CN108416143B - 一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，包括：步骤一、针对小水线面双体船的船体结构特点，建立适用于弯扭联合极限强度计算的全船三维有限元模型，合理简化不同部位的结构构件；步骤二、定义船体材料非线性属性；步骤三、定义弯扭联合极限强度计算边界条件；步骤四、加载弯扭联合极限强度于全船三维有限元模型并计算载荷。本发明提供了一种计算小水线面双体船在弯扭联合作用下的极限强度计算的方法。

Description

一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法
技术领域
本发明涉及于船舶结构工程的技术领域，尤其涉及小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法的技术领域。
背景技术
小水线面双体船一般包括下潜体、支柱体、承台、连接桥和上层建筑五大部分。小水线面双体船是典型的短宽船型，双片体、宽甲板结构，此船型的船体结构形式、波浪水动力响应及船舶受力状态均较常规单体船复杂，致使其结构强度问题迥异于单体船。对于常规单体船而言，其结构强度问题主要是指总纵强度，波浪引起的纵向载荷(弯矩、剪力)是进行总纵强度计算和设计的依据。而对于小水线面双体船来说，其横向强度是需要首先研究的问题，这是因为片体形状窄长、而侧向面积又相对较大，故横向波浪诱导载荷(横向弯矩、水平剪力)较大。另外，小水线面双体船在斜浪中一侧片体出水时，会引起较大的纵向扭矩，因此小水线面双体船会受到横弯和扭转载荷的共同作用。为保证船舶和船上人员的安全性，需要准确预报小水线面双体船在弯扭联合作用下的极限强度。
目前常规单体船纵向弯曲极限强度预报方法中常用的一步法、SMITH法和理想单元法从方法自身的计算理论上无法准确考虑小水线面双体船型的复杂结构和受力情况，无法预报小水线面双体船在弯扭联合作用下的极限强度。非线性有限元法可以方便地考虑材料非线性和几何非线性的影响，是一种适应性好、计算精度较高的数值分析方法，从该方法的计算理论上可以进行小水线面双体船在弯扭联合作用下的极限强度计算。但是目前国内外小水线面双体船数量不多，现有设计规范及文献资料中均无小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的是提供一种基于非线性有限元法的小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，并对
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其中，包括：
步骤一、针对小水线面双体船的船体结构特点，建立适用于弯扭联合极限强度计算的全船三维有限元模型，合理简化不同部位的结构构件；
步骤二、定义船体材料非线性属性；
步骤三、定义弯扭联合极限强度计算边界条件；
步骤四、加载弯扭联合极限强度于全船三维有限元模型，并计算载荷。
上述一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其中，步骤一的全船三维有限元模型包含整个小水线面双体船的船体结构，并对载荷施加处及边界条件施加处的结构进行加强；
上述一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其中，全船三维有限元模型采用板壳单元和梁单元模拟；外板、甲板、平台、舱壁及强框架、桁材和强肋骨等的高腹板采用四节点的板壳单元模拟；普通扶强材、纵桁面板、加强筋、纵骨采用梁单元模拟，并且考虑偏心影响；单元尺寸的划分可按照一个纵骨或一个肋位间距的小者进行划分；横向强框架、桁材腹板、肋板的腹板在高度方向上划分不少于3个单元；舷台与支柱体连接处、主船体1/4L、3/4L处的外板、纵向舱壁及其相连部位单元加密，单元尺寸按横梁、纵骨等构件间3-4个单元进行划分，并与未加密部分单元均匀过渡；板壳单元的长宽比小于3以内，并且板壳单元设置应尽量接近于正方形。
上述一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其中，步骤二中定义船体材料的应力-应变本构关系；船体材料的应力-应变关系通过材料拉伸试验直接测得；若无试验数据，假定船体材料的本构关系为理想塑性，即船体材料达成屈服应力σy后，切线模量Et＝0，屈服准则遵守Von-Mises屈服准则及相关的流动法则。
上述一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其中，所述步骤三为全船三维有限元模型建立坐标系，坐标系取右手坐标系，X轴沿船长方向，向首为正；Y轴沿船宽方向，沿中纵剖面向左为正；Z轴沿型深方向，向上为正；并且主甲板与舯横剖面相交两舷端点，其中一点约束三向位移，另一点约束横向、垂向位移；湿甲板与舯横剖面、中纵剖面相交点约束纵向位移。
上述一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其中，所述步骤四在建立的所述全船三维有限元模型上施加横向弯曲载荷和纵向扭转载荷；沿所述全船三维有限元模型的船长方向，在两下潜体外壳上施加三角形分布横向对开力载荷，并对所述三角形分布横向对开力载荷施加部分的结构进行适当加强；横向弯曲载荷和纵向扭转载荷应保持同步增大至结构崩溃，并得到小水线面双体船弯扭联合极限强度。
用以上技术方案，能够达到如下有益效果：
1、本发明提供了一种计算小水线面双体船在弯扭联合作用下的极限强度计算的方法。
附图说明
图1是本发明的一种小水线面双体船的横剖面示意图；
图2是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算边界条件、显示边界条件选取点的位置的示意图；
图3是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法的向外横向载荷施加位置的示意图；
图4是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法的向内横向载荷施加位置的示意图；
图5是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法的三角形分布横向载荷示意图；
图6是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法的纵向扭转载荷施加和纵向扭转载荷的等效载荷形式的示意图。
附图中：3、甲板；31、主甲板；32、湿甲板；4、连接桥；5、舷台；6、支柱体；7、下潜体；8、上层建筑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
图1是本发明的一种小水线面双体船的横剖面示意图；图2是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算边界条件；图3是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法的横向载荷施加向外的示意图；图4是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法的横向载荷施加向内的示意图；图5是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法的三角形分布横向载荷示意图；图6是本发明的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法的纵向扭转载荷施加示意图。
请参见图1至6所示，在一种较佳的实施例中，一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其特征在于，包括：
步骤一、针对小水线面双体船的船体结构特点，建立适用于弯扭联合极限强度计算的全船三维有限元模型，合理简化不同部位的结构构件。
步骤二、定义船体材料非线性属性。
步骤三、定义弯扭联合极限强度计算边界条件。
步骤四、加载弯扭联合极限强度计算载荷进行计算。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。
进一步，在一种较佳实施例中，步骤一中针对小水线面双体船船型特点和弯扭联合载荷作用特征，采用全船三维有限元模型，采用全船三维有限元模型，应包含整个船体结构，如船体外板、纵/横舱壁、甲板3、连接桥4、舷台5、支柱体6、下潜体7和上层建筑8等结构，如图1所示，但需对载荷施加处及边界条件施加处的结构进行加强。
进一步，在一种较佳实施例中，步骤一中的全船三维有限元模型可采用板壳单元和梁单元模拟。外板、甲板3、平台、舱壁及强框架、桁材和强肋骨等的高腹板采用四节点的板壳单元模拟；对于尺寸较小的普通扶强材、纵桁面板、加强筋、纵骨等，可用梁单元模拟，并考虑偏心的影响。单元尺寸上，可按一个纵骨或一个肋位间距的小者划分，横向强框架、桁材腹板、肋板等的腹板在高度方向上划分不少于三单元。板壳单元的长宽比应控制在三以内，且应尽量接近正方形，尽可能避免使用三角形单元。主要构件上的减轻孔、人孔等小开孔可采用等效板厚的板单元方法模拟替代。
进一步，在一种较佳实施例中，在步骤一中，在舷台5与支柱体6连接处附近、主船体1/4L、3/4L处的外板、纵向舱壁及其相连部位应将单元加密，并尽量采用板壳单元模拟，横梁、纵骨等构件间至少划分3-4个单元。应使单元均匀过渡，保证过渡单元质量。
进一步，在一种较佳实施例中，步骤二中定义船体材料的应力-应变本构关系；船体材料的应力-应变关系通过材料拉伸试验直接测得；若无试验数据，假定船体材料的本构关系为理想塑性，即船体材料达成屈服应力σy后，切线模量Et＝0，屈服准则遵守Von-Mises屈服准则及相关的流动法则。
进一步，在一种较佳实施例中，步骤三为全船三维有限元模型建立坐标系,坐标系取右手坐标系，X轴沿船长方向，向首为正；Y轴沿船宽方向，沿中纵剖面向左为正；Z轴沿型深方向，向上为正；并且主甲板31与舯横剖面相交两舷端点(A点和B点)，其中一点约束三向位移，另一点约束横向、垂向位移；湿甲板32与舯横剖面、中纵剖面相交点(C点)约束纵向位移。在建立的全船有限元模型上，定义弯扭联合极限强度计算边界条件，如图2所示。
进一步，在一种较佳实施例中，步骤四在建立的全船三维有限元模型上施加横向弯曲载荷和纵向扭转载荷Mp，如图6所示。
进一步，在一种较佳实施例中，沿全船三维有限元模型的船长方向，在两下潜体7外壳上施加三角形分布横向对开力载荷，并对三角形分布横向对开力载荷施加部分的结构进行适当加强；横向弯曲载荷和纵向扭转载荷应保持同步增大至结构崩溃，并得到小水线面双体船弯扭联合极限强度。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其特征在于，包括：
步骤一、针对小水线面双体船的船体结构特点，建立适用于弯扭联合极限强度计算的全船三维有限元模型，简化不同部位的结构构件；
步骤二、定义船体材料使所述船体材料具有非线性属性；
步骤三、定义弯扭联合极限强度计算边界条件；
步骤四、加载弯扭联合极限强度计算载荷进行计算；
所述步骤一的所述全船三维有限元模型包含整个所述小水线面双体船的船体结构，并对载荷施加处及边界条件施加处的船体结构进行加强；
所述步骤三为所述全船三维有限元模型建立坐标系，所述坐标系取右手坐标系，X轴沿船长方向，向首为正；Y轴沿船宽方向，沿中纵剖面向左为正；Z轴沿型深方向，向上为正；并且主甲板与舯横剖面相交两个舷端点，其中一个舷端点约束横向、垂向、纵向位移，另一个舷端点约束横向、垂向位移；湿甲板与舯横剖面、中纵剖面相交点约束纵向位移；
所述步骤四在建立的所述全船三维有限元模型上施加横向弯曲载荷和纵向扭转载荷；沿所述全船三维有限元模型的船长方向，在两下潜体外壳上施加三角形分布横向对开力载荷，并对所述三角形分布横向对开力载荷施加部分的结构进行加强；横向弯曲载荷和纵向扭转载荷应保持同步增大至全船三维有限元模型的结构崩溃，并得到小水线面双体船弯扭联合极限强度。
2.根据权利要求1所述一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其特征在于，所述全船三维有限元模型采用板壳单元和梁单元模拟；
外板、甲板、平台、舱壁、强框架、桁材的高腹板和强肋骨的高腹板采用四节点的板壳单元模拟；
普通扶强材、纵桁面板、加强筋、纵骨采用梁单元模拟，并且考虑偏心影响；
其中，所述外板、所述甲板、所述平台、所述舱壁、所述强框架、所述桁材的高腹板和所述强肋骨的高腹板、所述普通扶强材、所述纵桁面板、所述加强筋、所述纵骨的单元尺寸的划分按照一个纵骨或一个肋位间距的小者进行划分；其中，横向强框架、桁材的腹板、肋板的腹板在高度方向上的划分不少于3个单元；
舷台与支柱体连接处、主船体1/4船长处的外板、主船体3/4船长处的外板、纵向舱壁进行单元加密；
其中，所述舷台与支柱体连接处、所述主船体1/4船长处的外板、所述主船体3/4船长处的外板、所述纵向舱壁的单元尺寸按横梁、纵骨构件间3-4个单元进行划分，并与未加密部分单元均匀过渡；
所述板壳单元的长宽比小于等于3。
3.根据权利要求1所述一种小水线面双体船弯扭联合极限强度计算方法，其特征在于，所述步骤二中定义船体材料的应力-应变本构关系；所述船体材料的应力-应变本构关系通过材料拉伸试验直接测得；若无试验数据，则假定所述船体材料的应力-应变本构关系为理想塑性，即所述船体材料达成屈服应力
Figure DEST_PATH_IMAGE002
后，切线模量
Figure DEST_PATH_IMAGE004
=0，屈服准则遵守冯-米塞斯屈服准则。
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