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船舶/港口设备/海洋工程 |
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基于ANSYS软件的船体局部强度计算模型 |
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作者： |
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摘要：船体结构强度是船体设计和建造过程中都必须首先考虑的问题，在传统的设计和计算中，以满足规范要求作为设计前提，同时认为是满足强度要求的。但是船舶实际航行中很多因素是无法事先估计到的，因此强度安全问题一直人们关注的一个焦点问题。随着有限元法的引入，各种有限元软件被引入进行船体强度计算和校核。本文以某船强度分析为例，详细分析了船体的结构特征和受力情况，针对驾驶室前端壁和上层建筑强构件强度计算，提出一种分段拆分式建模的有限元模型处理方法。实际证明这样的处理方式即能满足强度计算的要求且计算模型简单，对船体上层建筑强度计算相关问题的处理具有一定的实际意义。
一、引言
有限元方法是解决工程和数学物理问题的数值方法，也称为有限单元法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用和发展。由于它的通用性和有效性，有限元方法在工程分析中得到了广泛的应用，己成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要组成部分。
ANSYS有限元分析软件具有功能极为强大的前后处理及计算分析能力，能够模拟结构等多种物理场间的耦合效应，可以实现对结构的“全过程仿真”，和“全过程分析”。因而为其在船舶结构中静力计算和动力计算提供了方便。本文以某船强度分析为例，针对驾驶室前端壁和上层建筑强构件强度计算，提出—种分段拆分式建模的有限元模型处理方法。
二、许用应力的确定
该船驾驶室前端壁及上层建筑结构为铝合金材质，其屈服强度为215N/mm2，抗拉强度σb=300N/mm2，许用应力标准取为175/K。材料系数K按《海规》规定计算：K=235/σ0.2，其退火状态下的非比例伸长应力为124N/mm2，则[σ]=175/K=175/（235/125）=93N/mm2。
三、模型处理和强度分析
1.前端壁计算模型简化分析
对于驾驶室前端壁而言，因为合金板材被挖掉很大部分以安装玻璃，因此结构强度被大大削弱。为此在校核前端壁强度时，采取空间板梁结构进行模拟，分别以shell板单元和beaml88实体单元模拟结构的板材和骨架结构。玻璃部分载荷取与其他部位相同的分布载荷等效作用在窗口扶强材和水平桁上，其他部位的计算载倚取计算水头均匀分布作用于面内。由于整个结构相对围壁和上下层甲板结构而言相对较弱，因此模型周围约束偏安全地取自由支持。前端壁相应构件及剖面要素如表1所示。表1 端壁构件剖面要素
 2.上层建筑强构件计算模型简化分析
对于上层建筑及各层甲板强构件的直接计算采取分层分段建模。为了正确校核上层建筑甲板的承载能力和侧壁的承载能力，计算模型简化为空间梁系结构，粱系由甲板纵桁、强横梁和侧壁竖桁组成。各种型材连同其带板作为梁单元考虑，在结构模型中采用梁单元beaml88来进行模拟。
以罗经甲板区域为例，罗经甲板区域计算范围从#57号肋位至#80+400号肋位，计算载荷：甲板取为4.5kN/m2侧壁取15.5KN/m2(由计算所得，如表3)。由于其型材为铝合金，而与下层甲板及横舱壁问联结相对较弱，而其支柱两端近似绞接，因而#80+400号肋位处甲板纵桁，侧壁、后端壁、竖桁与下层甲板的连接处，支柱与下层甲板连接处边界条件均偏安全取自由支持。甲板载荷等效为线性均布裁荷作用在甲板纵桁上，强横梁作为纵桁的支持构件。
相关计算构件选取及其剖面要素如表2。表2 构件剖面要素
 3.结构外力计算
计算水压头h按h=αδ(βλ-γ)m hmin=0.005L+1.25进行计算。本鱼政执法船各层外力压头计算如表3。表3 鱼政执法船各层甲板外力压头计算
 
四、结论
随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少。美国ANSYS公司开发的ANSYS软件，作为CAE领域最著名的有限元分析软件之一，在工业领域中的应用已经非常广泛。实践证明，对于船体上层建筑计算而言，采用这样拆分建模的方式进行处理即能满足强度计算要求，又能减少模型建立和计算时间。与全船局部舱段实体建模的空间板梁结构的处理方式比较，其计算结果略有偏差，但对于上层建筑而言，这样的处理方式是可行的。(end)
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(8/31/2008) |
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