船體結(jié)構(gòu)
關(guān)注創(chuàng)建者：小Ω龜 創(chuàng)建時間：2017-02-07
船體結(jié)構(gòu)的實例教程
對于個人研究者來說，要進行實船水下爆炸研究存在著巨大的困難，因此一種普遍的做法是采用簡化船體梁結(jié)構(gòu)進行研究。在正式進行水下爆炸實驗之前，通過模態(tài)分析的方法來考察所設(shè)計的簡化船體梁結(jié)構(gòu)的合理性具有重要意義。
本文參考了Zhou等人發(fā)表的論文[1]，利用Abaqus、iSolver軟件對其中的簡化船體梁結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)計算，主要對水下爆炸中備受關(guān)注的一階垂向模態(tài)結(jié)果（干、濕）進行了對比，以評估自主有限元軟件iSolver在計算精度、可靠性和便利性等方面的表現(xiàn)。
1 模型介紹
根據(jù)論文提供的信息，建立如下所示的簡化船體梁結(jié)構(gòu)模型：長2.8米，寬0.3米，高0.08米，板厚0.003米。結(jié)構(gòu)材料采用Q235。
2 干模態(tài)的計算與對比
干模態(tài)的計算中，在Abaqus和iSolver使用相同的設(shè)置。Q235的密度取7850 kg/m^3,楊氏模量取2.1e11 Pa，泊松比取0.3。結(jié)構(gòu)有3700個S4R單元。具體如下圖所示。
結(jié)果對比如下所示：
3 濕模態(tài)的計算與對比
濕模態(tài)的計算中，在Abaqus使用聲學單元建立水域，在iSolver直接使用軟件內(nèi)置的施加虛擬流體質(zhì)量設(shè)置（用戶手冊第4.14節(jié)）。結(jié)果對比如下所示：
4 結(jié)論
綜合上述對比，iSolver軟件計算結(jié)果分別在干、濕模態(tài)方面均與文獻結(jié)果、Abaqus計算結(jié)果展現(xiàn)出高度的吻合性，具有精度高、可靠性好的優(yōu)點。且內(nèi)置了施加虛擬流體質(zhì)量的功能，對于船舶濕模態(tài)的計算更具有便利性，在不需要對水域進行建模的情況下，取得了比Abaqus更貼近實驗的結(jié)果，十分適合用于船舶行業(yè)的模態(tài)分析。
展開 【摘要】本文主要分析了船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的極限強度，探討了在船舶與海洋工程中，結(jié)構(gòu)強度方面需要關(guān)注的要點，希望通過論述，可以為船舶與海洋工程相關(guān)人員研究結(jié)構(gòu)強度提供參考。
【關(guān)鍵詞】船舶；海洋工程；結(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強度，因此，分析船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強度非常有必要，這是進一步了解其結(jié)構(gòu)強度的必要工作。
二、船體結(jié)構(gòu)極限強度概述
船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物在其全壽命周期內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)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(shè)計是采用許用應(yīng)力設(shè)計法(ASD法)，即在線彈性理論基礎(chǔ)上，船體總縱強度是通過甲板(或船底處)的彈性應(yīng)力與許用應(yīng)力比較來進行評估，許用應(yīng)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(jié)構(gòu)的實際破壞的全過程。因此，ASD應(yīng)用于非常規(guī)船型設(shè)汁是不能令人滿意的。
總縱彎曲下的船體損壞實質(zhì)上是一個漸進的過程。當船體梁斷面上某一個最弱的構(gòu)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(gòu)件仍可承載，包括失效構(gòu)件轉(zhuǎn)嫁來的載荷，因此船體梁仍能承載?；?em>船體結(jié)構(gòu)極限強度所確立的“限制狀態(tài)”設(shè)計方法，比線彈性設(shè)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(jié)構(gòu)的可靠性是必要的。對于像船體這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在確定設(shè)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 而極地船舶在層冰、碎冰、冰脊、冰山等極其惡劣和復(fù)雜的海洋環(huán)境中航行，船體結(jié)構(gòu)受冰載荷作用具有較大的隨機性，在海冰的作用下，結(jié)構(gòu)可能達到塑性變形。如與冰山等大型海冰漂浮物發(fā)生碰撞造成結(jié)構(gòu)破損，則容易導致油氣泄漏，對極地海洋環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。
極地船舶冰區(qū)航行
目前各船級社制定的冰區(qū)船舶規(guī)范基于不同的船與冰相互作用，考慮了航速、浮冰厚度、彎曲強度等，但是由于實際冰區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性，還需借助試驗或數(shù)值分析的方法進行設(shè)計驗證。在公司ARC7破冰凝析油船自主研發(fā)設(shè)計方面，通過鉆研理論和實踐，經(jīng)過上百次的仿真計算、數(shù)據(jù)分析對比，貨船所船體室掌握了冰區(qū)結(jié)構(gòu)塑性極限承載力非線性仿真分析、基于變形能法對船與冰山撞擊結(jié)構(gòu)失效仿真分析等非線性仿真關(guān)鍵技術(shù)。
01
冰區(qū)結(jié)構(gòu)塑性極限承載力
非線性仿真分析
在極端冰情下，船體結(jié)構(gòu)將保留一定的塑性變形，目前缺乏極地船舶結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形后的結(jié)構(gòu)強度評估規(guī)范。本技術(shù)采用船體結(jié)構(gòu)鋼材非線性彈塑性和冰載荷作用非線性仿真分析，評估船體結(jié)構(gòu)在極限載荷下的變形及極限承載能力，得出在冰載荷作用下結(jié)構(gòu)超過彈性階段進入塑性階段后的船體結(jié)構(gòu)的各重要物理性能指標。
展開 可靠性優(yōu)化
上海交通大學學報-2000年 01期-工字型截面構(gòu)件的船體板架結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化.pdf
持續(xù)推進結(jié)構(gòu)優(yōu)化是日韓船企空船重量低的主要原因。例如，大宇造船海洋空船重量優(yōu)勢明顯的主要原因是該公司一直在推進船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化（標準化和輕量化），這已經(jīng)是其設(shè)計人員日常工作的一部分。2004年，大宇造船海洋提出對VLCC進行結(jié)構(gòu)重量下降10%、結(jié)構(gòu)件個數(shù)減少20%的目標，期間平均每兩年該公司會對不同船型提出一次整體優(yōu)化要求，每年還會有多次局部優(yōu)化要求。2016年年末，大宇造船海洋對VLCC進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，空船重量進一步減少2%，該船型成為大宇造船海洋近期接單的標準船型。
降低空船重量關(guān)鍵在基本設(shè)計。以油船為例，通常船體結(jié)構(gòu)重量約占空船重量的70-80%（VLCC可達90%），船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化80%以上在基本設(shè)計階段決定（其中GA/MA/T&S決定50%以上，Hull Key plan階段決定30%以上），詳細設(shè)計階段優(yōu)化空間不足10%，生產(chǎn)設(shè)計階段幾乎沒有優(yōu)化空間。因此，如果在基本設(shè)計階段沒有考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化，無論詳細設(shè)計階段如何努力，整個空船重量的下降空間也不過1%。據(jù)韓國一位主導過多型船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計人員分析，在保證相同強度的情況下，中國船企船體結(jié)構(gòu)部分有10-20%的優(yōu)化空間，基于原有設(shè)計圖紙，每一型船的結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常需要耗時3-4個月。
船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化可為船企帶來眾多直接經(jīng)濟效益。一是節(jié)省鋼材和加工成本，縮短相應(yīng)建造周期；二是節(jié)省相關(guān)結(jié)構(gòu)品質(zhì)檢測（NDT）費用；三是可提高標準化程度和鋼材利用率；四是可提升單位生產(chǎn)效率實現(xiàn)整體性降本增效；五是提高船廠的設(shè)計能力與送審應(yīng)對能力。
中國船企空船重量下降難的主要原因為何？保證結(jié)構(gòu)強度降低空船重量并非卡脖子技術(shù)，只要船企有意愿、明確優(yōu)化目標以及設(shè)計人員經(jīng)驗豐富，優(yōu)化工作并非難事。但多年未能解決主要有三方面原因。
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航空工業(yè)（機身、驅(qū)動部件、氣動部件等）
汽車（底盤部件、空氣動力部件）
大型車體（火車、卡車和公共汽車）
海洋（船體結(jié)構(gòu)）
風力渦輪機（轉(zhuǎn)子葉片）
運動器材
基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物（建筑物維修、玻璃鋼橋梁）
醫(yī)學工程（假肢，X光片）
復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？
例如，船體結(jié)構(gòu)通常使用非線性材料（如鋼材）。
對于撞擊體，可以將其定義為剛性體，或賦予較大的材料屬性（如高彈性模量）。
3.2 厚度調(diào)整
通過Thickness選項，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)調(diào)整每個部件的厚度。例如，橫版和豎版的厚度可以分別設(shè)置為100mm和120mm。
對于非對稱船體梁，由于結(jié)構(gòu)幾何的不對稱性以及隔板位置的改變，雖然前六階剛體運動依然表現(xiàn)為零頻率，但在后續(xù)柔性振型中出現(xiàn)了一些細微差異。從數(shù)據(jù)可以看出，非對稱船體梁的第七階及之后的振型在頻率數(shù)值上與對稱模型相比略有下降，這表明非對稱結(jié)構(gòu)在柔性振動方面可能存在局部剛度降低的現(xiàn)象，進而影響振動頻率。
描述了簡化的甲板波浪沖擊載荷模型，該模型基于Kaplan方法（動量守恒原理）和因船體結(jié)構(gòu)而導致的入射波的二階放大。計算得出隨時間變化的綜合載荷。由于采用了有效的附加質(zhì)量隨時間變化的近似計算方法，該方法運行速度較快。結(jié)果顯示，與GBS平臺的甲板載荷測量值總體上吻合良好。
使用商用的Volume-of-Fluid方法進行的全非線性建模初步研究取得了有前景的結(jié)果。
對于個人研究者來說，要進行實船水下爆炸研究存在著巨大的困難，因此一種普遍的做法是采用簡化船體梁結(jié)構(gòu)進行研究。在正式進行水下爆炸實驗之前，通過模態(tài)分析的方法來考察所設(shè)計的簡化船體梁結(jié)構(gòu)的合理性具有重要意義。
l 管道系統(tǒng)中流體傳播波的建模
l 模擬齒輪箱和泵的聲輻射
l 設(shè)計隔離和吸收,以盡量減少來自機械部件的空氣和結(jié)構(gòu)噪音
l 水下輻射噪聲計算重載效應(yīng)的系統(tǒng)和分量級模型
l 聲納系統(tǒng)建模，包括聲納自噪聲
l 模擬大型涂層船體結(jié)構(gòu)的聲散射,包括多重散射的影響
l 確保豪華游輪和游艇的內(nèi)部安靜
交通運輸
l 動力總成組件的聲輻射
舵桿材質(zhì)選用屈服強度為260 MPa的船體結(jié)構(gòu)用鍛鋼，參照《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》的規(guī)定，當采用直接計算法校核舵桿強度時，舵桿的等效應(yīng)力應(yīng)不超過118/K,其中K為舵桿材料系數(shù)，其值為0.927,舵桿的許用應(yīng)力[σ]為127 MPa。
當拖船中低航速航行時，一般可認為其深沉運動是隨著波浪起伏的跟隨運動，其深沉位移由波高和船體結(jié)構(gòu)等因素決定，而拖纜是具有一定剛性的力學承重繩，在水中是非完全柔性正弦波繩，為結(jié)合實際應(yīng)用情況，在仿真過程中綜合考慮拖纜與船舶的耦合影響，將拖船與拖纜視為相互作用的整體，海浪同時作用于拖纜和拖船上。
從圖7所示可見，船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定程度的塑性變形，此變形與內(nèi)凹變形非常相似。從圖8所示可見，在爆炸的瞬間，沖擊波瞬間達到船體，從而對船體產(chǎn)生毀傷。
