船體強度的案例
船舶與海洋工程結構極限強度分析
【摘要】本文主要分析了船舶與海洋工程結構的極限強度，探討了在船舶與海洋工程中，結構強度方面需要關注的要點，希望通過論述，可以為船舶與海洋工程相關人員研究結構強度提供參考。
【關鍵詞】船舶；海洋工程；結構；強度
中圖分類號：F407文獻標識碼： A
一、前言
目前，對船舶與海洋工程結構極限強度的研究還較少，小部分的研究也局限于研究一般性的結構強度，因此，分析船舶與海洋工程結構極限強度非常有必要，這是進一步了解其結構強度的必要工作。
二、船體結構極限強度概述
船舶與海洋工程結構物在其全壽命周期內可能遭受各種各樣的載荷和變形，包括常規(guī)載荷、極限載荷或意外載荷。所以，在結構設計中應充分考慮這一因素，要更合理地考慮其安全性。
傳統(tǒng)的船舶設計是采用許用應力設計法(ASD法)，即在線彈性理論基礎上，船體總縱強度是通過甲板(或船底處)的彈性應力與許用應力比較來進行評估，許用應力通常取為材料屈服強度的若干百分數(shù)。這種方法與名義垂向波浪彎矩一起使用時，對于常規(guī)船型具有一定的有效性。然而，并不能使人們獲得清晰的船體強度的概念，更不能真實反映出船體結構的實際破壞的全過程。因此，ASD應用于非常規(guī)船型設汁是不能令人滿意的。
總縱彎曲下的船體損壞實質上是一個漸進的過程。當船體梁斷面上某一個最弱的構件因屈服、屈曲或兩者的某種組合發(fā)生損壞而不能有效承擔載荷時，將使船體剛度減少，但由于其他構件仍可承載，包括失效構件轉嫁來的載荷，因此船體梁仍能承載。基于船體結構極限強度所確立的“限制狀態(tài)”設計方法，比線彈性設計方法增加了安全性和經(jīng)濟性。極限強度的影響參數(shù)研究對于估算船體結構的可靠性是必要的。對于像船體這樣復雜的結構，在確定設計衡準和所期望的統(tǒng)計中，所需的大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)不可能輕易地獲得。
展開 簡述船舶設計基本流程
船體設計之中最重要的圖樣之一便是基本結構圖和舯剖面圖，其中后者對校核橫剖面對船體強度的影響有至關重要的作用，并且確定了橫剖面形式，貨倉區(qū)域的結構形式等，是船體設計圖紙之中的精華部分，而這兩份圖紙都要在基本設計之中完成。
二、詳細設計
詳細設計需要按區(qū)域，按分段進行，以基本設計為藍本，工作量很大。 詳細設計要滿足： 1. 功能性需求：使空間、機械等安排合理，達到既定的功能需要 2. 安全性要求：船體的強度、穩(wěn)性要得到保證 3. 經(jīng)濟型需求：由于在一定市場條件下船價是一定的，降低成本則可以有效地提高利潤，船舶作為體積巨大的鋼結構物，設計上多一點的經(jīng)濟型考慮就可以節(jié)省巨大的成本。 4. 工藝性需求：設計出來的船體結構要便于交付船廠進行加工建造。 其中，功能性需求和安全性需求是詳細設計成功的基本保障 在詳細設計之中的力學問題解決方式為：確定使用的力學模型→確定載荷→確定使用的材料。
三、生產(chǎn)設計
生產(chǎn)設計是對船舶生產(chǎn)建造過程進行設計規(guī)劃，設計生產(chǎn)過程，方法，工藝。生產(chǎn)設計對提高船舶建造質量及效率，縮短船舶建造周期有十分重大的影響。 生產(chǎn)設計可以用“輸入輸出”來進行描述。 生產(chǎn)設計的輸入： 1.工藝文件，如精度作業(yè)指導書，主板坡口，分段劃分，F(xiàn)SD典型分段裝配要領，胎架數(shù)據(jù)一覽表，吊裝合攏順序等。 2.相關專業(yè)的前移項目，如提前隨組立進行舾裝等。 生產(chǎn)設計的輸出： 1. 組立圖，如零件明晰表，算材明細，舾裝件明細。 2. 加工圖，用于鋼料加工的指導，按工位出圖或數(shù)控數(shù)據(jù)。包括龍門圖冊，板材手工圖冊，光電圖冊，型材圖冊，曲加工圖冊，T形材腹板轉手工圖冊，T形材面板轉手工圖冊等。 附：總體設計有關內容 總體設計需要考慮： 1. 主尺度。因為港口與航道對船舶的長、寬以及吃水有一定的要求。
展開 常見船舶結構特點
船體是船舶的基本部分，可分為主體部分和上層建筑部分。船體結構大都用鋼材，由板材和型材組合成板架結構。
（1）主體部分：一般指上甲板以下的部分，它是由船殼(船底及船側)和上甲板圍成的具有特定形狀的空心體，是保證船舶具有所需浮力，航海性能和船體強度的關鍵部分，一般用于布置動力裝置，裝載貨物、儲存燃油和淡水，以及布置其他各種艙室。為保障船體強度，提高船舶的抗沉性和布置各種艙室，通常設置若干強固的水密橫艙壁(或同時包括縱艙壁)和內底，在主體內形成一定數(shù)量的水密艙，并根據(jù)需要加設中間甲板（一層或數(shù)層）或平臺，將主體水平分隔成若干層。
（2）上層建筑位于上甲板以上，由左、右側壁，前、后端壁和各層甲板圍成，其內部主要用于布置各種用途的艙室，如工作艙室、生活艙室、貯藏艙室、儀器設備艙室等。上層建筑的大小、層樓和型式因船舶用途和尺度而異，一般都設首樓，而上層建筑的主要部分則位于機（爐）艙區(qū)域之上。運輸貨物船舶的上層建筑長度較短，而客船和科學考察船的上層建筑則是很講究的。
雜貨船結構特點
雜貨船通常采用混合骨架式船體結構。在貨艙區(qū)設有兩層以上的甲板，底部為雙層底結構。其中，上甲板和雙層底是縱骨 架式結構，下甲板和舷側是橫骨架式結構。
展開 常見船舶結構特點
內舷側縱壁對甲板大開口造成的總縱強度的削弱做了補償。此外，舷邊艙還能提高船體的抗沉性和用作壓載水艙。為了裝更多的集裝箱，集裝箱船通常設計成大的貨艙開口和狹長的甲板條船舶，這使得船體的水平彎曲、扭轉效應、橫向強度在其總縱強度中所占的比例明顯上升，艙口角隅處也會有明顯的應力集中。集裝箱船的艏部線型往往外飄很嚴重，并且舷側肋骨與外板夾角也很小。
【OptiStruct要領】應力分析設置與后處理
具體選擇哪一種應力應考慮下面一些因素：
A）材料
鑄件基本上都是脆性材料，所以脆性材料不太符合遵循材料力學第四強度理論及屈服強度的Mises應力，所以應該最大主應力，而鍛件是韌性材料，應該遵循Mises應力。當材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，以流動形式破壞時，應該采用第三強度理論，遵循最大剪應力。壓力容器就是用第三強度理論(安全第一)。
B）角點應力或中心應力
強度分析中，我們主要關心的是應力，勾選角點應力選項，得到的應力更加準確，特別是模型帶有孔時。比較特殊的是，船體強度校核時的單元中心點處的應力為校核應力，這是因為粗網(wǎng)格模型單元形心處的應力結果相對于節(jié)點結果而言，對于網(wǎng)格密度的不敏感性更好。因此評估板結構的強度時，選取單元形心處的應力作為工作應力是合理的。
一般情況下，當我們關心模型的應力時，都可以選擇輸出角點位置應力。其他情況，比如剛度分析、模態(tài)分析時，可以采用默認設置，只輸出中心應力。
C）單元類型
用線彈性計算理論和基于屈服強度的強度準則對承受壓力的板進行強度校核時，應采用板的上下表面應力進行校核，即根據(jù)受力情況選擇Z1或者Z2，因為板的局部彎曲使得板的上(或下)表面的應力較其中面應力有所增加。如果板只受拉壓，則可以只考慮板中面上的應力。
當采用實體單元建模時，模型的最大應力很可能在外表面，一般在外表面再建一層極薄的膜單元，這樣可以讓應力的計算更加準確。后處理時，可以查看模型上的最大應力。
四、OptoStruct應力分析設置與后處理步驟
輸出單元角點的應力是大多數(shù)商業(yè)軟件的默認設置。然后某些軟件如OptiStruct在默認情況下只計算和輸出單元中心點的應力，而不會計算輸出單元角點的應力。因此當關注結構強度時，更一般地，需要用戶去指定輸出單元角點的應力。
展開 【船舶知識】船舶結構基本知識
一、船體的組成
船舶是一種浮在水上的結構復雜的建筑物，通常由主船體和上層建筑部分組成。
以上甲板為界，其下部分為hang主船體，其上部分統(tǒng)稱為上層建筑。
船體內部空間又被各層甲板、橫艙壁和縱艙壁劃分，從而形成船舶的各個艙室。
1.主船體
主船體由甲板和外板組成一個水密外殼，內部被甲板、縱橫艙壁及其骨架分隔成許多艙室。
主船體主要由船底結構、船側結構、甲板結構、艙壁結構和首尾結構所組成。
主船體是上層建筑的基礎，其內通常布置機艙、燃油艙、水艙、貨艙等；
主船體的主要作用是參與總縱強度，保證船體能浮于水中并具有一定的強度。
2.上層建筑
上層建筑的結構與主船體內相應的板架類似，也是由圍壁板、甲板、橫梁、肋骨、甲板縱骨、甲板縱桁和圍壁扶強材等構件組成。
上層建筑的作用：
布置船員或旅客工作、生活的房間以及布置各種裝置和設備等。
二、船體的骨架型式
船體是由鋼板和骨架組成的長箱形結構。
船體的骨架型式可分為：
1.縱骨架式
2.橫骨架式
3.混合骨架式
1.縱骨架式
概念：
縱向骨材較密、尺寸較小，橫向骨材較稀、尺寸較大的船體骨架型式叫縱骨架式。
展開 《艦船現(xiàn)代沖擊理論及應用》
本書的顯著特點是：在空間上，將水、船體結構、艦載設備等綜合在一起，船體結構強度和設備響應計算直接放在沖擊環(huán)境之中；在時間上，考慮了爆炸沖擊過程和船體彈塑性變形過程的連續(xù)性；在理論方法上，綜合了理論、試驗和數(shù)值方法，但以數(shù)值方法為主。本書內容全面，取材新穎，注重方法，實用性強。除系統(tǒng)敘述艦船及設備沖擊響應特性仿真的相關基本概念、基本方法外，作者還注意結合親身實踐體會介紹應用實例和國內外的有關最新研究成果。
本書可直接指導艦船及設備沖擊響應特性分析和防護設計，還可作為高等院校船舶工程、輪機工程等專業(yè)以及航空航天、地震、爆炸等領域里的高年級學生和研究生的教學用書，對廣大從事爆炸沖擊動力學分析、研究、應用和開發(fā)的科研人員也有較大的參考價值。
第1章緒論
第2章 沖擊輸人的時域和頻域表示
第3章 沖擊響應特性分析
第4章 譜跌和動態(tài)設計法的主模態(tài)理論
第5章 多剛體-彈性體的子結構建模方法
第6章 抗沖擊設計的有限元縮聚建模
第7章 GAP單元在非線性建模中的應用
第8章 沖擊脈沖和沖擊譜的數(shù)據(jù)分析方法
第9章 沖擊試驗機和沖擊脈沖的確定
第10章 艦船水下爆炸沖擊
附錄 恒等式的證明
展開 雙體或者多體船貌似目前在船體連接部分強度上還有些問題，不能造的太大，而且抗沉性不如單體船。
視頻 | 船舶結構分析：結合模擬和測試數(shù)據(jù)實現(xiàn)真正的數(shù)字孿生（附免費下載）
船體的強度、剛度分析；動力學分析；噪聲分析；抗爆性分析；疲勞耐久性分析；流體阻力分析；動力與推進分析；穩(wěn)性與耐波性分析；通信設備的電磁場分析；優(yōu)化設計分析；多物理場耦合分析...等
船舶結構分析解決方案（視頻分享）
面對數(shù)字化如何與結構仿真結合？如何確保船舶結構的完整性？這些諸多問題，本次為大家準備了西門子官方視頻《船舶結構分析：為真正的數(shù)字孿生融合仿真和測試》。幫助大家了解和解決~
憑借本視頻可以了解如何將測試數(shù)據(jù)與結構仿真相結合，從而創(chuàng)建經(jīng)過驗證、可靠且準確的數(shù)字孿生，從而幫助預測船舶的結構完整性。
觀看該視頻可以解決以下問題：
如何將船舶結構建模與仿真一體化呢？
如何確保船舶結構的完整性？
結構分析如何在組件和整船結構級別應用于海船設計？
如何通過測試數(shù)據(jù)確保初始模型可靠？
如何在船舶物理測試過程中克服實際限制？
如何在海上構筑物分析中將模擬和測試結合起來，實現(xiàn)真正的數(shù)字孿生？
如何在結構設計工程的背景下使用模擬和測試？
測試在海洋工業(yè)結構性能工程中的作用是什么？
如何激勵一艘船？都有哪些激勵力？
不同的激勵力，他會帶來不同的振動模式和共振頻率嗎？
如何從漂浮在海洋上的船上得到共振頻率，阻尼值和模態(tài)？
測試和模擬互相如何協(xié)作？它們對結構設計重要嗎？是如何應用的？
如何解決噪聲傳播的問題？噪聲如何傳播，甚至它如何在船體周圍輻射或散射？
什么是結構噪聲？哪些模式將被激勵？哪些傳遞路徑對于潛在的阻尼或改變設計至關重要？
展開 中國首制“探極神器”明天將在江南造船下水！記者帶你認識“雪龍2”號
據(jù)了解，老“雪龍”號每次穿越西風帶，都要受到一場“洗禮”，風浪大時，船體橫傾甚至達到38度。“所以，新船建造對船舶重量重心控制、穩(wěn)性控制要求非常高，我們從生產(chǎn)技術準備開始就要一點一滴滲透到現(xiàn)場，實施全過程控制。”趙振華說，通過鋼板測厚、分段稱重、型材抽稱、設備稱重、托盤抽稱等，技術人員會形成新船的全部設備、材料總的重量重心統(tǒng)計表格，相關數(shù)據(jù)梳理完畢后反饋給江南研究院，再精確地進行分階段更新核算，最終確保下水的時候能夠準確定義新船的重量重心，保證新船的初穩(wěn)性高，滿足各項技術指標要求。
“這也將是全球第一艘獲得智能船舶入級符號的極地科考破冰船，對中國船舶工業(yè)而言意義重大。”中國船級社（CCS）驗船師胡曉俊說，該船入級符號i-ship(Hm,M),包括了智能船體和智能機艙功能標志。智能船體是指該船具有船體監(jiān)測系統(tǒng)及輔助決策系統(tǒng)，對船體具有全生命周期管理功能，對船體結構厚度進行監(jiān)控和強度評估等，保障船體結構安全；智能機艙是對主、輔機運行系統(tǒng)的實時監(jiān)控，對機艙內機械設備的運行狀態(tài)、健康狀況進行分析和評估，用于機械設備操作決策和維護保養(yǎng)計劃的制定,確保在極地環(huán)境下機艙運行和維護的可靠。
“智能船體和智能機艙不僅能夠為船舶安全航行提供決策依據(jù)，也將顯著提升新船的可維護性，延長船舶壽命。”趙振華說，但不可忽略的是，搭載智能船體和機艙需要在全船增加365個監(jiān)測點，包含應力監(jiān)測、冰載荷監(jiān)測、溫度、加速度監(jiān)測等功能，再加上系統(tǒng)、設備的安裝，都會帶來設計施工難度的增加。
值得一提的是，為了滿足極地科考需求，提升新船在極地作業(yè)時應對常見的小回旋空間、大風浪海況的能力，增加安全性，“雪龍2”號選用了DP2動力定位系統(tǒng)。“為了滿足DP2動力定位的規(guī)范要求，全船的動力系統(tǒng)及其相關的控制系統(tǒng)和配電系統(tǒng)冗余度增加了一倍。
展開 ANSYS AQWA計算案例 | 海洋平臺波浪載荷的計算和傳遞
波浪載荷是半潛平臺所遭遇的環(huán)境載荷的主要部分，對船體的總強度校核起決定性的作用。因此在極限海況下對半潛平臺的波浪載荷特性進行分析以及對其運動響應進行預報是平臺設計的基礎，也是平臺設計的關鍵。各大船級社規(guī)范對此也有要求。
ANSYS系列產(chǎn)品主要專注于工程結構的CAE仿真分析，通過仿真模擬來掌握海洋平臺等工程結構的安全性、可靠性。采用ANSYS仿真，可以在設計階段就把設計風險降低，并充分掌握海洋平臺在各種惡劣載荷條件下的響應和工作狀態(tài)。
2
分析方法
波浪運動是一個隨機過程，而通常結構物強度計算校核需要得到確定的結果，所以需要采取一定的分析方法對波浪載荷進行處理。目前規(guī)范中的使用方法主要是設計波方法。設計波通常是簡化的規(guī)則波，可以采用水動力軟件直接計算波浪對平臺的載荷。
波浪載荷的傳遞，并不僅僅是載荷的施加，還需要考慮水動力結構的網(wǎng)格模型和強度校核模塊的網(wǎng)格模型的差異，包括單元類型的差異、單元位置和形狀的差異。在載荷傳遞的過程中，需要考慮網(wǎng)格的匹配。
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波浪載荷計算與傳遞
一般來說，海洋平臺在海面上受到的與波浪相關的載荷包括靜水壓力、動水壓力和運動產(chǎn)生的慣性載荷。其中，靜水壓力可以在ANSYS Mechanical中直接施加，但是動水壓力和運動的慣性載荷需要采用水動力軟件計算。采用ANSYS AQWQ可以方便的計算出波浪的動水壓力以及海洋平臺運動產(chǎn)生的慣性載荷。
在ANSYS系列軟件中，要將AQWA計算的波浪載荷傳遞給Mechanical進行進一步的強度校核，可以采用兩種方法：
（1） 通過ANSYS AQWA-WAVE計算加載的APDL命令傳遞；
（2）通過中間格式文件采用OC系列命令傳遞。
文章來源：安世亞太
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HyperWorks在船舶甲板支撐結構設計中的應用
5 結論
本文以液壓折臂吊下甲板支撐結構為優(yōu)化對象，采用HyperWorks軟件進行強度評估并完成了優(yōu)化分析，獲得了滿足船舶規(guī)范要求的結構最優(yōu)尺寸。相對以往方法，該方法更加科學方便，獲得的結構尺寸也更加合理。除了船體結構強度方面，在船體振動、沖擊響應等方向，還可以將該方法進行進一步推廣應用，這也是本文作者下一步的研究內容。（轉）
深水氣田開發(fā)裝置（FLNG）概述
因此，要求工藝流程緊湊、工藝設備占空間小、處理效率高、撬裝化設計且安全性高；同時，還需要考慮FLNG運動對整個工藝系統(tǒng)的影響，一般需要增加材料設計強度，減少設備占用空間，工藝裝置要滿足安全要求，工藝流程要有足夠的適應性，以適應原料氣的變化。因此，選擇適合于特定海域的工藝流程、高效和安全的工藝處理設備、合理空間布置以及撬裝化設計等是FLNG設計難點和核心技術。
2）船體設計技術
FLNG上部處理設施復雜，重量大、重心高，艙內液貨密度小。為滿足總體穩(wěn)性要求，船體設計及壓載水艙布置更為復雜。
FLNG液貨存儲艙艙內溫度低至-162，由于液艙圍護系統(tǒng)并非絕熱，艙外船體鋼板的環(huán)境溫度較低（主膜破損時，局部結構可達到-50），船體中剖面設計難度更大。
FLNG船寬大、上部設施重量大，對船體的總體強度要求更高。
3）液貨存儲技術
目前世界范圍內采用的LNG液艙主要有自支撐型和薄膜型兩處。其中自支撐型包括SPB棱型液艙和Moss球型液艙。
薄膜型液艙主要No.系列液艙和MARK系列液艙。Moss球型液艙易建造、易維護、蒸發(fā)率低、不存在晃蕩問題、不受載液率影響，但裝載單位體積貨物所需船體更大、甲板可利用率低；SPB棱型液艙可利用率高、維修方便、蒸發(fā)率低、不存在晃蕩問題、不受載液率影響，但造價較高；薄膜型液艙甲板可利用率高、維修方便、蒸發(fā)率適中、造價低，但受液艙晃蕩影響較大。
目前運營的LNG運輸船中，薄膜型液艙應用最多。不同于LNG運輸船，F(xiàn)LNG固定在具體海域，液面變化頻繁，液艙晃蕩更為劇烈，晃蕩沖擊荷載更大，容易對液艙造成破壞。在惡劣海域SPB棱型液艙有較大發(fā)展空間。
4）外輸卸貨技術
外輸卸貨是FLNG關鍵的技術環(huán)節(jié)。在開闊海域進行兩船之間的液化天然氣傳輸作業(yè)會面臨很大的挑戰(zhàn)，特別是在惡劣的海況條件下，作業(yè)更為困難。
展開 輪船側滑式下水SPH仿真案例分享
01—輪船的下水方式
輪船造好之后，有幾種常見的下水方式，出于尺寸或結構強度的考慮，采用不同的方式，小一點輪船的可能會被機械吊起放到水中，大號的通常會“踩著氣囊”滾到水中，或者沿著斜坡滑到水里，再大些的巨輪需要靠船塢。
常見的輪船下水方式
02—側滑式下水Abaqus SPH仿真
輪船側滑式下水
在以上的幾種下水方式中，側滑式下水看起來最震撼、非常壯觀，龐大的輪船像是被一只大手推下水的玩具。
側滑式下水原理比較簡單，輪船首先被固定在斜坡上，下水時解除固定，然后在重力的作用下，船體沿著斜坡上的橫向滑道下滑，側向翻落到水中，再依靠浮力將船身扶正，最終漂浮在水中。
雖然實現(xiàn)起來比較簡單，但采用側滑式下水會產(chǎn)生一系列的技術難題，首當其沖的是結構強度問題，尤其是萬噸級的重型輪船，側滑式下水過程中振動和沖擊問題嚴重，對船體的剛強度要求很高，否者非常容易引起變形或損壞。
展開 航海領域仿真計算全景解析
" data-full="true" data-table-id="0dmcraa3g98" data-col-id="798rx8edudp" contenteditable="false"><col width="33.333333333333336%" data-full="true" data-table-id="0dmcraa3g98" data-col-id="d0mrar3iowi" contenteditable="false"><col width="33.333333333333336%" data-full="true" data-table-id="0dmcraa3g98" data-col-id="w4qeqm4nb0q" contenteditable="false"></colgroup><tbody><tr class="ql-table-row" data-row-id="gnsdme83ico"><td class="ql-table-cell" data-row-id="gnsdme83ico" data-col-id="798rx8edudp" rowspan="1" colspan="1" style="border-color: rgb(196, 199, 206); height: 24px; line-height: 24px; padding: 3px 12px;"><p class="ql-table-cell-inner" data-table-id="0dmcraa3g98" data-row-id="gnsdme83ico" data-col-id="798rx8edudp" data-rowspan="1" data-colspan="1"><p> 典型應用主要算法特點船體總體強度</p><p><br>
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