船舶钢结构焊接有限元模拟及应用
夹层结构玻璃钢游艇整船结构强度有限元分析
第2期收稿日期：2009－07-13作者简介：刘雪松（1985－），男，硕士研究生。
研究方向：船舶结构力学。
E -mail ：tinsug＠yahoo．com．cn周玉龙（1955－），男，研究员。
研究方向：船体结构强度和船舶性能第5卷第2期2010年4月中国舰船研究Chinese Journal of Ship ResearchVol .5No.2Apr.20101引言目前国外的玻璃钢船长度已经达到70m 以上，甚至某些军船也采用玻璃钢材料，而我国现阶段只能制造长40m 以下的玻璃钢船。
不但在尺度上落后于国外，即使同尺度玻璃钢船，其结构形式也跟国外先进技术存在差距［1，2］。
受限制的不是玻璃钢材料本身的性能，而是缺乏这方面的结构设计和结构计算方法。
2玻璃钢船的结构特性玻璃纤维增强复合材料由于比强度高、不锈蚀、建造工艺性好、使用周期成本低等优点，在船舶工业中得到越来越广泛的应用。
与同尺度、等截面的钢质船相比，玻璃钢船的刚度只是钢质船的115~120。
因此，为了满足强度要求，玻璃钢船在结构形式上和钢质船有所差别。
2．1玻璃钢船的骨材形式玻璃钢材料因其弹性模量低而容易产生扭曲和弯曲变形，因此玻璃钢船的骨材就需要采用特定的截面形式来抵抗弯扭变形。
通常情况下，玻璃钢船的骨架梁材会采用梯形帽形截面，截面表面夹层结构玻璃钢游艇整船结构强度有限元分析刘雪松周玉龙江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003摘要：目前各大船级社普遍缺乏新颖玻璃钢艇体结构强度的计算规范，因此设计者需要直接计算艇体结构强度。
在研究玻璃钢游艇的基础上，用ANSYS 软件建立全船有限元模型，采用层合壳单元处理复合材料和复合材料夹层结构并计算分析整船结构强度。
分析中所采用的方法对于正确地进行玻璃钢游艇整船直接计算具有指导作用和实用价值。
同时所采用的冲击力和水动力加载方法可应用于其他类型的高速艇结构强度的有限元分析。
关键字：玻璃钢；夹层结构；结构强度；ANSYS 中图分类号：U661.43，U674.934文献标志码：A文章编号：1673－3185（2010）02－45－04Finite Element Analysis of the Global Strength of FRP Yachtwith Sandwich StructuresLiu Xue－songZhou Yu－longCollege of Marine and Shipbuilding Engineering ，Jiangsu University of Science and Technology ，Zhenjiang 212003，JiangsuAbstract ：T he codes and regulations provided by the major ship classification societies for comput ing strength of fashionable FRP yacht are very rare．Therefore ，designers turn to the direct method to com-pute the structur al strength．Based on the study of FRP yacht ，a finite element model of full yacht was generated by software ANSYS with layered shell elements to treat composite materials and sandwich structures as well as to compute the structur al strength of the full model．The method s used in the paper ha ve provided some advices on how to perform direct computations of FRP yacht in a right way and therefore are of practical values ．The two loading methods applied in this paper ，impulsive forces and hydrodynamics ，can also be used to perform finite element analysis for other similar boats of high speed．Key words ：FRP ；sandwich structure ；structur al strength ；ANSYS第5卷中国舰船研究铺设玻璃纤维，中间空心部分填充芯材。
有限元法在船舶检验工作中的应用
作 者简 介 ： 冯从泉 （ ９ ６ ） ， １ ７一 ， 江苏如东人 ， 男 南通市地方海事局船舶检验科工程师 、 验船师 ， 硕士生 。
第２ 期
冯从泉 ： 有限元法在船舶检验工作 中的应用
４ ７
２１ 审核 选取 与 建立 有 限元模 型 ．
采 用 三 维有 限元 模 型 ， 见 图 １选取 散 货 船 货 舱 区 的 １ 个 货 舱＋ 个 货舱 ＋ ／个 货 舱 ， 详 ， ／ ２ １ １ ２ 因为 没有 重货
第９ 第２ 卷 期
２ １ 年 ６ｑ ００ ，
南通航运职业技术学院学报
Ｊ Ｕ Ａ ＦＮ Ｔ Ｎ Ｃ Ｔ Ｏ Ｌ＆ Ｔ Ｃ Ｏ ＲＮ Ｌ Ｏ ＡＮ ０ Ｇ ＶＯ Ａ Ｉ ＮＡ Ｅ ＨＮＩ Ａ Ｈ Ｐ Ｉ Ｇ Ｃ Ｌ ＧＥ Ｃ ＬＳ Ｉ Ｐ Ｎ ＯＬ Ｅ
Ｖｏ ． ２ １９Ｎｏ．
验工作 中的应用 ， 并提 出了注意事项 。 关键词 ： 有限元 ； 用； 应 船舶 ； 验 检
中图 分 类号 ： ６ ２ Ｕ９． ７ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １９９ （０ ０ ０ ．０ ６０ １７ ．８ １２ １）２０４ ．４
０ 引 言
有 限元 法是 随着 计算 机技 术 的进 步而 迅速 发展 起 来 的一种 最 有效 的现 代计 算方 法 ， 正被 日益广 泛运 用 于计 算机 辅助 工程 分 析（ Ａ ） Ｃ Ｅ 。近年 来 ， 舶 工业 发展 迅速 ， 舶大 型化 趋 势 日益 明显 ， 限 元方 法 逐渐 成 船 船 有 为船舶 设计 中最 有效 的工 具之 一 。对 船舶 检验 人 员来 讲 ， 船 舶检 验特 别是 在 审图 工作 中往 往会 遇 到船 舶 在
静、 动分析 ， 用来求 解外 载荷 引起 的位移 、 力；５ 还可 以进 行结 构稳 定性分 析 ， 主要 有线 性和 非线 性 屈 曲 应 （） 这
有限元分析在钢结构工程施工中的应用
有限元分析在钢结构工程施工中的应用摘要：现阶段，我国的综合国力不断地提高，人们的生活水平也越来越高。
为满足人们文化及精神生活的需求，各种大型建筑应运而生。
尤其，近年来各种空间钢结构不断涌现，如网架结构、桁架结构、网壳结构等广泛应用于实际工程中。
对大跨空间钢结构而言，由于其结构施工过程复杂，施工方法和施工工艺繁琐，在施工阶段出现风险的概率要比其他结构高。
运用有限元分析，可以在钢结构施工过程中进行计算机模拟跟踪计算，为施工过程提供安全精确的数值分析结果和动态模拟。
关键词：有限元分析；钢结构工程施工；应用引言随着我国经济的发展，大跨度空间钢结构的形式也日趋复杂，施工过程对结构的影响不能忽略。
用施工力学的方法对施工过程进行预分析，不仅可以优选结构施工方案，而且保证施工过程中结构的安全性以及竣工状态结构的内力和位形满足设计要求。
本文基于ANSYS、MARC等大型有限元平台上，并充分考虑施工步骤，等的影响，对结构施工进行跟踪模拟分析。
1有限元方法及软件介绍有限元法可以称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将物体（即连续求解域）离散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟和逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的数值分析法。
结构在施工过程中是逐层承受荷载的，并引起结构相应的内力和变形，每次对结构施加荷载时，结构便形成刚度，便产生内力与变形。
当增加下一结构时，所施加的荷载与原来形成的荷载一起影响结构的变形与内力，这样不停地变化，内力与变形也在不停地发生变化，每次形成矩阵不断地迭代求解，有限元则是采用单元生死技术来控制结构的先后顺序，模拟变形，得到所需要的结果。
结构施工建模步骤如下：（1）建立构件三维空间有限元模型，形成结构整体刚度矩阵；根据施工步骤划分施工阶段，分阶段建模。
（2）利用有限元软件ANSYS的单元生死技术钝化所有施工步（包括构件及其相应的边界条件、荷载和约束），先将整体结构建模，按照施工的顺序，将未建造结构单元的刚度矩阵乘以一个很小的缩减因子，即单元生死系数，这样单元就处于失效的状态下；（3）将单元载荷、质量、应变和刚度设为0值，未建结构单元的质量、刚度对已建结构不产生任何影响。
典型船舶焊接接头应力集中系数有限元分析
破坏 的重 要 原 因 。因此 ， 究 焊 接 接 头几 何 参 数 研 对焊 趾处 的应 力 集 中 系数 的影 响 ， 于 准确 计 算 对 焊趾 处 的应 力分布 ， 分析 疲 劳强度 ， 高疲劳 寿命 提
预测 精度 有重 要 的意 义 。 目前对 焊接 接头应 力集
ａ 单 侧 加 强 高 对 接 接 头 ）
到 １５ ， ． ５ 减小 了 ２ 。 ％ ； 从 ４～６ｍ ｌ Ｋ 南 １ ３ ４０ ｒ ｉ， ｌ ．７ 减小 到 １ ２ ， ． ８ 只减 小 了 ６ ６ 。 ．％
同样 ， ５ ，５ 时 ， 得结 论也 大体 相 同。 ０：１ 。４ 。 所
图 ３ 网格 划 分 （ ０ ０＝１ 。 ｒ＝ ， ５）
中 系数 的 研 究 ［ ］ 武 汉 理 工 大 学 学 报 ，０ ５ ２ （ ） Ｊ． ２ ０ ，９ １ ：
３ 应力 集 中区域 单 元 网格 的划 分 ， 整 个 计 ） 在 算 过 程 中 占据 了重要 的地 位 。焊趾处 单元 网格 尺
本 文在 建模 过程 中 ， 先进 行模 型试 验 ， 断对 不 网格 细 化 ， 现 当 网 格 最 小 单 元 达 到 ０ ０ ｌ 发 ．９ ｍｎ
４ 结 论
１ 焊 接 接 头 几 何 参 数 对 于焊 趾 应 力 集 中有 ）
时， 不管 网格再 怎么 细化应 力 系数值 都保持 不变 。
０为焊 趾倾 角 ， 为焊 趾过渡 圆弧 半径 ， 为板厚 。 ｒ ｔ 网格划 分 的最 小 单 元 尺 寸 为 ０ ０ ｎ， 料 ． ９ Ｉ ｌ材 ｎ
１ 对 接 接 头 的 简化 处 理
对接 接头 是船 舶与海 洋． 程结 构 巾常见 的焊 ［ 接接 头形 式 。对接 接头 由焊缝 金属 、 合 区 、 熔 热影
Ansys在船舶有限元分析中的应用技巧_梁单元
Ansys 在船舶有限元分析中的应用技巧———梁单元刘 九虎 陆红艳 (华南理工大学交通学院)(上海船舶运输科学研究所)关键词 船舶 有限元 Ansys 梁单元一 前 言船舶作为水上的结构物,在对它进行有限元分析时,通常会以加筋板的形式进行模拟,所以板壳元和梁元是此类分析中最常用的单元。
本文针对Ansys 当中的三维梁元beam44的应用技巧展开讨论。
早期的有限元软件在处理梁单元时,通常存在以下缺点:(1)实常数定义较为麻烦通常对三维梁元而言,需要用户给出梁截面一系列参数:截面积、关于两个轴的惯性矩、扭矩、抗弯模量等,这些参数都需要用户通过计算或查表得到。
(2)梁的定位不直观通常一个梁元的定位需要三个点:起始节点i 、j 和定位点k (对于角钢、工字钢等型材而言,通常取其腹板平面上的某一点k ,且k 不与i 、j 共线)。
早期的fem 用户在前处理的时候看到的梁元仅仅是一条直线(如图1直线25所示),这样就有可能发生图2-(b )、图3-(b )所示错误而不自知。
图1图2-(a ) 甲板结构T梁的正确定位图2-(b ) 甲板结构T 梁的错误定位图3-(a ) 舭部结构T 梁的正确定位 图3-(b ) 舭部结构T 梁的错误定位二 Ansys 梁分析中的几点应用技巧本文首先结合图1所示加筋板结构谈一下beam44的应用技巧(以下如不特别声明,长度单位为cm ,力的单位为kg f )。
图1中板1346为船体某处甲板(图中已给出各点坐标),下面铺设一根甲板桁25,尺寸为┴6×1006×120(单位:mm )。
1 选择单元类型Preprocess or →E lement T yent T ype :选Shell63和Beam442 定义梁单元截面尺寸Preprocess or →Sections →Beam →C omm on Sectns :注意:O ffset T o 、O ffset -Y 和O ffset -z 的填写3 定义实常数Preprocess or →Real C onstants →…定义板的厚度,梁的实常数不用定义(因为前面已经定义了梁的截面)图44 定义材料Preprocess or →Material Props →Material M odels …5 建立几何模型Preprocess or →M odeling →Create →K eypoints →In Ac 2tive CS …Preprocess or →M odeling →Create →K eypoints →Lines…Preprocess or →M odeling →Create →Areas …6 赋板和梁的属性赋板的属性Preprocess or →Meshing →Mesh Attibues …赋板的属性赋梁的属性Preprocess or →Meshing →Mesh Attibues →Picked Lines +:图5注意(图4):●Pick Orientation K eypoint (s )钩选框默认值是N o ,这里须钩为Y se 。
HyperWorks在船舶与海洋工程中的应用-有限元建模
HyperWorks在船舶与海洋工程中的应用-有限元建模
HyperMesh: 主要的海洋工程有限元建模工具
当前构建船舶和海上结构的有限元模型是海洋工程师面临的巨大挑战。
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有限元法在船舶检验工作中的应用研究
有限元法在船舶检验工作中的应用研究
龚 拮 山东省威海船舶检验局 山东威海
２ ６ ４ ２ ０ ０
Ｅ ＝ ２ ． ０ ６ ×１ ０ ５ Ｎ／ ａｍ ｒ ， Ｐ ｏ ｉ ｓ ｓ ｏ ｎ ｂ ｋ ｖ ＝Ｏ ． ３ ， 质 量密 度 【 摘 要ｌ本文主要将江苏省船舶检验局审图并且检验的最大散 氏模 量 即 ：（ ： ７ ． ８ ５ × １ ０ ３ ｋ ｇ ／ ｍ ） 。 货船 ， ￣ Ｆ ３ ２ ０ ０ ０ Ｄ Ｗ Ｔ 散 货船 作为研 究的例 子， 分析并总结 了 有 限元 法在船 ｐ 舶检验 工作 中的具体 应用， 同时提 出了 相关的注意事宜， 以便 能为船舶检 ３ ． ３ 审核有限元模型网格的划分是否正确。 船体结构的有限元网 格 沿着 船壳 横 向按 照纵骨 的 间距或者 类似 的间距 进行 划分， 纵 向按 照 验人 员 提 供参考。 Ｉ 关键 词 】有限元 法； 船舶检 验 ； 应 用研 究； ３ ２ ０ ０ ０ Ｄ Ｗ Ｔ 肋 骨 的间距或 者类 似的 间距进 行划分 ， 网格 的形状 最好 尽量接 近于正 方 形。 需 要 注 意 的是 ， 在 高应 力 区以 及高 应 力的 变化 区 （ 例如： 减 轻 １ ． 前言 孔、 人孔 ， 舱 壁 和凳 相 接 处 ， 附近 的 肘 板或 者 结 构 的不 连续 处 。 ） 尽 所谓的有限元法， 就是随着计算机技术的进步而快速发展起来 量 避免 采用 三角形 的单元 。 的一 种 有效 的现 代计 算 方 法 ， 目前正 被 广泛 地 应 用 于计 算 机 的 辅 助 ３ ． ４ 审核边界条件设置的正确性 。 为了使计算结果更能接近实 工程分析（ Ｃ ＡＥ ） 。 最近几年来， 随着船舶工业的不断发展， 船舶大型 际， 必须分析有限元模型的受力状况， 设定模型的边界条件：（ １ ） 元 化的趋势 日 益 显 著， 而有 限 元法 正 逐 渐 地成 为 在 船 舶 设 计 中最切 实 模 型 的后端 的部 分 保 持在 一 个平 稳 的状 态 ， 任 何处 在剖 面 的独 立 点 有效 的 方法之一 。 对 于 船 舶的检 验 人员来说 ， 在 进行 船 舶检 验 尤其是 与其他任意一个节点相关， 对独立点加压弯矩；（ ２ ） 元模型的前端的 在审图的工作中经常碰到船舶的结构强度直接计算的审核， 因此， 熟 部分保持在一个平稳的状态 ， 任何处在剖面的独立点与其他任意一 对 独立 点加 压 弯矩 。 悉并且 掌 握一 些 在船 舶 设 计 过程 中比较常 用的 有 限元 方法 是有 很大 个 节点 相关 ， 好 处 的， 而 且也是 必须 的。 ３ ． ５ 审核 计 算 工况 。 通 过 对 散 货船 对 计算 选 取 的 要求 分析 以 及 至今 为止 ， ３ ２ ０ ０ ０ Ｄ ＷＴ散 货船 是 目 前 江 苏省 船 舶 检验 局 批 准仍 结合本船的所有具体情况 ， 明确有六种计算选取的情况 ： 一般压载工 在 建 的 最大 型散 货船 ， 该 艘 船 打 破 了地 方船 检机 构 的 检 验船 舶船 长 况 、 轻 货工况 、 重货工况 、 附加 工况一 、 附 加 工况二 、 附加 工况 三。 不 超过 １ ５ ０ 米 的局面 。 该 艘 船 的 图纸 由浙 江省欣 海 船 舶设 计 研 究所与 ３ ． ６ 审查模型载荷的合理以及正确性。 有限元模型载荷需要实际 江苏科技大学船舶设计研究所共同设讯 审核， 在设计的过程中使用 的 承 载 检验 之 后 才能 得 出实 际的 载荷 量 ， 通 过 对 实 际用于 船 舶的 重 有限 元方 法完 成了货舱 区域 的结 构强度 计算 （ 结 构 强度 有屈 曲强度 、 量 按规 定步 骤要 求 放进 模 型中， 查 看是 否具 有合 理性 。 一般 的载 荷来 屈 服 强度、 纵 骨疲 劳 强度 以及 热 点疲 劳强度 ） ， 舱 口盖 的强度 计算 、 锚 源于 ： 水压 力、 端 面 弯矩 以及货物 重 量压 力等 。 机 底座 的强 度计算 等 。 ３ ． ７ 检查计算工况的结果。 有限元模型的所有计算程序都是通过 自动化的计算机模式进行， 船舱需要直接计算的部分有： 曲服强度、 ２ ． 有限元法的特点 通 过 应 力结 果 进行 综 合数 据 分 据相关资料表 明， 一个新的产品能够在设计 的阶段解 决超 过 纵骨 疲 劳以 及船 舶的 热 力等 强度 值 ， 能够对模型的所有受力的具体情况有详细了解。 对计算应力结果 ６ ０ ％ 的问题。 有限元方法是一种求解各种繁复工程问题的重要分析方 析， 包括 强度许用 值的 具体位 置以 及应 力值 的结果 都 法， 同时也是开展科学研究的重要工具。 运用有限元方法就能够在产 时 出现 的所有 问题 ， 品（ 包 括 结构 以 及 工艺 ） 设 计 的时 候 进行 参 数 的分析 与优化 ， 以此 来 能够快速找到。 对船舶舱口的材料的硬度和强度以及固定船 舶前侧 提 高产 品的质量 。 有 限元 的分析 法 目前 已经成 为了取 代大 量实 物进 行 甲板 的锚机 材 料 的硬度 和强 度的计 算结 果是 在美 国的Ａ ＮＳ Ｙ Ｓ 软件 计 试验的数值化 “ 虚拟试验” ， 在该种方法的条Ｗ Ｆ ， 大部分的计算分析 算下完 成 的， 本 文不做 进 一步 解释 。 以 及典 型 的验 证性 试 验 进行 相互 结合 能 够提 高效 率 以及 降低 成 本 。 ３ ． ８ 注意事项。 使用任何软件计算均要根据严格的规范要求进行 在 对有 限 元法 的使 用功 能 上 ， 其 具 有以下 的特 点 ：（ １ ） 它 是一 种完 全 作业 ， 注 意 要 求主 要 有几下几点 ：（ １ ） 有 限元 模 型 除了特 殊情 况 外 ， 适 用于Ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗｓ 界面 下 工作的新 程 序， 且 应用 更加 的简单方便 。（ ２ ） 均要 使 用符 合 “ 钢规” 规 定 的尺 寸的 构 件 ；（ ２ ） 有 限元 模 型的 所有机 它不但 能够进 行线 性 分析， 而 且还能 够进 行各种 各样 的非 线性 分析 。 构和数 据以及实际问题的应对零件均要求更够利于计算工况 ， 且按 （ ３ ） 它属 于 一种 综 合 性 的多物 理耦 合 分析 软件 ， 一般 用 户能 够进 行 相 关指 南进 行 作业 。 对 结 构和 载 荷 的功 能 均要 能 够 得出正 确 且合 理 ３ ） 实际 板材 的尺寸和 厚度严 格按 照设计 图纸 选取 ； 类 似于 热 、 结 构、 电磁 、 流体 流 动 等 的独 立研 究 ， 此 外还 能 够 对这 些 的应 力值数 据 ；（ ４ ） 对 于构 件 中的人孔等设 备允许用 同等 效果 的 板元代 替 ；（ ５ ） 用 同 分析进行相互影响研究。（ ４ ） 它能够进行结构的静和动分析， 用以求 （ 解 由外 载 荷 而 引起 的 位 移 和应 力。（ ５ ） 还能 够 进行 结 构 的 稳 定性 分 样质量和效用的Ｔ型材代替球扁钢；（ ６ ） 所有边界条件的设置均在规 析， 其主 要有线 性与 非线 性 的屈 曲分析 。 范要求的指导下进行；（ ７ ） 对于模型的载荷施加情况需要设计合理 ， ３ ． 有 限 元法 在船 检 之 中的应 用 合理进行计算；（ ８ ） 三角形单元的使用需注意， 舱壁、 减轻孔、 结构不 近几年来， 船 舶 的 大 型化 促 进 了有 限 元 法 和 船 舶 设 计 的 相 互 连接 的地 方等 则不能 使用 。 结合， 这 种 结 合 也 开始 逐步 的应 用 到具 体 的 船 舶 检 验 工 作之 中。 如 ４ ． 结 束 语 此 便 要 求 船 舶 的 检 验 人 员必 须 要 在 掌 握 有 限 元基 本 方 法 步 骤 的 前 随 着 船 舶事 业的 不断 发 展 ， 有 限元 法在 辅助 船 舶的 设计 过 程 中 这能够充分的体现了现代计算机技术辅助 提下， 完成 审核检验有 限元方法使 用的正确性以及合理性 。 对 于 越来越得到广泛 的运用， ３ ２ ０ ０ ０ Ｄ ＷＴ散 货船 货舱 区域 结 构强 度的 计算 主要 是采 取 美 国宇航 局 设 计 的优 越 性能 。 如果 船 舶 的 检 验人 员了解 并且掌 握 了这一 类 的技 （ ＮＡＳ Ａ） 所 开发 的ＭＳ Ｃ． ＮＡＳ Ｔ ＲＡＮ结构 有 限元 分析 的 软件 。 将 计 术方法之后， 就可以方便又快速地进行船舶的舱段以及船舶 中特种 这对 于 现 实工作 中船 舶 的设 计 和 制造 算的屈服强度作为例子， 应该要根据以下的步骤方法进行审核以及检 构 件 相 关 强度 的校 核 和检 验 ， 验。 具 有 良好 的指 导 作用 ， 有 利 于 船 舶检 验 人 员在 审 图的环 节 就可 以有 ３ ． １ 审核的选取和建立有限元模型。 采取三维的有限元模型， 选 效地把握并确保船舶的质量。 择散货船货舱区的半个货舱＋ １ 个货舱＋ 半个货舱， 由于没有重货舱， 因此能够选择船中货舱Ｎｏ ． ３ 舱 当做评估的对象 ， 舱段模型的纵向范 围由肋位 Ｆ ｒ ａ ｍｅ ９ ８ ￣ １ ］ 肋位 Ｆ ｒ ａ ｍｅ １ ７ ７ ， 其 中Ｆ ｒ ａ ｍｅ ｌ １ ８ 与Ｆ ｒ ａ ｍｅ ｌ ５ ７ 是 横 参考文献 【 １ 】 郭伟立 ， 宁萍． 法定船舶检验的种类及法律特征【 Ｊ ］ ． 科 学咨询 舱壁所在的肋位， 垂向范围是船体型深。 由于舱段的结构以及计算载 （ 科技 管理 ） ， ２ Ｏ １ １ ， ４ ５ （ ； ５ ） ： ５
船舶结构有限元建模与分析02
[将火箭处理成壳单元和梁单元模型]
3、
●
火箭——壳结构的例子
再近一点眺望火箭
再近一点眺望火箭，则从火箭本身到助推发动机结构的细节处都可以看得到。 例如，壳体部分和助推发动机的连接部分因为是容易发生应力集中的部位，需要 充分进行校核。 象壳体与助推发动机那样的连接部分，为了评价局部区域的3维应力状态用局部 放大的方法就很方便。
3、
●
火箭——壳结构的例子
火箭的模型化
横风吹向发射以后的火箭，火箭就边控制方向边向着目的地飞去。我们称这为姿 态控制。 姿态控制中的火箭，受到很大的弯曲载荷的作用。 这里，为了分析受到横风作用的火箭的强度，来讨论一下CAE分析所用的模型的 Description of the 转换过程。 company’s sub contents 象以前所做的一样，结合分析目的，试试变换眺望火箭的位置。 (1)、从远处来眺望火箭，则是在看到整个火箭而进行简略的模型化处理时的情况。 (2)、在近处来眺望火箭，则是在进行局部的详细的模型化处理时的情况。
[将电车用板单元形成的模型]
2、
●
电车——板架结构的例子
从近处眺望电车
一般来说，具有开口的结构，它的角上要产生应力集中。 象电车这种情况，在设计的时候也应该充分注意这种应力集中的现象。 这时如果使用板单元将结构进行模型化的话就能掌握应力集中的现象。
开口的角落部分，因为是应力急剧变化的地方，这些地方要用相当小的板单元来 模拟，这一点很重要。
●
再走近点眺望铁塔
在把接头周围的强度作为分析目的时，要将铁塔的接头构件以及与接头连接的构 件切出来，并且把这些构件用小块的板状有限单元模型（把它称为板单元）来处 理，再把它们集合起来形成一个结构模型。
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船舶钢结构焊接有限元模拟及应用
文章通过船体中典型的钢结构对接焊做有限元模拟分析，基于ANSYS有限元软件对焊接的全过程做数字模拟分析，对钢结构在焊接加热及冷却的过程中的温度、应力、应变的结果详细分析，通过数据的分析结果得到焊接后船舶钢结构的残余应力和焊接变形的规律，根据分析的成果对实际现场施工工艺进行指导。
标签：船舶钢结构；焊接应力应变；焊接后的残余应力和应变；有限元模拟分析
1 船舶钢结构焊接原理的概述
在船舶建造过程中，焊接广泛应用在船厂工区建造的各个环节中。
从小组立到总段合拢的全过程都离不开钢结构的焊接，可以说焊接是船舶建造中最重要和最常用的工艺手段。
对于船舶的钢结构而言，船体的底板、外板、肘板、舭龙骨等金属结构都是通过各种形式和方式的焊接组合到一起的。
对于焊接而言，其是一个简单的物理现象，而焊接过程包括金属物体的加热、钢结构的受热融化熔、物体之间的传热传导、加热后和空气接触的热传递、冷却后的金属凝固凝固、由于焊接后在结构物内产生的残余应力和结构物受冷热不均影響产生的变形等。
在焊接后的焊缝内及影响区域内部，有焊接的作用导致钢结构内部存在残余应力和焊接变形，对于焊接应力和变形如果处理不合理，将会影响船舶建造精度进而影响船舶的整体性能。
为了避免和减少钢结构焊接的影响，在现代化计算机处理能力和有限元软件成熟发展的基础上，通过电子计算机借助有限元软件对焊接的全过程进行模拟。
通过有限元软件，对需要焊接的钢结构、加热的热源、焊接热源移动的步骤，以及焊接后模拟大气环境下的结构物冷却，和最终的残余应力和焊接形变。
从而找到不同焊接顺序及工况下的应力应变，实现的焊接应力应变的消减和控制。
2 焊机理论基础
利用有ANSYS软件对钢结构焊接进行模拟，即在模拟焊接的整个过程，以及在焊接时由于热的传导而产生应力和应变的过程。
对于模拟计算需要的如下的基础理论：
2.1 焊接温度场
其中，ρ=结构物的材料密度；
T=焊接产生温度场的分布函数；
c=结构物的材料比热；
Q=焊接内热源的强度；
λ=结构物的导热系数
2.2 焊接应力和应变场
就焊接过程的应力和形变而言，是由于焊接材料自身的特性随自身温度变化而产生的热弹塑性，焊接产生的应力应问题是由于结构物自身非线性材料特性导致的非线性问题。
而且在实际的焊接过程中，其产生的热应力和变形是一个很复杂物理现象。
在对其进行模拟计算时，一般焊接热应力场理解为一个非线性瞬态问题。
为了便于计算，焊接模拟只考虑温度场对应力场的作用，而由于应力场对温度场的作用微乎其微，可以忽略。
应力场的结构关系公式如下：
其中，{dσ}=应力增量；
{dε}=为应变增量；
dT=温度增量；
[D]=弹性或弹塑性矩阵；
{c}=与温度有关的量。
2.3 焊接热源
焊接的过程中，是由电弧热源把产生的热能传给焊接物体，热量是通过一定的作用面积进行的，将这个加热区域成为加热斑点。
加热斑点上的热量分布是不均匀的，一般呈现的是中心多而边缘少的特性。
用高斯数学模型来可以模拟加热斑点上热流密度分布。
因此距加热中心上任一点产生的热流密度可表示为：
其中：Qm=加热斑点中心最大热流密度；
R=电弧有效加热半径；
r=离电弧加热斑点中心的距离；
η=焊接热效率；
U=电弧电压；
I=焊接电流。
3 焊接计算结果分析
焊接是一个快速热传递随之并冷却的过程，由于被焊接结构上各点影响其温度变化是非均匀的。
通常情况下是焊接的焊缝区内由于受电热弧的直接影响的温度变化很快，而远离焊缝的区域温度变化较缓慢。
通过ANSYS有限元对整个焊接过程进行模拟，对构件个部分的热影响情况，通过温度时间历程可以查看结构关键点温度随时间的变化。
3.1 焊缝温度变化的趋势
图1显示在结构上选取关键点随时间的温度变化。
说明在焊接时热源到达表面各点后，温度迅速上升到达最高值，随后又快速冷却到100度左右，然后缓慢降温。
3.2 选取焊缝厚度的方向各点焊接温度的变化
由于焊接时电热弧的直接作用，在焊接物体的表面出温度将会急剧上升，在物体热传导的作用下，热能从表面向下传递，由于热能传递的损耗，焊接处各点随着深度的加深温度不断递减。
通过焊接的曲线表明对于温度越高的点温度递减的速度也越开，随着冷却时间的延伸，最终各点的温度趋于一致。
3.3 焊缝的叠加区域上表面各点的温度变化
在焊缝的叠加区域，由于受到周边多条焊缝焊接的影响，此区域内结构受到温度的影响比较大。
因为在该区域内，结构经历了多次的快速加热升温并随之冷却，以及冷却后有加热在冷却的复杂过程。
该区域内的点由于距离焊缝的不同，其受影响的程度也有不尽相同。
根据对关键点的分析，可以得到如下结论。
在焊接加热的过程中，选取点的温度随热源的加热而升高，然后随热源的消失而下降。
同时由于距离加热源的焊缝的距离不同，受到的影响程度也有差别。
通过图3可以看出，对接焊缝焊接对点影响最大。
4 应力场计算结果分析
通过图4、图5可以看出由于焊接的相互影响，焊接后结构的等效应力的分布较为复杂，主要表现的现象为：焊接产生的等效应力在焊缝区域数值最大，而距离焊缝较远的区域相对最小。
通过有限元计算的结果，在上述区域内最大残余拉应力达到了400Mpa，最大残余压应力达到了210Mpa，有限元计算的焊接后最大的残余等效应力值达到了240Mpa。
通过结算的结果清晰的表明，在焊接的焊缝处，单向焊接残余应力和等效残余应力均很高，通过模拟计算表在该结构的焊缝区的应力水平均最高。
通过三个方向的残余应力分布图，在三条焊缝的结合处，出现了结构的最大拉应力值，这说明在受到多重焊接影响的区域内，会产生大量的残余应力，在船舶结构焊接时避免出现这种焊接工况。
通过结果得到焊接后的最大压应力在X 方向出现在面板对接缝和外板对接缝的两端，Y，Z方向出现在腹板对接缝和外
板对接缝的交接处。
最大拉力和压力都出现在构件的中心剖面上。
在三个方向的应力分布图中，和焊缝方向一致的时，焊缝区域的应力较大。
5 结束语
（1）数值模拟构件焊接的整个过程，为焊接工艺的优化提出参考。
（2）焊接结构的焊缝处由于受到较高温度的影响，该区域内残存了较大的应变和应力，此处的残余应力较高。
对于焊接后的变形而言，残余应变的最大拉应力值在构件焊缝中心处。
参考文献
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