船舶局部强度计算方法
基于ANSYS软件的船体局部强度计算模型
基于ANSYS软件的船体局部强度计算模型作者：侯超摘要：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。
船舶强度核算—局部强度的校核
“ Q”轮许用均布载荷和集中载荷一览表
某轮车辆许用甲板载荷
堆积负荷
船舶局部强度
三、用经验方法确定的允许负荷 1．上甲板： 允许负荷：
(kPa)
Hc—甲板设计堆高，重结构取1.5m,
轻结构取1.2m。
μ — 设计舱容系数。
三、用经验方法确定的允许负荷
2．中间甲板和底舱：
允许负荷：
实际值的计算
1）集中载荷 P ' 9.81W n
2）均布载荷
Pd
'
9.81 A
Pi
已知重量和底面积
已知高度和积载因数
Pd
'
9.81
hi SFi
四、船舶局部强度条件的校核
2．集装箱船局部强度条件的校核步骤：
1）计算实际值：Pc=∑Pi 2）查取允许值：Ps 3 ) 比较：Pc≤ Ps
四、保证满足船舶局部强度的措施
任务二： 局部强度校核
船舶局部强度
一、船舶局部强度概述 局部强度(local strength)： 船体结构具有抵抗在局部外力作用下产生的局部极度变形或损坏的
能力。 重点考虑的船体局部位置：甲板、平台、舱底、舷侧、舱口、首尾
等。 船舶必须满足局部强度条件。
船舶局部强度
二、局部强度的表示方法 许用符荷的表示方法： 船体局部的允许负荷量可在船舶有关资料中查取。 1．均布载荷：kPa 2．集中载荷：kN 3．车辆甲板负荷：车轮 4．堆积负荷：集装箱
1）考虑船龄
2）货物均匀分布
3）加横跨骨材的衬垫
4）舱盖上不装重货
5）散货平舱
6）控制落底速度
7）注意局部强度的校核
(kPa)
H d — 舱高。 无设计值时，取rc=0.72 t/m3, 重结构取rc=1.2 t/m3。 rc =1/μ
第三章：局部强度
船底板架
对于舱长很短的船底板架（例如，舱长与板架计算 宽度之比小于0.8时），为确定这种板架中桁材的 弯曲应力，可将中桁材当作单跨梁处理。 近年来，有限元方法的应用，使得过去近似计算中 的一些难题得以解决。例如船底板架中构件大小形 状等的不同，间距的不同等。但是在按有限元计算 板架强度时要注意下列事项： 1.构件计算尺寸应按实际外形选取，一般不作任何 假定和简化。
桁架：几何不变性由足够数量杆件来保证。桁架传 递的只是轴力。
计算简图和力学模型
工程上的实际问题并不是理想的刚架或者是桁架， 所以只能根据实际传递力的情况来判断用刚架还是 桁架来作为模型。船体肋骨框架各构件连接有肘板 连接，节点刚性极大，约束角位移，所以简化为刚 架，节点为刚性节点；工程上的桁架节点不是理想 的铰支，而是近似刚性节点，但仍简化为桁架计算， 是因为在对比轴力和弯曲内力后，前者远大于后者， 可以将后者忽略不计，故计算时仍按照铰支算。
船底板架
• 内底板结构分析
内底板要求：计算应力不与总纵弯曲应力合成叠加。 横骨架式内底和外底板一样，计算时考虑缩减。
甲板板架
上甲板是船体等值梁的上翼板，是保证总纵强度的 最重要组成部分之一。下甲板主要承受的是货物重 量，局部强度问题在这一部位尤为重要。 横向载荷是甲板板架局部强度计算的主要载荷，无 论是上甲板还是下甲板。横向载荷的主要来源是堆 积货物和甲板上浪，尤其是甲板上浪而造成的积水， 是一定要考虑的。 货船对露天甲板堆积木材有着规范规定，所有的计 算最后都要转化为水头高度来计算。
计算简图和力学模型
• 小结
确定结构计算的力学模型时， 确定结构计算的力学模型时，必须从实际出发和分 清主次。 清主次。 实际出发：考虑结构的布置和构造，了解结构受力 状态的实际情况；
船舶强度与结构设计
2.船体强度计算内容和方法
(1)确定作用在船体及各个结构上的外力。 (2)确定船体结构在外载作用的响应：结构 剖面中的应力与变形 ；结构的极限状态分 析。即所谓内力问题。 (3)确定合适的强度标准，并检验强度条件。 这三部分内容是一个综合的整体，通常 被
分散到船舶静力学、船船结构力学等几门课 程中讨论。
局部强度─局部构件(纵桁、横梁、肋骨等)、节 点(肘板等)、局部结构(舱壁、甲板、船底板、 舷侧板等)的强度。
5
§2 作用在船 体结构上的 载荷
6
作用于船体上的载荷可按其响应和随时间变化进行 分类。
1.按结构响应分类：总体性载荷和局性载荷。 总体性载荷─引起整个船体变形或破坏的载荷和 载荷效应。如总纵弯曲的力矩、剪力、应力及纵 向扭矩等。
14
§4 评价结构 设计的质 量指标
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为得到一个优秀的结构设汁，应考虑以下问 题：
1．安全性
即结构要能承受正常使用时各种可能的 载荷作用，并在偶然事件发生时及发生后， 仍能保持必需的整体稳定性(即仅产生局部 损坏而不发生整体的破坏)。
2.船舶的整体配合性
船舶是一个整体，在船舶设计时，结构 设计必须同总体、轮机、设备电气及通风等 其它方面的设计互相配合，以保证船舶在各 方面都具有良好的工作性能。
船体强度是研究船体结构安全性的科学。
1.结构的安全性
结构的安全性包括： (1)结构能承受在正常施工和正常使用时可 能出现的各种载荷，并在偶然事件发生时及发 生后仍能保持必需的整体稳定性。 (2)结构在正常使用时，对于民船必须适合 营运的要求，和具有足够的耐久性；对于军船 还必须满足在规定海况下，具有良好的战斗性 能和生命力。
局部性载荷─指引起局部结构、构件变形或破坏的 载荷，如水密试验时的水压力，机器的不平衡所 造成的惯性力、局部振动，海损时的水压力等。
半舱货船局部强度计算研究
３ 载 荷 与边 界 条件
３１ 计 算工 况 ． 根据 本船 正常 运行 情况 ， 定本船 １ 确 ０种工 作
２ 船舶 的有 限元计算模型
依 据结 构设 计 图纸 ，建立 中部 １ ／ 段＋ 舱 ２舱 １ 段 ＋ ／ 段 结 构（５ －７ ） １ ２舱 １拌 ５ 的三 维 有 限 元模 型（ 如
船 舶建造 之初 ，需要 运用 有 限元仿 真进 行 结 构 强度 校核 计算 。通 过有 限元 计算 ，节 约 建造 周
１ ； ： 在一 些过 渡 、 接处 采用 了少 量三角 形单 元 。 ２ 连 梁 单元 依 板单 元 的边建 立 ；梁单 元按 照设 计
期 ，确保 建造 安 全 。本 文 以半 舱货 船为 对 象展开 研 究 。对 该 半舱 货船 舱段 结构 进行 了详细 的有 限
第４ 期
机 电技术
１ ４ ３
半舱货船局部强度计算研 究
王修敏 仇远 旺 任 荣社 田野 吕运
（ 军 蚌 埠 士 官 学 校 机 电 系 ， 安 徽 蚌 埠 ２ ３ １） 海 ３ ０ ２
摘
要 ：半舱货船的主尺 度或结构构件 的选 取超 过规 范要求值 时，需要利用有限元软件 对半舱货船进 行局 部强度校
图 １ 示） 所 。计 算模 型 中采用 了以下 ２ 单 元 ：板 种
（ｈ ｌ单 元模 拟外 壳板 、 甲板 、 内底板 、内舷板 、 ｓｅ１ ）
载况 （ 表 ２所示 ） 如 。
表 ２ 船舶运行工况
腹板、 横舱壁、货舱围板等板壳结构；￣（ ａ） ｂｍ ｅ 单元模拟各种构件上的骨材。 模型中考虑了 船体
元建 模 ，利 用有 限元 分析 软件 ，根据 Ｃ ＣＳ规范 对
考 虑截 面 、方 向和 偏 心 。 结 构模 型 中共 有 ２ ８ ７ ２个节 点 、６ １ １７个单 元 、
船体结构与强度设计总结新
1、结构的安全性是指结构能承受在正常施工和正常使用时大概浮现的各种载荷和（或）载荷效应，同时在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定性。
此外，结构在正常使用时，还必须适合营运的要求，并在正常的维护保养条件下，具有足够的耐久性。
2、船体强度计算包括：（1） 确定作用在船体或各个结构上的载荷的大小及性质，即外力问题；外载荷（2） 确定结构剖面中的应力与变形，即结构的响应分析（亦称载荷效应分析）；或者求使结构失去它应起的各种作用中的任何一种作用时的载荷，即结构的极限状态分析（亦或求载荷效应的极限值），即内力问题。
响应（3） 确定合适的强度标准，并检验强度条件。
衡准（结构的安全性衡准都普遍采纳确定性的许用应力法）3、通常将船体强度分为总强度和局部强度来研究。
4、结构的安全性是属于概率性的。
5、把船体当做一根漂移的空心薄壁梁（成为船体梁），从整体上研究其变形规律和抵抗破坏的能力，通常成为总强度。
总强度就是研究船体梁纵弯曲问题。
从局部上研究局部构件变形规律和抵抗破坏的能力，通常称为局部强度。
6、作用在船体结构上的载荷，按其对结构的阻碍可分为：总体性载荷、局部性载荷。
按载荷随时刻变化的性质可分为：不变载荷、静变载荷、动变载荷和冲击载荷。
7、总体性载荷是指引起整个船体的变形或破坏的载荷和载荷效应。
局部性载荷是指引起局部结构、构件变形或破坏的载荷。
冲击载荷，是指在特别短的时刻内猛然作用的载荷，例如砰击。
8、结构设计的基本任务是：抉择合适的结构材料和结构型式，决定全部构件的尺寸和连接方式，在保证具有足够的强度和安全性等要求下，使结构具有最佳的技术经济性能。
9、船体结构设计，一般随全船设计过程分为三个时期，即初步设计、详细设计和生产设计。
10、结构设计应考虑：安全性、营运适合性、船舶的整体配合性、耐久性、工艺性、经济性。
11、大多数结构的优化设计都以最小重量（或最小体积）作为设计的目标。
然而，减小结构尺寸、降低结构重量，往往会增加建筑工作量，从而增加制造成本同时还会引起维护保养费用的增加。
船体局部强度计算书
带板（cm） 49.5 50.0
10、#12) 横梁
31.0
1840
36.80
(#15、#18) 纵桁 纵桁 纵桁 2.1.3 计算结果
35.5
1900
40.40
50.3 31.2 40.0
2650 1840 2510
57.44 36.96 49.20
程序输出结果见图 1，机舱甲板板架的计算应力见表 2－2。 表 2－2 构件名称 纵桁 横梁 由 表 2 － 2 可 知 ， 机 舱 甲 板 板 架 的 最 大 应 力 值 是 σ max = 机舱甲板板架的最大应力（N / mm2） 最大计算应力 许用应力 176.3 176.3 N mm 2 。 因 为
2 主船体强构件的强度校核
为了正确校核主船体强构件的承载能力， 计算模型简化为板架结构， 其中甲板板架由甲 板纵桁、 强横梁组成， 舷侧板架由舷侧纵桁和强肋骨组成， 机舱船底板板架由龙骨、 实肋板、 主机基座和辅机基座组成，船员舱船底板板架由船底龙骨和实肋板组成。计算应力均以 Von.Mises 应力输出。 2.1 机舱甲板板架
σ max < [σ ] = 176.3 N mm 2 ，所以主船体舷侧板架的尺寸满足局部强度要求。
3 上层建筑强构件的强度校核
对于本船的上层建筑各层甲板的直接计算采取分层分段建模。为了正确校核上层建筑强 构件的承载能力，甲板、侧壁和前端壁计算模型简化为空间梁系结构，后端壁计算模型简化 为板架结构。其中空间梁系由甲板纵桁、强横梁、侧壁竖桁、侧壁水平桁、前端壁竖桁和水 平桁组成。后端壁板架由后端壁竖桁和水平桁组成。计算应力均以 Von.Mises 应力输出。 3.1 顶篷甲板空间梁系 顶篷甲板空间梁系
船体结构局部强度计算书 表 2－3 构件名称 横梁 1（ 35、 37、
船舶强度与结构设计_多媒体课件_第一章
FBi − FAi
ε
ξi
FCi = FAi +
L
FBi − FAi
ε
(ξ 0 + xiψ )
⎫ ∫0 ⎪ ⎬ L ∫0 FC ( x) ⋅ xdx = V ⋅ xb ⎪ ⎭ FC ( x)dx = V
⎫ (ξ 0 + ψx)dx = V ∫0 FA ( x)dx + ∫0 ⎪ ⎪ ε ⎬ L L F ( x) − F ( x) x xb ⎪ x B A (ξ 0 + ψx)dx = V ∫0 FA ( x) L dx + ∫0 ε L L⎪ ⎭
△
ζ 平衡后波浪轴线位置 ζ ψ ζ
静水位置
△
△
Δb( x) = bω ( x) − bs ( x) = ρgΔF ( x)⎫ ⎬ ΔF ( x) = Fω ( x) − Fs ( x) ⎭
⎫ ⎪ o ⎬ x x x M ω ( x) = ∫ N ω ( x)dx = − ∫ ∫ Δb( x)dxdx⎪ 0 0 0 ⎭ N ω ( x) = − ∫ Δb( x)dx
1.2.1 浮态第1次近似计算
纵稳心半径R
'
ψ ψ
'
x g − xb ⎫ L d f1 = dm + ( − x f ) ⎪ R ⎪ 2 ⎬ x g − xb ⎪ L d a1 = d m − ( + x f ) R ⎪ 2 ⎭
⎫ W − Bi ≤ (0.1 ~ 0.5)% ⎪ W ⎪ ⎬ x g − xbi ≤ (0.05 ~ 0.1)%⎪ ⎪ L ⎭
对称的，零点在靠近船舯的某处，而在离 艏、艉端约船长的 1/4 处具有最大正值或负 值。
由于两端的剪力为零，即弯矩曲线在两端 的斜率为零，所以弯矩曲线在两端与纵坐 标轴相切。在计算过程中，常常利用这些 性质来检查计算结果是否正确。 修正：
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笔记(局部强度校核)
1.各货舱装货重量的计算公式:
Pi=Vchi/∑Vch*∑Q±调整值
式中:
Vchi-----第i舱的容积
∑Q-----航次载货总重量
2.根据实际吃水判断总纵弯矩变形:
δ=|dφm-dm|
dφm----船中处的平均吃水
dm-----首尾平均吃水
Lb p/1200≥δ(正常的拱垂变形范围)
δ= Lb p/800(极限拱垂变形值)
δ= Lb p/600(危险拱垂变形值)
3.局部强度的校核:
A.上甲板
Pd=9.81*Hc*γc=9.81 Hc/SF (kРа)
Hc---甲板设计堆货高度,重结构取1.5 m;轻结构取1.2 m
γc---舱内货物重量与货舱容积之比
SF—货物积载因数,等于该船的设计舱容系数
B.中间甲板和舱底
Pd=9.81*Hc*γc (kРа)
Pd----二层舱或底舱高度
当船上没有设计装载率γc的资料时,一般可取γc=0.72t∕m#,对满足规定的重货加强要求的船舶的舱底,可取γc=1.2t∕m#
C.根据具体的装载计划计算确定单位面积的实际负荷量Pd′和所有有集中载货限制的部位的拟装货物重量∑Р及该部分货位底部所跨过的骨材间距数目n..
Pd′=∑9.81 H′ci/SFi (kРа)
H′ci ----自上而下第i层货物之货堆高度
SFi-----该层货物的积载因数(m#∕t)
D.比较Pd′和Pd.若该部位有集中载货的要求,则还应比较该部位实际载货重量∑Р′和集中载货P与数值n的乘积.其中n为该货物底部所跨过的骨材数目.若Pd′≤Pd且∑Р′≤n P,则该部位局部结构的安全有保障.。