CN111241727B - 一种利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法，属于船舶结构设计领域。假设豪华邮轮上层建筑和主船体为精密相连的两条梁，认为上层建筑与主船体绕各自形心受弯转动，由此提出了一种利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的“双平面”方法，与豪华邮轮的整船极限强度有限元计算结果对比表明该方法具有较高的精度和效率。
Description
技术领域
本发明基于船舶有限元分析的理论，涉及船舶极限状态分析领域，尤其涉及利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度的确定方法。
背景技术
豪华邮轮极限强度与剩余强度要求应高于货船。豪华邮轮的上层建筑高而长，且有大量开口和薄弱层，导致上层建筑与主船体的弯曲变形不一致，上层建筑结构部分参与总纵强度，船体横剖面不符合平截面假定，至今没有很好的极限强度评估方法。
ISSC在第16届会议上，对一艘理想的巴拿马客船的极限强度计算进行了讨论研究，分别对比了一跨模型使用Smith方法和ISUM进行分析以及整船模型使用3D有限元软件LS-DYNA通过逐步破坏法来计算船体梁的极限强度。结果表明，经典的基于平截面假设的一跨有限元模型并不适用于带有上层建筑的豪华邮轮极限强度计算；全船的有限元分析被认为是对船体整体结构反应的充分评估，但该方法建模的工作量很大，计算量是一般工作站都无法承担。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法。本发明为了揭示船体变形特征，首先进行了一艘理想的巴拿马客船的整船有限元分析，发现船舯位置处上层建筑与主船体以双平截面的方式变形，因此假设豪华邮轮上层建筑和主船体为精密相连的两条梁，认为上层建筑与主船体绕各自形心受弯转动，由此提出了一种利用的单跨有限元模型计算豪华邮轮极限强度的方法。算例表明，本方法具有较高的精度和效率。
为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案：
一种利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法，包括以下步骤：
步骤S1，建立豪华邮轮横剖面极限强度计算的单跨有限元模型；
步骤S2，完全约束模型的一个端面；
步骤S3，分别取上层建筑(包括转换层)、主船体同端面上结点与其形心作刚体耦合；
步骤S4，将上层建筑和主船体各自形心与整个截面形心通过MPC绑定；
步骤S5，整个截面形心上施加弯矩或角位移；
步骤S6，进行非线性有限元计算，输出船体梁极限强度
进一步，所述步骤S3中，分别取上层建筑(包括转换层)、主船体同端面上结点与其形心参考点RP1、RP2作刚体耦合，将上层建筑与主船体分为两个刚体平面。
再进一步，所述步骤S4中，将上层建筑和主船体各自形心参考点RP1、RP2与整个截面形心参考点RP3通过MPC绑定，以达到两个平截面转角相等的目的。
更进一步，所述步骤S5中，在整个截面形心参考点RP3上施加弯矩或角位移，软件根据两个平面刚度自动分配弯矩M1、M2，且由于参考点RP1、RP2与RP3的关联，在上层建筑与主船体中产生一对轴力，满足变形连续条件。
本发明的有益效果表现在：将本发明假设上层建筑与主船体绕各自形心受弯转动，利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算，采用双平截面方法分别进行中拱和中垂两种载荷工况的运算，计算结果如附表1所示，表1为船舯截面极限弯矩对比。
表1
结果表明改进后使用双平截面计算结果略小于ISSC结果，相对于经典单跨平截面方法在中拱时误差相近，对于最关心的上层建筑中垂状态具有较高的精度，计算结果偏于保守安全，且变形与整船模型更加吻合。
本发明计算结果相对稳定准确，前处理简单，计算运行耗时不到1个小时，效率大幅提高，具有良好的实用价值。
附图说明
图1为简化受力示意图(中垂)；
图2为双平截面模拟耦合方法，其中，(a)为双平截面约束及载荷示意图，(b)为上建与形心耦合，(c)为主船体与形心耦合，(d)为两个形心点MPC绑定；
图3为变形云图及转角弯矩曲线，其中，(a)为中拱变形云图及转角-弯矩曲线，(b)为中垂变形云图及转角-弯矩曲线；
图4为船体梁垂向弯矩-转角曲线。
图5为利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1～图5，一种利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法，包括以下步骤：
步骤S1，建立豪华邮轮横剖面极限强度计算的单跨有限元模型；
步骤S2，完全约束模型的一个端面；
步骤S3，分别取上层建筑(包括转换层)、主船体同端面上结点与其形心作刚体耦合；
步骤S4，将上层建筑和主船体各自形心与整个截面形心通过MPC绑定；
步骤S5，整个截面形心上施加弯矩或角位移；
步骤S6，进行非线性有限元计算，输出船体梁极限强度
进一步，所述步骤S3中，分别取上层建筑(包括转换层)、主船体同端面上结点与其形心参考点RP1、RP2作刚体耦合，将上层建筑与主船体分为两个刚体平面。
再进一步，所述步骤S4中，将上层建筑和主船体各自形心参考点RP1、RP2与整个截面形心参考点RP3通过MPC绑定，以达到两个平截面转角相等的目的。
更进一步，所述步骤S5中，在整个截面形心参考点RP3上施加弯矩或角位移，软件根据两个平面刚度自动分配弯矩M1、M2，且由于参考点RP1、RP2与RP3的关联，在上层建筑与主船体中产生一对轴力，满足变形连续条件。
本实施例中，假设豪华邮轮上层建筑和主船体为精密相连的两条梁，认为上层建筑与主船体绕各自形心受弯转动，提出了一种利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法。按照双梁受力形式给上层建筑与主船体施加载荷，使其变形状态呈现“双平截面”，主船体和上层建筑分别受到弯矩M1、M2和大小相等方向相反的轴向力N1、N2的作用，q(x)为主船体和上层建筑相交处由此产生的水平剪力(如附图1)。
实船具体的计算过程：
步骤S1，建立豪华邮轮横剖面细化的单跨有限元模型，
1.1)单跨模型的纵向范围取1个横向强框架间距，横向范围取整个船宽，垂向范围取整个剖面，包括主船体和上层建筑。
1.2)单跨模型应取1个横向强框架之间的所有纵向连续构件、肋骨以及局部加强筋。
1.3)板和主要支撑构件应采用4节点壳单元。加强筋一般采用4节点壳单元，但对于加强筋的翼板和主要支撑构件腹板上的加强筋，可采用梁单元。
1.4)采用钢材的双线性材料曲线.
1.5)添加初始几何缺陷，变形公式如下：
1.5.1)板的局部变形Wp0：
1.5.2)支撑构件间加筋板的整体变形Ws0：
1.5.3)加强筋侧倾变形WT0：
其中，A0＝s/200，B0＝l/1000，C0＝l/1000，S为加筋板宽，l为加筋板长，s为加强筋间距，m＝l/s，hw为腹板高度，x′，y′，z′为板格局部坐标系。
步骤S2，约束模型一个端面上所有节点x、y、z三个方向的线位移和转角，同单平截面模型，即δx＝δy＝δz＝0；θx＝θy＝θz＝0，同单平截面模型，如附图2中(a)所示。
步骤S3，分别取上层建筑(包括转换层)、主船体同端面上结点与其形心参考点RP1、RP2作刚体耦合，将上层建筑与主船体分为两个刚体平面，如附图2中(b)、2中(c)所示。
步骤S4，将上层建筑和主船体各自形心参考点RP1、RP2与整个截面形心参考点RP3通过MPC绑定，以达到两个平截面转角相等的目的，如附图2中(d)所示。
步骤S5，在整个截面形心参考点RP3上施加弯矩或角位移，软件根据两个平面刚度自动分配弯矩M1、M2，且由于参考点RP1、RP2与RP3的关联，在上层建筑与主船体中产生一对轴力，满足变形连续条件。
步骤S6，进行非线性有限元计算，输出船体梁极限强度。
豪华邮轮船体梁的极限强度系指船体梁垂向弯矩与转角θ曲线的极值MUH(中拱)和MUS(中垂)，见附图4。
Claims (4)
1.一种利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1，建立豪华邮轮横剖面极限强度计算的单跨有限元模型；
1.1)单跨模型的纵向范围取1个横向强框架间距，横向范围取整个船宽，垂向范围取整个剖面，包括主船体和上层建筑；
1.2)单跨模型应取1个横向强框架之间的所有纵向连续构件、肋骨以及局部加强筋；
1.3)板和主要支撑构件采用4节点壳单元，加强筋采用4节点壳单元，但对于加强筋的翼板和主要支撑构件腹板上的加强筋，采用梁单元；
1.4)采用钢材的双线性材料曲线；
1.5)添加初始几何缺陷，变形公式如下：
1.5.1)板的局部变形Wp0：
1.5.2)支撑构件间加筋板的整体变形Ws0：
1.5.3)加强筋侧倾变形WT0：
其中，A0＝s/200，B0＝l/1000，C0＝l/1000，S为加筋板宽，l为加筋板长，s为加强筋间距，m＝l/s，hw为腹板高度，x′，y′，z′为板格局部坐标系；
步骤S2，约束模型一个端面上所有节点x、y、z三个方向的线位移和转角，同单平截面模型，即δx＝δy＝δz＝0；θx＝θy＝θz＝0，同单平截面模型；
步骤S3，分别取上层建筑、主船体同端面上结点与其形心作刚体耦合；
步骤S4，将上层建筑和主船体各自形心与整个截面形心通过MPC绑定；
步骤S5，整个截面形心上施加弯矩或角位移；
步骤S6，进行非线性有限元计算，输出船体梁极限强度。
2.如权利要求1所述的利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法，其特征在于，所述步骤S3中，分别取上层建筑和主船体同端面上结点与其形心参考点RP1、RP2作刚体耦合，将上层建筑与主船体分为两个刚体平面。
3.如权利要求1或2所述的利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法，其特征在于，所述步骤S4中，将上层建筑和主船体各自形心参考点RP1、RP2与整个截面形心参考点RP3通过MPC绑定，以达到两个平截面转角相等的目的。
4.如权利要求1或2所述的利用单跨有限元模型进行豪华邮轮极限强度计算的方法，其特征在于，所述步骤S5中，在参考点RP3上施加弯矩或角位移，软件根据两个平面刚度自动分配弯矩M1、M2，且由于参考点RP1、RP2与RP3的关联，在上层建筑与主船体中产生一对轴力，满足变形连续条件。
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