CN117454501A - 一种考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，采用基于简化有限元模型的应力折减因子kx的计算方法，通过舍弃难以计算和验证的参数：面积折减因子η，在应力折减因子kx的基础上，引入针对主船体应力的系数kh，根据应力折减因子和主船体系数计算整个剖面各个位置应力，使得计算结果更加准确，同时在考虑上层建筑有效度的应力折减因子的kx的基础上，采用基于简化有限元模型的估算方法。本发明的方法由于应力折减因子kx不采用各类经验公式或者理想模型推导的理论公式进行估算，而是针对具体船型结构特点，建立简化有限元模型进行计算，结果更能针对不同船型的结构特点，结果更加精确。

Description

一种考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法
技术领域
本发明涉及一种船体结构剖面校核技术领域，特别是一种针对于长上层建筑船舶的船体结构剖面校核方法。
背景技术
船舶中上层建筑和主船体的关系如图1所示，上层建筑作为主船体上的附属结构存在，一般船舶上基本都设置上层建筑。一般认为对于短上层建筑(又或者叫轻型上层建筑)，认为其不参与总纵强度，在船体剖面校核中不予考虑，但是对于长层建筑(又或者叫强力上层建筑)来说，由于其本身相对于主船体的长度较长，且与主船体接触区域较多且紧密，因此一般认为其和主船体一样参与总纵强度，在船体剖面校核中应予以考虑。
虽然长上层建筑一般都认为其参与总强度，但是由于上层建筑和主船体之间存在的结构不连续以及上层建筑相对于主船体刚度较低等因素的影响，导致实际承受总纵载荷时二者出现变形不协调的现象，对于剖面校核的直观表现就是上层建筑确实参与了总纵强度，但没有完全参与。这种上层建筑没有完全参与总纵强度的现象，船体结构领域一般用上层建筑有效度(又或者简称为上建有效度)来描述。
上层建筑有效度是船体结构领域用来描述上层建筑参与总纵强度程度，在值在0-100％之间，0表示上层建筑完全不参与总纵强度，100％表示上层建筑完全参与总纵强度。
如图2表示的上层建筑的有效度对剖面校核中应力的影响，可以知道，上层建筑的有效度越高，意味着上层建筑本身需要承担更多的总纵载荷，即上层建筑本身应力越高；而对于主船体，上层建筑的有效度越高，由于上层建筑分担的载荷越多，主船体的应力(一般主要关注上甲板)应力是越低的。相反，上层建筑有效度越低，上层建筑本身的应力会变小而主船体的应力则会变高。
目前常规描述上层建筑有效度一般有两个参数：应力折减系数kx和面积折减系数η。
应力折减系数是从上层建筑的应力本身出发，表示为上层建筑实际收到的应力和假定上层建筑100％参与总强度时的应力的比值，根据上图即可表示为：
面积折减系数是从上层建筑对主船体的影响角度出发，将上层建筑的有效度表示为上层建筑实际参与总强度的剖面面积(即板厚)和其实际的板厚的比值，即认为由于上层建筑没有完全参与总强度，则计算剖面属性时不能按实际板厚计入，应当进行相应的折减，表示公式为：
其中，A1表示根据上层建筑参与总强度的程度折算的上层建筑剖面面积，Aact表示上层建筑施加的剖面面积。
在设计初期阶段，应力折减系数kx和面积折减系数η都可知通过简化公式进行估算得到，特别是应力折减系数kx，目前不管是简化有限元法还是斯曼斯基方法，得到的结果与真实值的差异都较为接近，但是面积折减系数η本身就是一个表述性质的参数，实际校核中哪怕已经进入设计阶段后期有了精确的应力结果的情况下也是无法准确获得的参数。
上层建筑有效度的应用是为了在剖面校核中准确计算出各层甲板的真实应力，即σ1和σ4，上述两个定义也是分别针对此两个参数。
目前在剖面校核中如何使用此两个参数进行剖面校核，方法如下：
传统的考虑上层建筑有效度的计算方法的基本原理如图3所示，基本步骤都是分为以下几步：
(1)估算面积折减系数η；
(2)根据面积折减系数η计算出新的理想应力分布曲线(即上图中的传统方法线，即σ6和σ7所在的直线)；
(3)主船体的应力值直接采用该曲线上对应甲板的值，如主船体上甲板的应力值即为σ6；
(4)上层建筑应力为该曲线上对应甲板的值，再乘以一个系数w，如上层建筑中的应力值σ5，其计算方法为σ5＝wσ7；
目前不同规范和专利的计算流程都是一致的，即上述的4步，不同点在于η以及w等参数的计算方法，下面列举当前的集中考虑上层建筑有效度的船体剖面校核流程。
英国劳式船级社规范，其考虑上层建筑有效度的船体剖面校核流程如下(由于流程基本一致，因此还是用上图的流程)：
(1)采用如下的估算公式计算面积折减系数η：
η＝7((ε-5)γ4+94(5-ε)γ3+2800(ε-5.8)γ2+27660(9-ε)γ)f(λ,N)×10-7
(2)根据面积折减系数η计算出新的理想应力分布曲线(即上图中的传统方法线，即σ6和σ7所在的直线)；
(3)主船体的应力值直接采用该曲线上对应甲板的值，如主船体上甲板的应力值即为σ6；
(4)上层建筑应力为该曲线上对应甲板的值，再乘以一个系数w，劳式船级社规范中，w＝η，即认为该系数仍然等于(1)中计算的面积折减系数，因此其上层建筑中的应力值σ5，其计算方法为σ5＝ησ7；
(1)劳式船级社的其他参数定义如下：
N为上层建筑层数，不超过2；
L为船体长度；
l1为第一层上建长度，l2为第二层上建长度。
船舶设计实用手册的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法如下：
(1)采用如下公式计算应力折减系数kx；
(2)采用如下公式计算面积折减系数η；
(3)根据面积折减系数η计算出新的理想应力分布曲线(即上图中的传统方法线，即σ6和σ7所在的直线)；
(4)主船体的应力值直接采用该曲线上对应甲板的值，如主船体上甲板的应力值即为σ6；
(5)上层建筑应力为该曲线上对应甲板的值，再乘以一个系数w，船舶设计手册中，w＝kx，即认为该系数仍然等于(1)中计算的应力折减系数，因此其上层建筑中的应力值σ5，其计算方法为σ5＝kxσ7；
(6)船舶设计实用手册方法的其他参数定义如下：
x为距离上层建筑端部的距离；
l为上层建筑的长度；
B1为扣除上建甲板开口的船宽；
f，F分别为计算剖面上层建筑和主船体的横截面积；
e1，e2分别为计算剖面上层建筑和主船体的中和轴的垂向坐标；
i0，I0分别为计算剖面上层建筑和主船体的垂向惯性矩。
专利号CN108595791B方法，其考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法如下：
(1)计算应力折减系数kx
其中kx采用上述的设计手册等经验公式或斯曼斯基方法计算。
(2)计算面积折减因子η；
(3)计算新的应力折减系数kx1，计算公式如下：
(4)根据面积折减系数η计算出新的理想应力分布曲线(即上图中的传统方法线，即σ6和σ7所在的直线)；
(5)主船体的应力值直接采用该曲线上对应甲板的值，如主船体上甲板的应力值即为σ6；
(6)上层建筑应力为该曲线上对应甲板的值，再乘以一个系数w，该专利中，w＝kx1，即认为该系数仍然等于(1)中计算的应力折减系数，因此其上层建筑中的应力值σ5，其计算方法为σ5＝kx1σ7
如前所述，目前的几种方法的基本流程都是通过面积折减因子η获取新的应力分布曲线，然后主船体直接取此曲线上的值，上层建筑上的值采用此曲线上的值乘以一个系数w。不同方法的不同点在于面积折减因子η和系数w的取值和计算方法。
但如前所述，面积折减因子η是一个非常难以获得的量，各类方法针对面积折减因子的计算要么是根据经验公式直接估算、要么是通过应力折减因子kx进行换算，但换算关系也缺乏的力学基础支撑。而且面积折减因子也是一个基本无法验证的参数，难以通过全船有限元等数值计算方法进行验证，这就使得传统方法计算出的值的准确性存在问题。
而且对于应力折减因子kx，其定义明确，也有较为成熟的理论背景，斯曼斯基的估算方法理论虽然较为完善，但也仅是通过双梁理论耦合变形的理想模型推导获得，对于不同结构形式的上层建筑布置，例如多层上建、多层且长度不同的上建以及不同内部支撑形式的上建等，该理论估算的准确度也存在很大限制。
发明内容
本发明针对以上两个问题，提出以下解决方法，一是提出基于简化有限元模型的应力折减因子kx的计算方法，包括简化有限元模型的建模方法和流程，二是提出新的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，通过舍弃难以计算和验证的参数——面积折减因子η，在更具成熟理论背景的应力折减因子kx的基础上，引入针对主船体应力的系数kh，改变整个剖面校核的流程，使得计算结果更加准确。同时针对上层建筑有效度的应力折减因子的方法，提出基于简化有限元模型的估算方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，采用基于简化有限元模型的应力折减因子kx的计算方法，通过舍弃难以计算和验证的参数：面积折减因子η，在应力折减因子kx的基础上，引入针对主船体应力的系数kh，根据应力折减因子和主船体系数计算整个剖面各个位置应力，使得计算结果更加准确，同时在考虑上层建筑有效度的应力折减因子的kx的基础上，采用基于简化有限元模型的估算方法。
进一步，所述基于简化有限元模型的应力折减因子kx的计算方法，包括简化有限元模型的建模方法和根据简化模型计算应力折减系数的方法。
进一步，所述简化有限元模型的建模方法，其步骤为；
(1)选取船舶包含上层建筑的船舯区域剖面，不考虑线型影响，创建舯剖面的有限元模型；
(2)将此舯剖面的有限元模型沿船上方向复制拉伸，直至和实船的尺度相等，同时调整主船体和上建的长度，使其分别和实船主船体和上建的长度相等，同时调整各纵向结构的板厚的纵向分布，使其和实船图纸基本一致；
(3)在舯剖面的有限元模型端部施加MPC点，即多点约束。
进一步，步骤(1)中，舯剖面的各类主要结构均要有且主要结构尺寸，包括船宽、各层甲板高度以及各个结构的板厚以及骨材尺寸和舯剖面图纸一致。
进一步，步骤(3)中，MPC类型选取为REB2，MPC的独立点选为端部剖面的中和轴处，非独立点选为该剖面纵向构件所有的节点，独立点和非独立点的节点关联为X、Y、Z三自由度线位移约束。
进一步，所述根据简化模型计算应力折减系数的方法，其步骤为；
(1)在舯剖面的有限元模型端部施加MPC点上施加端部约束，其中模型尾端的MPC的独立点上约束Y、Z方向的线位移；模型首端的MPC的独立点上约束X、Y、Z方向上的线位移以及Rx即绕X轴的角位移；
(2)在舯剖面的有限元模型端部施加MPC点上施加端部弯矩，在模型尾端的MPC的独立点上施加任意绕Y轴的端部弯矩M，在模型首端的MPC的独立点上施加与尾端弯矩大小相等方向相反的端部弯矩-M；
(3)对上述模型进行有限元计算，获取模型有限元单元的应力值，提取计算剖面的上层建筑甲板的所有单元X方向正应力的平均值，作为该剖面上建甲板的实际σx-s；
(4)根据简化模型，计算该剖面的惯性矩I和中和轴的Z坐标z0；
(5)计算该剖面的应力折减系数。
进一步，步骤(5)中，计算该剖面的应力折减系数采用如下公式：
其中，zs为该剖面上层建筑甲板的Z坐标。
进一步，所述主船体应力的系数kh，用下式计算：
式中：f，F分别为计算剖面上层建筑和主船体的横截面积；e1，e2分别为计算剖面上层建筑和主船体的中和轴的垂向坐标；i0，I0分别为计算剖面上层建筑和主船体的垂向惯性矩。
进一步，所述根据应力折减因子和主船体系数计算整个剖面各个位置应力的方法，其步骤为：
(1)计算假定上层建筑100％参与总强度时的应力曲线，即σ2和σ3所在的直线，即为曲线
其中，σzi为垂向坐标为zi时的应力值，Mact表示实船该剖面处的弯矩，Iact表示考虑上层建筑100％参与总强度的惯性矩；
(2)对于主船体的各个结构位置的应力，应力值为步骤(1)中计算的曲线上的值，乘以主船体系数kh，即σhi＝khσzi-hull，其中σhi为所需的剖面主船体部分的应力，σzi-hull表示步骤(1)中曲线上关于主船体部分的应力；
(3)对于上层建筑应力，应力值为步骤(1)中计算的曲线上的值，乘以应力折减因子kx，即σti＝kxσzi-top，其中σti为所需的剖面上层建筑部分的应力，σzi-top表示步骤(1)中曲线上关于上层建筑部分的应力。
进一步，由步骤(1)中的计算公式确定上层建筑100％参与总强度时的应力曲线，即σzi随垂向结构高度zi的变化曲线，为船舶剖面校核的基本公式。
本发明的有益效果是：
(1)应力折减因子kx不采用各类经验公式或者理想模型推导的理论公式进行估算，而是针对具体船型结构特点，建立简化有限元模型进行计算，结果更能针对不同船型的结构特点，结果更加精确；
(2)舍弃面积折减因子这样一个缺乏理论性且无法准确计算和验证的数值，采用理论性更强、定义更明确的应力折减因子和主船体系数来计算主船体和上层建筑的应力值，计算结果更加准确；
(3)实际计算过程较为简便，无需考虑诸如由于上层建筑有效度导致的中和轴位置变化以及惯性矩的变化，仅计算一个上层建筑100％参与总强度的应力曲线即可，这在实际计算中是非常容易得到的，把上层建筑看做主船体的一部分即可；
(4)主船体系数的计算方法是也是由双梁理论模型推导获得，理论性相对较强。
附图说明
图1是船舶中上层建筑和主船体的关系；
图2是上层建筑的有效度对剖面校核中应力的影响；
图3是传统的考虑上层建筑有效度的计算方法的基本原理；
图4是本发明的考虑上层建筑有效度的计算方法的原理及计算效果；
图5是实剖舯剖面图；
图6是简化有限元模型；
图7是简化有限元模型。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明的一种考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，如图4所示，包括基于简化有限元模型的应力折减因子kx的计算方法，通过舍弃难以计算和验证的参数-面积折减因子η，在更具成熟理论背景的应力折减因子kx的基础上，引入针对主船体应力的系数kh，根据应力折减因子和主船体系数计算整个剖面各个位置应力，改变整个剖面校核的流程，使得计算结果更加准确，同时在考虑上层建筑有效度的应力折减因子的kx的基础上，采用基于简化有限元模型的估算方法。
基于简化有限元模型的应力折减因子kx的计算方法，包括简化有限元模型的建模方法和根据简化模型计算应力折减系数的方法。
1.整个考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，采用(1)-(12)的整个流程步骤：
(1)选取船舶包含上层建筑的船舯区域剖面，不考虑线型影响，创建舯剖面的有限元模型，要求：舯剖面的各类主要结构均要有且主要结构尺寸(船宽、各层甲板高度以及各个结构的板厚以及骨材尺寸等)和舯剖面图纸一致，如图5，6所示：
(2)将此模型沿船上方向复制拉伸，直至和实船的尺度相等，同时调整主船体和上建的长度，使其分别和实船主船体和上建的长度相等，同时调整各纵向结构的板厚的纵向分布，使其和实船图纸基本一致，如图7所示。
(3)在模型端部施加MPC点(Muti-Point Constraint，即多点约束，船舶结构有限元领域常见单元类型)，MPC类型选取为REB2，MPC的独立点选为端部剖面的中和轴处，非独立点选为该剖面纵向构件所有的节点，独立点和非独立点的节点关联为X、Y、Z三自由度线位移约束。(上述术语名词均为MPC属性设置的常规属性，也是船舶舱段分析端部MPC的常用属性)；
(4)在(3)中设置的MPC点上施加端部约束，其中模型尾端的MPC的独立点上约束Y、Z方向的线位移；模型首端的MPC的独立点上约束X、Y、Z方向上的线位移以及Rx即绕X轴的角位移；
(5)在(3)中设置的MPC点上施加端部弯矩，在模型尾端的MPC的独立点上施加任意绕Y轴的端部弯矩M，在模型首端的MPC的独立点上施加与尾端弯矩大小相等方向相反的端部弯矩-M；
(6)对上述模型进行有限元计算，获取模型有限元单元的应力值，提取计算剖面的上层建筑甲板的所有单元X方向正应力的平均值，作为该剖面上建甲板的实际σx-s；
(7)根据简化模型，计算该剖面的惯性矩I和中和轴的Z坐标z0；
(8)根据下式计算该剖面的应力折减系数
其中，zs为该剖面上层建筑甲板的Z坐标，其余参数如前所述；
(9)计算主船体系数kh，用下式计算：
式中：f，F分别为计算剖面上层建筑和主船体的横截面积；e1，e2分别为计算剖面上层建筑和主船体的中和轴的垂向坐标；i0，I0分别为计算剖面上层建筑和主船体的垂向惯性矩。
(10)计算假定上层建筑100％参与总强度时的应力曲线，即σ2和σ3所在的直线，即为曲线
其中，σzi为垂向坐标为zi时的应力值，Mact表示实船该剖面处的弯矩，Iact表示考虑上层建筑100％参与总强度的惯性矩。
由上式确定上层建筑100％参与总强度时的应力曲线，即σzi随垂向结构高度zi的变化曲线，为船舶剖面校核的基本公式。
(11)对于主船体的各个结构位置的应力，应力值为(10)中计算的曲线上的值，乘以主船体系数kh，即σhi＝khσzi-hull，其中σhi为所需的剖面主船体部分的应力，σzi-hull表示(10)中曲线上关于主船体部分的应力；
(12)对于上层建筑应力，应力值为(10)中计算的曲线上的值，乘以应力折减因子kx，即σti＝kxσzi-top，其中σti为所需的剖面上层建筑部分的应力，σzi-top表示(10)中曲线上关于上层建筑部分的应力。
2.计算应力折减因子的简化模型创建方法，即计算步骤(1)-(3)；
3.根据简化模型计算应力折减系数的方法，即步骤(4)-(8)；
4.主船体系数的计算公式，即(9)中的计算公式，此系数为首次提出且内含完备的理论推导过程；
5.根据应力折减因子和主船体系数计算整个剖面各个位置应力的计算方法，即(10)-(12)的整体步骤，此方法与其他的考虑面积折减因子的方法均不同。

Claims (10)

1.一种考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：采用基于简化有限元模型的应力折减因子kx的计算方法，通过舍弃难以计算和验证的参数：面积折减因子η，在应力折减因子kx的基础上，引入针对主船体应力的系数kh，根据应力折减因子和主船体系数计算整个剖面各个位置应力，使得计算结果更加准确，同时在考虑上层建筑有效度的应力折减因子的kx的基础上，采用基于简化有限元模型的估算方法。
2.根据权利要求1所述的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：所述基于简化有限元模型的应力折减因子kx的计算方法，包括简化有限元模型的建模方法和根据简化模型计算应力折减系数的方法。
3.根据权利要求2所述的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：所述简化有限元模型的建模方法，其步骤为；
(1)选取船舶包含上层建筑的船舯区域剖面，不考虑线型影响，创建舯剖面的有限元模型；
(2)将此舯剖面的有限元模型沿船上方向复制拉伸，直至和实船的尺度相等，同时调整主船体和上建的长度，使其分别和实船主船体和上建的长度相等，同时调整各纵向结构的板厚的纵向分布，使其和实船图纸基本一致；
(3)在舯剖面的有限元模型端部施加MPC点，即多点约束。
4.根据权利要求3所述的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：步骤(1)中，舯剖面的各类主要结构均要有且主要结构尺寸，包括船宽、各层甲板高度以及各个结构的板厚以及骨材尺寸和舯剖面图纸一致。
5.根据权利要求3所述的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：步骤(3)中，MPC类型选取为REB2，MPC的独立点选为端部剖面的中和轴处，非独立点选为该剖面纵向构件所有的节点，独立点和非独立点的节点关联为X、Y、Z三自由度线位移约束。
6.根据权利要求2所述的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：所述根据简化模型计算应力折减系数的方法，其步骤为；
(1)在舯剖面的有限元模型端部施加MPC点上施加端部约束，其中模型尾端的MPC的独立点上约束Y、Z方向的线位移；模型首端的MPC的独立点上约束X、Y、Z方向上的线位移以及Rx即绕X轴的角位移；
(2)在舯剖面的有限元模型端部施加MPC点上施加端部弯矩，在模型尾端的MPC的独立点上施加任意绕Y轴的端部弯矩M，在模型首端的MPC的独立点上施加与尾端弯矩大小相等方向相反的端部弯矩-M；
(3)对上述模型进行有限元计算，获取模型有限元单元的应力值，提取计算剖面的上层建筑甲板的所有单元X方向正应力的平均值，作为该剖面上建甲板的实际σx-s；
(4)根据简化模型，计算该剖面的惯性矩I和中和轴的Z坐标z0；
(5)计算该剖面的应力折减系数。
7.根据权利要求6所述的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：步骤(5)中，计算该剖面的应力折减系数采用如下公式：
其中，zs为该剖面上层建筑甲板的Z坐标。
8.根据权利要求1所述的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：所述主船体应力的系数kh，用下式计算：
式中：f，F分别为计算剖面上层建筑和主船体的横截面积；e1，e2分别为计算剖面上层建筑和主船体的中和轴的垂向坐标；i0，I0分别为计算剖面上层建筑和主船体的垂向惯性矩。
9.根据权利要求1所述的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：所述根据应力折减因子和主船体系数计算整个剖面各个位置应力的方法，其步骤为：
(1)计算假定上层建筑100％参与总强度时的应力曲线，即σ2和σ3所在的直线，即为曲线
其中，σzi为垂向坐标为zi时的应力值，Mact表示实船该剖面处的弯矩，Iact表示考虑上层建筑100％参与总强度的惯性矩；
(2)对于主船体的各个结构位置的应力，应力值为步骤(1)中计算的曲线上的值，乘以主船体系数kh，即σhi＝khσzi-hull，其中σhi为所需的剖面主船体部分的应力，σzi-hull表示步骤(1)中曲线上关于主船体部分的应力；
(3)对于上层建筑应力，应力值为步骤(1)中计算的曲线上的值，乘以应力折减因子kx，即σti＝kxσzi-top，其中σti为所需的剖面上层建筑部分的应力，σzi-top表示步骤(1)中曲线上关于上层建筑部分的应力。
10.根据权利要求9所述的考虑上层建筑有效度的船体剖面校核方法，其特征在于：由步骤(1)中的计算公式确定上层建筑100％参与总强度时的应力曲线，即σzi随垂向结构高度zi的变化曲线，为船舶剖面校核的基本公式。
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