN軟件的操作。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是在不斷摸索中進(jìn)行的，但也正因?yàn)槭窃诳目呐雠鲋凶龀傻?，所學(xué)到的東西也就更加深刻了。本次設(shè)計(jì)不但讓我擴(kuò)寬了自己的知識(shí)面，也鞏固了已學(xué)的知識(shí)，但由于經(jīng)驗(yàn)上以及知識(shí)上的不足本設(shè)計(jì)有很多不足之處，懇請(qǐng)老師予以批評(píng)、指正。最后，非常感謝老師和同學(xué)們對(duì)我的指導(dǎo)

69、和幫助。</p><p><b>　　5.致謝</b></p><p>　　為期將近大半年的畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲，也同時(shí)宣布了我的大學(xué)生涯即將結(jié)束。忙忙碌碌的大半年里，從一籌莫展到現(xiàn)在初窺門徑，其中經(jīng)歷了很多的坎坷曲折，也受到了很多人的無(wú)私幫助。</p><p>　　首先要感謝我的論文導(dǎo)師李老師，從選題確定開始到整篇論文的完成，這過(guò)程中李老師時(shí)刻

70、關(guān)注著我的論文完成情況，為我答疑解惑，指點(diǎn)迷津，如果沒(méi)有他的幫助，這篇論文就不可能如期完成。在此，再一次向李老師表示我崇高的敬意，希望李老師在以后的日子能培養(yǎng)出更多的人才，祝李老師身體健康，萬(wàn)事如意。</p><p>　　其次要感謝在我設(shè)計(jì)的過(guò)程中幫助過(guò)我的同學(xué)們，當(dāng)我在軟件使用、文獻(xiàn)查找遇到困難時(shí)，是你們一次次抽出你們寶貴的時(shí)間無(wú)私地為我提供幫助。大學(xué)即將過(guò)去，大家也面臨著離別，各奔東西，以后見面的機(jī)會(huì)也變得很

71、少，在此謝謝你們給過(guò)我的幫助和陪我走過(guò)的四年青春。</p><p><b>　　6.[參考文獻(xiàn)]</b></p><p>　　[1] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[S]. 北京：人民交通出版社，2001.</p><p>　　[2] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范修改通報(bào)[S]. 北京：人民交通出版社，2003.</p>

72、;<p>　　[3] 俞銘華，稽春艷等。大型游船結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006.</p><p>　　[4] Gregory J Moore.MSC/NASTRAN User’s Guide v68:Design sensitivity and optimization,The MacNeal Schwendler Corporation,April 1994.<

73、;/p><p>　　[5]張曉君.基于Nastran的船舶局部強(qiáng)度有限元分析「J」.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,25（3）</p><p>　　[6]陳慶強(qiáng)，朱勝昌，郭列，等.用整船有限元模型分析方法計(jì)算船艦的總縱強(qiáng)度「J」.船舶力學(xué)，2004,8（1）：79-85.</p><p>　　[7]Schmit L.A.Structural design by system

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