散货船结构强度有限元分析
摘 要摘 要因为全球金融危机的复苏，国际航运业日益重繁荣。散货船是一种常见的船型，它拥有很多其他船型无法替代的优势，这使散货船运输占据了海上交通运输的很大部分比例。然而，散货船在营运过程中，发生事故的几率也很高，船舶毁坏，人员伤亡的惨剧，还一次一次悄悄地在我们身边发生，所以有关于散货船各项的强度进行模拟评估是非常有必要的。有限元是一种数学应用法，是一种数学上高效快速的分析方法，在船舶强度计算中也能够同样去应用。本论文以一艘8000吨沿海散货船为研究对象，采用行业通用软件MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN，根据《CCS钢质沿海船舶建造规范》的要求，建立PATRAN船舶货舱舱段的结构模型，在软件中设置边界条件载荷，对船体结构进行横向强度分析并得出结果。计算结果表明：该船舱舱段强肋位结构局部强度和船舱整体强度都满足强度规范的要求，但在开孔处和舱口角隅处，与其他区域相比，此处应力还是较大，虽然没有超过许用应力值。但在设计船舶时,应注意加大这些部位的板厚和尺寸或者添加加强筋,才能保证船舶的安全。总之，该散货船舱段的主要部分均能满足CCS规范的强度要求。为了形象生动地表达计算结果，将采用变形图和应力云图这两种图形表示法来评估。经研究发现，采用PATRAN模型模拟强度进行分析计算的方法，是可行并且可靠的。希望对以后可以学习更多和课题研究有关的软件。关键词：散货船；横向强度；有限元分析摘 要 I目录
摘 要 I
第一章 绪论 1
1.1选题的背景和意义 1
1.1.1散货船的结构特点 1
1.1.2强度评估的必要性 1
1.1.3国内外研究现状 2
1.2散货船的概述 3
1.2.1散货船的发展趋势 3
1.2.2散货船的装载方式 4
1.2.3散货船的船体腐蚀与疲劳结构 5
1.3本文的主要研究内容 5
1.4研究方法 5
第二章 有限元法概述 6
2.1 有限元法介绍 6
2.1.1 有限元法概述 6
2.1.2 有限元法的基本思想 7
2.1.3 有限元法的分析过程 8
2.1.4 有限元法的基本优缺 9
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
2.3散货船的船体腐蚀与疲劳结构 5
1.3本文的主要研究内容 5
1.4研究方法 5
第二章 有限元法概述 6
2.1 有限元法介绍 6
2.1.1 有限元法概述 6
2.1.2 有限元法的基本思想 7
2.1.3 有限元法的分析过程 8
2.1.4 有限元法的基本优缺 9
第三章 软件简介 10
3.1 NASTRAN软件简介 10
3.1.1MSC/NASTRAN的简介 10
3.1.2 MSC/NASTRAN的特点 10
3.1.3 MSC/NASTRAN的功能 11
3.2PATRAN软件简介 12
3.2.1 MSC.PATRAN的特点 12
3.2.2MSC/PATRAN的建模流程 12
第四章 散货船结构强度校核 17
4.1 概述 17
4.1.1 CCS《钢质海船建造规范》（2009）对船舶尺寸的定义 17
4.1.2概述 17
4.1.3 提供的主要图纸 18
4.2 有限元模型 18
4.2.1 模型概述 18
4.2.2坐标系 23
4.2.3单元 23
4.2.4 材料参数及符号规定 24
4.2.5边界条件 24
4.3载荷 24
4.3.1计算工况 25
4.3.2舱内货物压力 25
4.3.3舷外水压力 26
4．4 许用应力 27
4.4.1甲板板的许用应力 27
4.5 计算结果及应力水平 28
结 论 35
致 谢 37
参考文献 38
附 录 39
第一章 绪论
1.1选题的背景和意义
1.1.1散货船的结构特点
散货船的横剖面结构中，甲板下面有2个三角形的顶边舱，防止散货横倾。双层底舭部有斜向上的内底边板，这个结构利于把货堆放在货仓中央，同时还加强了船舶的结构强度。散货船的船底是纵骨架式双层底结构，底部广泛采用箱形中底行，肋板间的距离不能大于2.5m，纵行间距离不能大于3.6m，一般情况为纵骨架式，其中含有这些构件：加强筋、加强肘板、中底桁、旁底桁。船底板上有时也会是横骨架式结构，其中包括肋骨和肋板.水密的地方还应该设置水密舱壁。散货船都是单层甲板，在船的舷侧顶部和舭部设置水舱，每个单舷侧常采用横骨架式，每个肋位都是强肋位横向强框架，舷侧外板及舷侧外板纵骨[1]。散货船的甲板结构中，一般设置2-3个舱口，顶边舱还可以加压载水，顶边舱周围的板材上全部设置纵骨，横向强框架和甲板纵骨，顶边舱斜板及斜板纵骨，垂向列板及其纵骨。
1.1.2强度评估的必要性
在船运业，由于散货运输具备廉价和方便的优势，散货船运输在水路运输中所占的地位越来越重要，在今后的航运发展中定能获得良好的经济效益。散货船将会是重要的船型之一。散货船发生海上事故的新闻不绝于耳，大部分是由于自强度不达标所致，悲剧一再发生，警钟长鸣，而我们花大把的时间和精力去研究船舶强度评估的方法是必要的。
散货船船体结构强度评估主要是是研究结构的承受能力为目的。这个结构的承受能力从某一角度上代表着船舶的安全指数，当船舶在营运工作时，会有很多的载荷，弯矩，扭矩加载在散货船船体上，并在发生偶然事件时，仍然能够保持必要的稳定性，能够进一步工作并保证船员的生命安全。并在长期有规律的维护保养下，具有足够的持续工作能力。
由于灾难的一次次发生，我们应该给自己敲响警钟，下面是需要认真检测评估的内容：
(1)模拟在船体表面各个结构上施加各自局部载荷，如大型机械对甲板的压力，货物对内底板的压力，舷外水的压力，来研究外载荷对船体局部结构的影响。
(2)模拟结构中剖面的各种应力与应变，即载荷效应分析；研究极限情况下，内力之间的相互作用，对结构强度的安全威胁。
(3)模拟特殊环境中，恶劣天气因素,如波浪引起的载荷给船体造成的损伤，计算船舶在这种工况下，能够维持的时间，受损严重的区域，并设计方案，加强结构。
(4)模拟腐蚀，疲劳过后船体所受的损害，看是否会超出规范标准。
结构的安全强度标准一般选用许用应力法，我们先用模型计算软件计算出计算应力，然后利用这个计算结果与许用应力相比较，如果计算应力小于或等于许用应力，则强度检测满足要求。所以这种方法简单可行，一目了然。
另外，建造过程中的许多质量问题，比如设计时的误差，还有船体本身的结构复杂性，这种结构的评估本身就带有一种随机性，所以在进行评估的时候，我们要适当地的运用概率学的思想。把波浪阻力以长期规律的方式进行半规律的直接计算，对船体结构的承载能力运用许用应力的方法确定。
船体上的总纵强度即船体结构抵抗总纵弯曲不使整体结构遭受破坏或不允许的变形的能力成为船体总纵强度。这是由于船体自身重力、受到的浮力、风浪阻力、惯性力引起的。与此同时，散货船不仅会产生总纵弯曲，横向弯曲也会出现在船舶运营中。横向强度是指横向强构件抵抗横向载荷的能力[2]，横向强构件包含：强肋位和横舱壁，本文主要研究船舶的横向强度。
散货船是航运业的主要船型，占全球船舶很大的比例，对其船舶强度的研究，可以避免很多的悲剧发生，具有很大的现实意义。同时，散货船的强度，又有很大的随机性，它的准确与否直接影响到人民的生命财产安全。
1.1.3国内外研究现状
船舶检验一直是已各船级社颁布的有关规范为依据。IACS组织决定于2006年4月1日,出台实施散货船共同结构规范，规范中规定各类船舶在不同情况下所需要做的强度评估。王立军等以某散货船的舱段为对象,按中国船级社入级要求,对其在满载和压
摘 要 I
第一章 绪论 1
1.1选题的背景和意义 1
1.1.1散货船的结构特点 1
1.1.2强度评估的必要性 1
1.1.3国内外研究现状 2
1.2散货船的概述 3
1.2.1散货船的发展趋势 3
1.2.2散货船的装载方式 4
1.2.3散货船的船体腐蚀与疲劳结构 5
1.3本文的主要研究内容 5
1.4研究方法 5
第二章 有限元法概述 6
2.1 有限元法介绍 6
2.1.1 有限元法概述 6
2.1.2 有限元法的基本思想 7
2.1.3 有限元法的分析过程 8
2.1.4 有限元法的基本优缺 9
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
2.3散货船的船体腐蚀与疲劳结构 5
1.3本文的主要研究内容 5
1.4研究方法 5
第二章 有限元法概述 6
2.1 有限元法介绍 6
2.1.1 有限元法概述 6
2.1.2 有限元法的基本思想 7
2.1.3 有限元法的分析过程 8
2.1.4 有限元法的基本优缺 9
第三章 软件简介 10
3.1 NASTRAN软件简介 10
3.1.1MSC/NASTRAN的简介 10
3.1.2 MSC/NASTRAN的特点 10
3.1.3 MSC/NASTRAN的功能 11
3.2PATRAN软件简介 12
3.2.1 MSC.PATRAN的特点 12
3.2.2MSC/PATRAN的建模流程 12
第四章 散货船结构强度校核 17
4.1 概述 17
4.1.1 CCS《钢质海船建造规范》（2009）对船舶尺寸的定义 17
4.1.2概述 17
4.1.3 提供的主要图纸 18
4.2 有限元模型 18
4.2.1 模型概述 18
4.2.2坐标系 23
4.2.3单元 23
4.2.4 材料参数及符号规定 24
4.2.5边界条件 24
4.3载荷 24
4.3.1计算工况 25
4.3.2舱内货物压力 25
4.3.3舷外水压力 26
4．4 许用应力 27
4.4.1甲板板的许用应力 27
4.5 计算结果及应力水平 28
结 论 35
致 谢 37
参考文献 38
附 录 39
第一章 绪论
1.1选题的背景和意义
1.1.1散货船的结构特点
散货船的横剖面结构中，甲板下面有2个三角形的顶边舱，防止散货横倾。双层底舭部有斜向上的内底边板，这个结构利于把货堆放在货仓中央，同时还加强了船舶的结构强度。散货船的船底是纵骨架式双层底结构，底部广泛采用箱形中底行，肋板间的距离不能大于2.5m，纵行间距离不能大于3.6m，一般情况为纵骨架式，其中含有这些构件：加强筋、加强肘板、中底桁、旁底桁。船底板上有时也会是横骨架式结构，其中包括肋骨和肋板.水密的地方还应该设置水密舱壁。散货船都是单层甲板，在船的舷侧顶部和舭部设置水舱，每个单舷侧常采用横骨架式，每个肋位都是强肋位横向强框架，舷侧外板及舷侧外板纵骨[1]。散货船的甲板结构中，一般设置2-3个舱口，顶边舱还可以加压载水，顶边舱周围的板材上全部设置纵骨，横向强框架和甲板纵骨，顶边舱斜板及斜板纵骨，垂向列板及其纵骨。
1.1.2强度评估的必要性
在船运业，由于散货运输具备廉价和方便的优势，散货船运输在水路运输中所占的地位越来越重要，在今后的航运发展中定能获得良好的经济效益。散货船将会是重要的船型之一。散货船发生海上事故的新闻不绝于耳，大部分是由于自强度不达标所致，悲剧一再发生，警钟长鸣，而我们花大把的时间和精力去研究船舶强度评估的方法是必要的。
散货船船体结构强度评估主要是是研究结构的承受能力为目的。这个结构的承受能力从某一角度上代表着船舶的安全指数，当船舶在营运工作时，会有很多的载荷，弯矩，扭矩加载在散货船船体上，并在发生偶然事件时，仍然能够保持必要的稳定性，能够进一步工作并保证船员的生命安全。并在长期有规律的维护保养下，具有足够的持续工作能力。
由于灾难的一次次发生，我们应该给自己敲响警钟，下面是需要认真检测评估的内容：
(1)模拟在船体表面各个结构上施加各自局部载荷，如大型机械对甲板的压力，货物对内底板的压力，舷外水的压力，来研究外载荷对船体局部结构的影响。
(2)模拟结构中剖面的各种应力与应变，即载荷效应分析；研究极限情况下，内力之间的相互作用，对结构强度的安全威胁。
(3)模拟特殊环境中，恶劣天气因素,如波浪引起的载荷给船体造成的损伤，计算船舶在这种工况下，能够维持的时间，受损严重的区域，并设计方案，加强结构。
(4)模拟腐蚀，疲劳过后船体所受的损害，看是否会超出规范标准。
结构的安全强度标准一般选用许用应力法，我们先用模型计算软件计算出计算应力，然后利用这个计算结果与许用应力相比较，如果计算应力小于或等于许用应力，则强度检测满足要求。所以这种方法简单可行，一目了然。
另外，建造过程中的许多质量问题，比如设计时的误差，还有船体本身的结构复杂性，这种结构的评估本身就带有一种随机性，所以在进行评估的时候，我们要适当地的运用概率学的思想。把波浪阻力以长期规律的方式进行半规律的直接计算，对船体结构的承载能力运用许用应力的方法确定。
船体上的总纵强度即船体结构抵抗总纵弯曲不使整体结构遭受破坏或不允许的变形的能力成为船体总纵强度。这是由于船体自身重力、受到的浮力、风浪阻力、惯性力引起的。与此同时，散货船不仅会产生总纵弯曲，横向弯曲也会出现在船舶运营中。横向强度是指横向强构件抵抗横向载荷的能力[2]，横向强构件包含：强肋位和横舱壁，本文主要研究船舶的横向强度。
散货船是航运业的主要船型，占全球船舶很大的比例，对其船舶强度的研究，可以避免很多的悲剧发生，具有很大的现实意义。同时，散货船的强度，又有很大的随机性，它的准确与否直接影响到人民的生命财产安全。
1.1.3国内外研究现状
船舶检验一直是已各船级社颁布的有关规范为依据。IACS组织决定于2006年4月1日,出台实施散货船共同结构规范，规范中规定各类船舶在不同情况下所需要做的强度评估。王立军等以某散货船的舱段为对象,按中国船级社入级要求,对其在满载和压
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