CN116956675A - 一种基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，S1、基于船体结构和分析对象分别建立不同的结构模型作为有限元模型；并将不同的有限元模型按照粗网格、细网格、体单元、梁单元或者弹簧单元进行划分。根据船体大总段建造搭载的多个关键阶段对应设定多个计算工况，以分别对多种所述计算工况进行有限元分析。根据不同结构类型对所述有限元模型的重量分布进行调整。在船舶轴系的有限元模型中设定多个测量点，针对多个所述测量点设定对应的约束条件。在模拟分析后，获取轴系结构中多个测量点的变形量，根据所述变形量确定建造计划。
Description
技术领域
本申请涉及船舶建造仿真技术领域，具体而言，涉及一种基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法。
背景技术
为了实现船舶的高效高质建造，减少码头建造周期，需在船坞内尽量确保管路系统、电气系统、通风系统等舾装系统的安装完整性。
首先，因受限于船坞大小，超大型集装箱船在半船起浮落墩前，船舶尾部无法完全搭载成型。同时，主机、轴系等产品设备对安装精度要求较高，因此轴系不能随半船起浮进行安装，需在半船起浮落墩后进行安装。
在半船起浮落墩后，舾装的安装时间较短，从而会影响舾装安装的完整性。综上所述，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其能够在半船起浮落墩前，获取到艉部搭载的仿真结果，并根据仿真结果指导半船起浮落墩后的建造。
本申请具体提供了一种基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，包括以下步骤：
S1、基于船体结构和分析对象分别建立不同的结构模型作为有限元模型；并将不同的有限元模型按照粗网格、细网格、体单元、梁单元或者弹簧单元进行划分；
S2、根据船体大总段建造搭载的多个关键阶段对应设定多个计算工况，以分别对多种所述计算工况进行有限元分析；
S3、根据不同结构类型对所述有限元模型的重量分布进行调整；
S4、在船舶轴系的有限元模型中设定多个测量点，针对多个所述测量点设定对应的约束条件；
S5、获取分析对象目标，并根据分析对象目标的需求，指定计算工况，选择重量调整后的相应分段进行模拟分析；在模拟分析后，获取轴系结构中多个测量点的变形量，根据所述变形量确定建造计划。
在一种可实施的方式中，所述船体结构至少包括：船体大总段、螺旋桨、艉轴和艉轴管铸钢件、主机轴管、坞墩和支撑杆；模型中还包括主要纵向构件和主要横向构件，以及贴附于船体板材结构上的骨材或筋。
在一种可实施的方式中，在步骤S1中，按照粗网格进行划分的范围为船舶艉部至船舶舯部起浮分界线的大总段；粗网格的单元尺寸为纵骨间距×肋骨间距；细网格的单元尺寸为50mm×50mm。
在一种可实施的方式中，在进行艉轴铸钢件的体单元模拟时，在所述体单元表面设置预定厚度的壳单元。
在一种可实施的方式中，在步骤S1中，还包括建立坞墩的结构模型；所述坞墩至少包括钢坞墩、木坞墩。
在一种可实施的方式中，在建立所述坞墩的结构模型时，将设于钢坞墩或者木坞墩上方的承重垫片通过一维弹簧单元进行模拟。
在一种可实施的方式中，在步骤S2中至少包括：第一计算工况、第二计算工况、第三计算工况以及第四计算工况。
在一种可实施的方式中，所述第一计算工况的分析对象为第一区域，所述第一区域包括艉轴区域以及船体主结构区域；所述第二计算工况的分析对象为：主机未吊装至艉部大总段内时的艉轴区域以及艉轴；所述第三计算工况的分析对象为除舵系以外的船体结构和设备；所述第四计算工况的分析对象为所有船体结构和设备。
在一种可实施的方式中，在步骤S4中，针对不同的有限元模型单元设置不同方式的多点约束。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
在本申请的技术方案中，能够在半船起浮落墩之前获取到：艉部搭载对船体结构、轴系、舵系等影响的分析信息，并根据分析信息指导半船起浮落墩后的建造，以在半船起浮落墩后针对性进行安装调整，大大缩短建造周期，利于推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法的流程图。
图2是本发明实施例的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法中，钢坞墩的结构示意图。
图3是本发明实施例的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法中，木坞墩的结构示意图。
图4是本发明实施例的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法中，艉部船体大总段建造搭载区域中组立区域示意图。
图5是本发明实施例的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法中，船舶轴系中多个测量点的布置示意图。
其中，附图标记说明如下：
1、螺旋桨；2、中间轴管；3、艉轴管；4、艉部结构；5、舵系；6、主机；7、艉轴区域；8、高分塑料子垫片；9、水泥墩；10、钢坞墩；11、木坞墩；12、木板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参见图1，本申请提供一种基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，包括以下步骤：
S1、基于船体结构和分析对象分别建立不同的结构模型作为有限元模型。并将不同的有限元模型按照粗网格、细网格、体单元、梁单元或者弹簧单元进行划分。
在一种可实施的方式中，船体结构包括：船体大总段、螺旋桨、艉轴和艉轴管铸钢件、主机轴管、坞墩和支撑杆等。并且，模型中需包括主要纵向构件和主要横向构件，以及贴附于船体板材结构上的骨材或筋。
需要说明的是，对主要纵向构件或者主要横向构件的强度有支撑、且边长接近于纵骨间距或肋距的肘板也需要建立有限元模型。
在一种可实施的方式中，按照粗网格进行划分的范围为船舶艉部至船舶舯部起浮分界线的大总段。粗网格的单元尺寸为纵骨间距×肋骨间距。细网格的单元尺寸为50mm×50mm。
在一种可实施的方式中，在建立板用壳的有限元模型时，板上的骨材或筋用梁单元模拟，有限元模型中还需体现梁的偏心设置。
在一种可实施的方式中，在建立铸钢件的有限元模型时，按照体单元进行模拟建模，需考虑所述体单元节点位移的有效传递，且在体单元表面需要附着一层极薄的壳单元。
具体的，在进行艉轴铸钢件的体单元模拟时，在体单元表面设置厚度为0.1mm的壳单元。本申请精确模拟了尾轴铸钢件、以及在其表面贴附极薄面单元用于节点位移的有效传递。
在一种可实施的方式中，在步骤S1中，还包括建立坞墩的结构模型。坞墩至少包括钢坞墩、木坞墩。在建立坞墩的结构模型时，将设于钢坞墩或者木坞墩上方的承重垫片通过一维弹簧单元进行模拟。
在变形敏感区域布置钢坞墩，如艉部轴管区域。如图2所示，钢坞墩上方为高分子塑料垫片，具备极强的承重能力，在钢坞墩下方为水泥墩，所述水泥墩坐落于地面。
在机舱往船艏外底平直区域布置木坞墩。如图3所示，木坞墩的下方为水泥墩，所述水泥墩坐落于地面，木坞墩上方为木板，具备较强承重能力和变形适应性。
S2、根据船体大总段建造搭载的多个关键阶段对应设定多个计算工况，以分别对多种所述计算工况进行有限元分析。
具体的，如图4和表1所示，根据船体大总段建造搭载的关键阶段分别设立第一计算工况、第二计算工况、第三计算工况以及第四计算工况。
第一计算工况的分析对象为第一区域，第一区域包括艉轴区域以及船体主结构区域。
第二计算工况的分析对象为：主机未吊装至艉部大总段内时的艉轴区域以及艉轴。
需要说明的是，第二计算工况中还包含艉轴铸钢件，不包含螺旋桨、中间轴管、艉轴管、艉部结构以及舵系。
第三计算工况的分析对象为除舵系以外的船体结构和设备。舵系结构包括舵杆和舵叶。
第四计算工况的分析对象为所有船体结构和设备。
表1超大型集装箱船的有限元分析工况表
S3、根据不同结构类型对所述有限元模型的重量分布进行调整。
具体的，主船体的结构包含板筋，采用纵向按肋位分段密度的方法进行重量调整。铸钢件结构采用整体密度方法进行重量调整。主机、螺旋桨、舵系等设备采用质量点的方式进行重量调整。
S4、在有限元模型中设定约束条件。采用多点约束(Multi Point Constraints，简称MPC)确定质量点、坞墩垫片和轴管的连接方式，能够更好的反应船、机、桨、舵一体化在坞墩布置上导致的艉轴管和中间轴管的管变形。
在步骤S4中，至少包括以下内容：
S41、在船舶轴系上设置多个测量点，至少包括：在艉轴管上设置多个计算点，在主机中间轴管上设置多个控制点。
需要说明的是，如图5所示，多个计算点至少包括计算点A1、计算点A2、计算点A3、计算点B1、计算点B2、计算点B3。其中，计算点A1、计算点A2、计算点A3为艉轴铸钢件后端、螺旋桨附件的点；计算点B1、计算点B2、计算点B3为艉轴铸钢件前端与冷却水舱前端壁附近的点。
多个控制点至少包括：控制点C、控制点D、控制点MB1、控制点MB8、控制点MB14。其中控制点C、控制点D为中间轴管的支撑点；控制点MB1、控制点MB8、控制点MB14为中间轴管在主机范围内的校准点。
S42、针对不同的有限元模型单元设置不同方式的多点约束。MPC的约束方式至少MPC RBE2和MPC REB3。
具体的，MPC RBE2适用于刚性较强对变形不敏感的有限元单元，如：质量点、艉轴管固连于艉轴的联接点、中间轴管固连于支座的联接点。MPC REB3适用于对变形敏感的有限元单元，如：艉轴管不固连于艉轴的多个计算点以及中间管不固连于支座的计算点。艉轴管不固连于艉轴的多个计算点包括：计算点A1、计算点A2、计算点A3、计算点B1、计算点B2、计算点B3。中间管不固连于支座的控制点包括控制点MB1、控制点MB8、控制点MB14。
S43、设置坞墩垫片弹簧单元的约束条件。
具体的，在进行坞墩垫片的弹簧刚度K的模拟时：
K＝E垫片·A垫片/h垫片
式中：
E为垫片的弹性模量；
A为垫片的面积；
h为垫片的高度。
钢坞墩和木坞墩下方的水泥墩固定于地面，使用6自由度约束于坞墩有限元细网格模型的底面节点上。
S5、获取分析对象目标，并根据分析对象目标的需求，指定计算工况，选择重量调整后的相应分段进行模拟分析。模拟分析后，获取船舶轴系中多个测量点的变形量，根据所述变形量确定建造计划，如针对建造时的改进措施，以精确控制船舶建造精度。
具体的，通过有限元分析获取不同建造搭载阶段的艉轴管上的多个计算点的位移：以及主机中间轴管上的多个控制点的位移。
综上所述，根据本申请提供的方法，可以在半船起浮落墩前，获取超大型集装箱船建造搭载过程中坞墩布置沉降量、轴管和艉轴变形、舵系纵向偏移量，提升集装箱船建造效率。在半船起浮落墩后针对性进行安装调整，确保建造搭载工法的精度可控，大大缩短建造周期，利于推广使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于船体结构和分析对象分别建立不同的结构模型作为有限元模型；并将不同的有限元模型按照粗网格、细网格、体单元、梁单元或者弹簧单元进行划分；
S2、根据船体大总段建造搭载的多个关键阶段对应设定多个计算工况，以分别对多种所述计算工况进行有限元分析；
S3、根据不同结构类型对所述有限元模型的重量分布进行调整；
S4、在船舶轴系的有限元模型中设定多个测量点，针对多个所述测量点设定对应的约束条件；
S5、获取分析对象目标，并根据分析对象目标的需求，指定计算工况，选择重量调整后的相应分段进行模拟分析；在模拟分析后，获取轴系结构中多个测量点的变形量，根据所述变形量确定建造计划。
2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其特征在于，所述船体结构至少包括：船体大总段、螺旋桨、艉轴和艉轴管铸钢件、主机轴管、坞墩和支撑杆；模型中还包括主要纵向构件和主要横向构件，以及贴附于船体板材结构上的骨材或筋。
3.根据权利要求2所述的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其特征在于，在步骤S1中，按照粗网格进行划分的范围为船舶艉部至船舶舯部起浮分界线的大总段；
粗网格的单元尺寸为纵骨间距×肋骨间距；
细网格的单元尺寸为50mm×50mm。
4.根据权利要求3所述的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其特征在于，在进行艉轴铸钢件的体单元模拟时，在所述体单元表面设置预定厚度的壳单元。
5.根据权利要求1所述的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其特征在于，在步骤S1中，还包括建立坞墩的结构模型；所述坞墩至少包括钢坞墩、木坞墩。
6.根据权利要求5所述的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其特征在于，在建立所述坞墩的结构模型时，将设于钢坞墩或者木坞墩上方的承重垫片通过一维弹簧单元进行模拟。
7.根据权利要求1所述的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其特征在于，在步骤S2中至少包括：第一计算工况、第二计算工况、第三计算工况以及第四计算工况。
8.根据权利要求7所述的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其特征在于，所述第一计算工况的分析对象为第一区域，所述第一区域包括艉轴区域以及船体主结构区域；所述第二计算工况的分析对象为：主机未吊装至艉部大总段内时的艉轴区域以及艉轴；所述第三计算工况的分析对象为除舵系以外的船体结构和设备；所述第四计算工况的分析对象为所有船体结构和设备。
9.根据权利要求8所述的基于有限元分析的超大型集装箱船的建造方法，其特征在于，在步骤S4中，针对不同的有限元模型单元设置不同方式的多点约束。
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