船舶结构强度直接计算分析中应力的选取
惯性释放在直接计算船体结构强度中的应用分析
惯性释放在直接计算船体结构强度中的应用分析作者：李冠华来源：《科学与信息化》2019年第12期摘要文章在阐述惯性释放内涵的基础上，以某大型海洋平台组块全船模型直接计算为例，在有限元分析模型的依托下就惯性释放在船体结构强度计算中的应用问题进行分析，旨在能够更好地确保船体的运行安全。
关键词船体结构；强度；惯性释放；计算应用航行中的船舶结构一般处于一种全自由的状态，变形状态十分复杂，且如果结构是弯曲的，需要在两端和轴周围地区增加类似简支的约束比较合理，但是结构如果是扭转变形，则是需要在端面的剪力周围采取措施进行约束处理。
但是自由航行的船舶不能够应用有限元静力方法进行分析，也无法为相关人员评估船舶的航行情况提供重要参考支持。
在船舶结构直接计算中，外载荷、货物压力、摇晃荷载、波浪弯矩、扭矩、剪力的计算都依赖相关经验公式，在具体计算操作中往往无法得到一个平衡的外载荷力系。
针对这个问题需要相关人员结合船体结构类型，应用一种不受约束限制的静力分析方法（惯性释放）来计算船体结构强度，进而为船舶的稳定运行提供重要支持。
1 惯性释放概述惯性释放概括的说是借助结构的惯性（质量）力来平衡外力，采用惯性释放功能进行静力分析时，需要对一个或多个节点进行6个自由度的约束（虚支座）。
从实际使用情况来看，惯性释放是MSC的一种高级选项设置，在具体使用的过程中能够模拟非约束系统静态响应操作。
在设计这道程序的时候需要在外力作用下对每一个节点进行加速度处理，之后将加速度之后的力量转变为一种惯性力量，施加到对应的节点上，打造一个平衡力学体系，之后通过应用相应的计算方法会获得描述点相对于支座来将运动的范围[1]。
在船体结构计算中引入惯性释放的方式能够在一定程度上减少支座、约束点反作用力对变形和应力基本形态的影响，并使得端面剪力被计算到相应的模型中，从而帮助相关人员更好的评估和分析船舶结构。
零部件的内部结构设计复杂，惯性释放以其直观的界面能够让人们更好地了解零部件的内部结构，具体操作表现如下：在应有惯性释放方法的时候能够充分明确SUPORT的位置，并在相应的参数中设置INREL-1；第二种方法比较适合应用在软件供应商，能够让MSC和NASTRAM自动旋转SUPORT的位置。
分析船体结构强度直接计算中惯性释放的应用
分析船体结构强度直接计算中惯性释放的应用2身份证号：32060219931016****3身份证号：12022219781102****摘要：为了探索船体结构强度计算的可行方法，针对强度直接计算中惯性释放的应用展开分析。
首先对惯性释放进行介绍，了解该计算方法用于船体结构强度直接计算的优势与注意要点。
其次分别从直接计算和惯性释放计算两个方面分析，掌握不同工况下运用惯性释放进行计算应注意的要点，保证船体结构稳定性，旨在提高船舶航行的安全性。
关键词：船体结构；强度；直接计算；惯性释放船舶航行时船体结构即为全自由状态，不仅变形状态具有复杂性，一旦结构弯曲，必须在两端、轴附近位置添加简支一类的约束。
若结构发生了扭转变形，要在端面剪力附近进行约束处理。
自由航行状态下的船舶无法采用有限元静力法，船舶航行状态评估也很难获得有价值的参考数据。
针对船体结构强度进行直接计算，把控外载荷、摇晃荷载、波浪弯矩等在内的各项参数均需要参考经验公式，实际在计算中也不能得到平衡外载荷力系，这就需要结合船体结构形式，采取惯性释放进行船体结构强度计算，该方法的优势可以免受约束限制进行静力分析。
一、惯性释放介绍惯性释放（MSC），属于NASTRAN、ANSYS领域的高级应用，支持完全无约束结构的静力分析处理。
在船舶结构强度直接计算中应用，可以针对有限元展开直接计算。
若结构作用存在自平衡力系，全自由结构及时处在不受约束的条件下也会有应力形成。
但是结构任意一点的约束，可得到反力为O[1]。
船体结构比较复杂，设计载荷计算法存在限制，加上计算数据产生的累计误差，得到绝对自平衡力系面临难度。
此时便可应用静、动力平衡法，搭建自平衡力系。
将假设为全部节点(，，，，，）分量组成节点外荷载向量，是全部节点接速度分量(，，，，，）构成节点的加速度向量，此时应用有限元法得到静动力平衡方程，如下：。
公式中的，属于质量矩阵。
解出该公式便可获得所有节点中为了达到平衡需要的节点加速度，并且获取节点惯性力，将其当作外力，并且添加到有限元单元节点，可搭建自平衡力系，一般在计算过程中无需过于关注是否施加边界条件，此方法即为惯性释放。
散货船结构强度直接计算分析指南
散货船结构强度直接计算分析指南下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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中国船级社 船舶强度直接计算指南
中国船级社船舶强度直接计算指南1.船舶强度计算是船级社评定船舶结构强度的重要依据。
The calculation of ship strength is an important basisfor the classification society to evaluate the structural strength of ships.2.船舶结构强度直接计算是基于船舶的结构特征和材料性能进行的计算。
Direct calculation of ship structural strength is based on the structural characteristics of the ship and the performance of materials.3.直接计算方法可以准确地评估船舶的强度和稳定性。
The direct calculation method can accurately evaluate the strength and stability of the ship.4.船舶强度直接计算需要考虑船舶在不同载荷和海况下的应力和变形情况。
stress and deformation of the ship under different loads and sea conditions.5.船舶强度直接计算主要包括静力计算和动力计算两种方法。
Ship strength direct calculation mainly includes two methods: static calculation and dynamic calculation.6.通过静力计算可以评估船舶在静止状态下的结构强度情况。
Static calculation can be used to evaluate the structural strength of the ship in a static state.7.动力计算则是评估船舶在航行和发生船舶运动时的强度情况。
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧陈有芳、章伟星中国船级社北京科研所船舶结构强度有限元计算分析中的技巧Skills of Ship Structural Strength Analysis By FEM陈有芳、章伟星（中国船级社北京科研所）摘要：在对船舶结构进行有限元计算分析和评估中，一般采用的是舱段板梁模型，不可避免要面临应力的选取问题。
对于弯曲板单元，有限元计算输出的应力包括上下表面的应力，我们在评估中一般采用中面应力作为工作应力，中面应力应该是上下表面应力的平均，如果在实际操作中采用上下表面应力的平均的方法来得到中面应力，将比较麻烦，也不直观。
本文对在船舶结构有限元分析评估中采用中面应力作为工作应力的原理、方法以及如何在MSC.Patran中如何得到中面应力的技巧做一介绍，供船舶结构分析工程师参考使用。
并做了一些测试和分析。
关键词：船舶结构有限元强度中面应力 MSC.PatranAbstract: In analyzing and evaluating of ship structures by FEM, a plate-beam FE model within holds is generally used and it is unavoidable to solve how to select the stress used. For bending plate, the output stresses include the stresses of up-surface and lower-surface, but in ship structure strength analysis, the mid-surface stress is used as applied stress in general. As we know, the mid-surface stress is the average value of up-surface stress and the lower-surface stress. It is discommodious to obtain the mid-surface stress by the up-surface stress and lower-surface stress in practice. The paper introduces the theory and method of using the mid-surface stress as the applying stress in ship structure strength analysis, and the skills about how to obtain the mid-surface stress in MSC/PATRAN. Some tests and analysis have also been carried in this paper.Keys:Ship Structure Finite Element Strength Mid-surface Stress MSC.patran1 概述一般来讲，对承受面外压力的板进行强度校核时，应对板的上下表面应力进行校核，相应的强度标准也是对应的上下表面应力，这些均应该建立在能对板的应力精确计算的基础上。
船舶维修中的船体结构与强度计算考核试卷
C.疲劳累积损伤模型
D.静力分析
18.在船体结构强度计算中，以下哪个因素对船体梁的弯曲影响较小？()
A.船体材料
B.船体截面
C.船舶长度
D.船舶宽度
19.以下哪个不是船体结构维修中常用的焊接方法？()
A.气体保护焊
B.银焊
C.钨极氩弧焊
D.碳弧气刨
20.在船体结构强度计算中，以下哪个因素与船舶的整体稳定性关系较小？()
答案：
标准答案
一、单项选择题
1. A
2. D
3. D
4. D
5. B
6. B
7. A
8. D
9. D
10. D
11. C
12. D
13. D
14. D
15. D
16. D
17. D
18. D
19. D
20. D
二、多选题
1. ABCD
2. AD
3. ABCD
4. ABC
5. ABC
6. ABC
7. ABC
A.欧拉屈曲公式
B.莫尔-库仑准则
C.最大应力准则
D.最大应变准则
6.在船体结构设计中，以下哪个概念用于描述船体在波浪中的弯曲？()
A.静水弯矩
B.动力弯矩
C.静力剪力
D.动力剪力
7.以下哪种材料在船舶维修中常用于增强船体结构？()
A.钢材
B.铝合金
C.玻璃钢
D.塑料
8.在船体结构强度计算中，以下哪个参数不是基本的设计参数？()
D.板屈曲
12.在船体结构维修中，以下哪种方法不适用于检测船体结构的缺陷？()
A.目视检测
B.超声波检测
船体梁剪应力计算公式
船体梁剪应力计算公式
船体梁剪应力是指作用在船体梁上的剪切力所引起的应力。
船体梁剪应力的计算公式可以用来评估船体梁的强度和稳定性，以确保船舶在航行过程中不会发生结构破坏。
船体梁剪应力计算公式可以根据船舶设计参数和船体梁的几何形状来确定。
一般而言，船体梁剪应力可以通过以下公式进行计算：
τ = V / (b * h)
其中，τ是船体梁的剪应力，V是作用在船体梁上的剪切力，b是船体梁的宽度，h是船体梁的高度。
船体梁剪应力的计算公式可以帮助船舶设计师评估船体梁的强度和稳定性。
通过计算船体梁剪应力，设计师可以确定船体梁是否能够承受在航行过程中产生的剪切力，从而确保船舶的结构安全。
船体梁剪应力的计算公式在船舶设计和结构分析中具有重要的作用。
通过合理地选择船体梁的几何形状和尺寸，设计师可以减小船体梁剪应力，提高船舶的结构强度和稳定性。
船体梁剪应力计算公式的应用可以帮助船舶设计师更好地评估船舶的结构强度和稳定性。
通过合理地选择船体梁的几何形状和尺寸，设计师可以减小船体梁剪应力，提高船舶的结构安全性。
船体梁剪应力计算公式是船舶设计和结构分析中的重要工具。
通过
合理地选择船体梁的几何形状和尺寸，设计师可以评估船体梁的强度和稳定性，并确保船舶在航行过程中不会发生结构破坏。
这项工作对于船舶的安全性和可靠性具有重要意义，是船舶设计师必须掌握的关键知识之一。
船舶纵向构件疲劳评估的热点应力方法
１ 热 点 应 力 的 计 算 方 法
１ １ 热点 应力 的定 义 ．
Ｏ一 一热点 应力 ， 由于 结 构 的非 连续 性 引 ＇ ｓ 指
起 的应 力 ， 不 考 虑 焊 接 的影 响 ， 但 可
热 点应 力 （ 称几 何应 力 ） 也 指结 构节 点几 何 突 变处 的应力 ， 点处 结构 的裂纹 最 可能发 生 ， 热 通常
ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ａ ｉ ｕ ｓ ｅ ｓ ｎ ｔ ｏ ｆ ｎ ｍｉ ａ ｔｅ ｓ ｓ ｉ ｕ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ＣＣＳ Ｇｕ ｄ ｌ ｅ ｏ ｔｕ ｔ ｒ ｌＦ — ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｆ ｔ ｅａ ｓ ｓ ｍｅ ｔｍｅ ｈ ｄ ｏ ｏ ｎ ｌｓ ｒ ｓ ｔ ｌ ｔ ｄ ｉ ｈ ｇ ｐ ｉ ｅ ｉ ｓ ｆ ｒ Ｓ ｒ ｃ ｕ ａ ａ ｎ ｔｇ ｅ Ｓ ｒ ｎ ｔ ｆＳ ｉ ｓ（ ０ １ ．Ｔｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｄ ｓ ｒｂ ｓ ｔ ｅ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｉ ｕ ｔｅ ｇ ｈ ｏ ｈ ｐ ２ ０ ） ｉ ａ ｅ ｅ ｃ ｉ ｅ ｈ ｒｎ ｉ ｌ ｆＦＥＡ ｏ ｅｉ ｇ，ｃ ｌ ｕ ａ ｉ ｇ ｍｅ ｈ ｄ ａ ｄ ｍ ｄｌ ｎ ａｃ ｌｔ ｔ ｏ ｎ ｎ
Ｉ 应力分布
至 至
本 文在《 指南 》 的基 础 上继续 充 实 了船 体 纵 向 构 件疲 劳强计 算 的热 点 应 力 方 法 ， 对 《 南 》 是 指 第 五章 内容 的细化 和补充 。
图 １ 焊 接 接 头应 力 分 布 示 意 图
图中： —— 名 义应 力 ， 按照 梁理 论 模 型或 有 限元
算方法和对应 的 Ｓ 曲线选取 的要求 。 Ｎ 关键词 ： 劳评估 ； 疲 热点应力 ； 纵向构件
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α 收稿日期: 2003 12 27 陈有芳: 男, 34 岁, 硕士, 高级工程师, 主要研究领域为船舶结构强度研究
第 2 期
陈有芳等: 船舶结构强度直接计算分析中应力的选取
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图 1 一典型集装箱船全船有限元模型
图 2 一典型散货船舱段有限元模型
1) 模型范围一般取在船中货舱区域的舱段 部分.
Ρe 289. 6 296. 4 298. 8 305. 3 289. 6 296. 4
Ρx - 326. 4 - 333. 6 - 336. 7 - 343. 8 - 326. 4 - 333. 6
Ρy - 100. 2 - 101. 8 - 102. 8 - 104. 4 - 100. 2 - 11+ Ρ2 ]. 文中将对船舶结构有限元分 析评估中采用中面应力作为工作应力的原理、方 法作分析与探讨, 供船舶结构分析人员参考使用.
1 船舶结构有限元模型
1. 1 大开口型船舶 对于大开口型船舶如集装箱船, 整船的扭转
刚度远低于常规型船舶, 相对其他船型而言, 大开 口船的扭转变形与翘曲应力的校核显得比较重 要. 对于此类船的弯扭组合总纵强度计算, 常采用 整船有限元分析作为规范设计的一种补充手 段[2 ].
船舶结构强度直接计算α 分析中应力的选取
陈有芳1) 徐 立2)
(哈尔滨工程大学1) 哈尔滨 150001) (中国船级社2) 北京 100006)
摘要: 在对船舶结构进行有限元直接计算分析和评估中, 一般采用舱段板梁模型, 不可避免地要面 临应力的选取问题. 对于弯曲板单元, 有限元计算输出的应力包括上下表面的应力, 是否选取上下 表面的应力作为强度评估的依据, 这与有限元网格和边界条件有关. 在船舶结构有限元分析评估 中一般采用中面应力作为工作应力, 它是上下表面应力的平均, 文中对在船舶结构有限元分析评 估中采用中面应力作为工作应力的原理、方法做了分析与探讨. 关键词: 船舶结构; 有限元; 强度; 中面应力; 边界条件 中图法分类号: U 661. 43
2) 船体结构有限元网格大小沿船体横向按 纵骨间距划分, 纵向按肋骨间距或参照纵骨间距 大小划分, 舷侧也参照该尺寸划分.
3) 一般来讲, 船体的各类板、壳结构, 强框 架、纵桁、平面舱壁的桁材、肋骨等的高腹板以及 槽型舱壁和壁凳用弯曲板壳单元模拟.
4) 对于承受水压力和货物压力的甲板、内外 壳板、内外底板、顶底边舱斜板上的纵骨、舱壁的 扶强材等用梁单元模拟, 并考虑偏心的影响. 目前这两种网格划分规则是各国船级社关于 船体结构强度直接计算所建议的原则, 其强度标 准也都是基于上述网格划分的规则而建立的. 根 据上述规定的建模准则, 船体板本身的弯曲应力 Ρ4 是不能计算出来的, 所以应采用板单元的中面 应力作为工作应力来校核船体结构强度, 而且单 元的中面应力比较稳定[5, 6 ].
第 28 卷 第 2 期 2004 年 4 月
武 汉 理 工 大 学 学 报 ( 交与通工科程学版) Jou rna l of W uhan U n iversity of T echno logy
(T ran spo rta tion Science & Engineering)
V o l. 28 N o. 2 A p r. 2004
2 应力测试
为了说明根据上述建模准则不能计算出来板
本身的弯曲应力 Ρ4, 文中采用两种网格模型和三 种载荷施加方式来分析研究. 2. 1 测试模型
模型采用如图 3 所示的加筋板, 板的尺寸: 17 200 mm ×17 200 mm , 纵横加强筋的间距为 860 mm , 粗 网 格 单 元 尺 寸 取 加 强 筋 的 间 距: 860 mm ×860 mm ; 细网格单元尺寸取加强筋的 间 距 的 1 4, 材 料: E = 210 000 N mm 2, Τ= 0. 33, ; 板厚22 mm ; 梁: 400×150×12. 边界采用 纵向两端简支.
3) 中面应力的稳定性 通过下述测试模型 来分析取中面应力具有一定的稳定性.
图 4 纵向加筋板模型
表 4 两种边界条件的结果比较
N mm 2
工况
类别
四
粗网格模型
周
中面应力 细网格模型
刚
粗网格模型 表面应力
固
细网格模型
四
粗网格模型
中面应力
周
细网格模型
简
粗网格模型 表面应力
支
细网格模型
Ρe
1 219. 0 1 173. 3 1 539. 2 1 353. 6
似为 44. 1 N mm 2.
上述分析表明, 根据上述网格划分原则, 即网
格大小按加强筋的间距划分, 是不能计算出板的
局部板弯曲应力的, 而其它的应力成分应该取中
面应力, 而对于工况 1 的粗细模型纵向应力 Ρx
(N mm 2) 的有限元结果如表 3 所列.
表 3 粗细模型 Ρx 结果
N mm 2
Ρx - 490. 4 - 498. 4 - 502. 5 - 510. 6 - 490. 4 - 498. 4
Ρy - 155. 9 - 158. 0 - 159. 2 - 161. 2 - 155. 9 - 158. 0
板本身的局部弯曲应力 Ρ4 而细网格能计算出的
结论.
该模型板的局部弯曲应力 Ρ4 理论计算值近
对于工作应力的选取与有限元模型的关系, 在传统的船体结构强度评估中, 往往将船体构件 按照其受力特点分为 4 类, 即总纵弯曲应力 Ρ1, 由 板架弯曲引起的应力 Ρ2, 由纵骨弯曲引起的应力 Ρ3, 以及由板的弯曲引起的应力 Ρ4. 在船舶结构强 度计算中, 由于 Ρ3, Ρ4 相对较小, 在各船级社的直 接计算体系中, 大部分只校核 Ρ1 ≤ [ Ρ1 ], Ρ2 ≤ [ Ρ2 ]
3. 89% 13. 71%
1 230. 8 1 168. 3 2 112. 5 1 617. 7
5. 35% 30. 59%
Ρx
- 1337. 1 - 1293. 7 - 1 702. 3 - 1516. 5
3. 35% 12. 25%
- 1 365. 8 - 1 306. 3 - 2 320. 4 - 1 843. 2
图 3 粗网格模型与细网格模型
·176·
武汉理工大学学报 (交通科学与工程版)
2004 年 第 28 卷
序号 1 2 3
节 点 号
粗网格 细网格 粗网格 细网格 粗网格 细网格
241 3 601 242 3 605 243 3 609
表 1 中面应力
N mm 2
工况 1 工况 2
0 引 言
国内外对于船舶结构直接计算的理论和方法 有很多, 目前常用的有三维板梁元模型、全船有限 元模型等. 由于船舶结构的复杂性和所受载荷的 不确定性, 所有的计算方法都是建立在相对假设 的基础上的, 即所谓的相对强度, 相应的强度标准 为相对强度标准, 不可避免存在应力的选取问题.
一般来讲, 对承受横向压力的板进行强度校 核时, 如果能够计算板格本身的弯曲应力, 则应对 板的上下表面应力进行校核, 相应的强度标准即 为对应的上下表面应力[1]. 如果所计算出的板格 应力仅能体现板的拉压能力, 譬如采用膜元来模 拟船体板, 则其计算应力仅为板的中面应力. 因此 在工程应用上, 所采用的工作应力和强度标准应 该根据所采用的强度理论和使用的有限元模型简 化程度来选取对应的应力.
模型
粗网格 细网格 粗细网格应力之差
最大中 面应力 - 336. 77 - 341. 97
7. 2
最大表 面应力 - 502. 42 - 541. 97 39. 55
板弯曲 应力 165. 65 200. 00 44. 35
采用如图 4 所示的纵向加筋板模型, 板的尺 寸: 34 400 mm ×34 400 mm , 纵向加强筋的间距 为 860 mm , 横向不设加强筋, 粗网格单元尺寸 860 mm ×860 mm , 细网格单元尺寸215 mm × 215 mm , 在整个平面加平均面压 0. 21 N mm 2. 边 界分别采用四周简支和四周刚固两种情况, 计算 结果见表 4 所列. 可以看出, 对于纵向加筋板在承受面压的作 用下, 其中面应力受网格大小的影响较小, 而表面 应力受网格大小的影响则很大, 也就是说, 中面应 力相对稳定.
4. 55% 25. 89%
Ρy
- 288. 5 - 299. 6 - 411. 9 - 430. 3
3. 7% 4. 28%
- 343. 8 - 362. 7 - 508. 7 - 581. 7
5. 21% 12. 55%
第 2 期
陈有芳等: 船舶结构强度直接计算分析中应力的选取
·177·
3 结 论
Ρe 289. 7 297. 5 298. 9 306. 5 289. 7 297. 5
Ρx - 326. 4 - 334. 6 - 336. 7 - 344. 9 - 326. 4 - 334. 6
Ρy - 100. 1 - 103. 8 - 102. 7 - 103. 8 - 100. 6 - 101. 2
Ρx - 490. 1 - 495. 6 - 502. 3 - 507. 8 - 490. 1 - 495. 7
Ρy - 155. 7 - 153. 6 - 159. 0 - 156. 9 - 155. 8 - 153. 6
Ρe 433. 9 441. 3 444. 8 452. 1 433. 9 441. 3
载荷工况: 工况 1 在整个平面上加平均面压, 压力大 小为 0. 21 N mm 2; 对于细网格, 板是受压的. 工况 2 在所有纵向梁上加均布线压, 压力 大小为 180. 6 N mm ; 对于细网格, 板不承受局部 载荷. 工况 3 在两端加弯矩, 弯矩大小为 6. 68× 108 N ·mm. 工况 1 和工况 2 在上述定义的粗网格模型中 计算的结果 (包括中面和上下表面应力) 应该相 当, 而在上述定义的细网格模型中计算的应力 (纵 向) 在中面处应该相当, 而在上下表面处应该相差 一个局部板弯曲的应力量级. 工况 3 是一个纯弯 曲的模型, 其在中面处的应力应该为 0. 2. 2 结果比较和分析 1) 节点的中面应力及表面应力比较 结果 见表 1, 表 2, 比较区域: 板中间四个粗网格大小区 域内粗、细网格同一位置对应节点. 从表 1, 表 2 可以看出, 对于这种纵横都布置 了均匀分布的梁的板格, 其对应网格点 (都分布在 梁元端) 的中面应力和表面应力由于网格划分的 粗细而引起的变化不大. 2) 单元的中面应力及表面应力分析比较 所选区域的单元应力却与网格划分的粗细有关, 且其差别验证了前面所述的粗网格不能计算