5200dwt多用途货船横向强度有限元分析(附件)
自从08年世界金融危机爆发以来，我国整个船舶工业遭到了持续重创。订单量大幅度减少，整个产业的产能严重过剩，致使整个产业不断缩减与精炼。可以说整个美好的前景伴随着危机就如同泡沫一般突然破碎。与此同时，行业自身携带的缺点和矛盾越来越明显，比如不具备较强的自主创新能力，船舶工业的增长方式比较粗放，重复投资水平比较低，质量控制体系不完善等等。而在船舶的设计阶段，为了能够尽可能方便简介地模拟船舶结构，分析受到不同载荷时结构上产生的应力与应变，有限元分析软件MSC.PATRAN越来越受到用户和设计者的青睐。本论文主要着重于讲述5200DWT多用途货船舱段有限元分析，对整个分析的过程进行了详细地阐述和说明。并且简单地讲述了整个多用途货船领域的相关知识，比如分类、历史等等。由于有限元分析软件MSC.PATRAN自身强大的功能、人性化的界面、相对容易上手的操作性，已经在世界的相关领域受到了相当大的重视。并且伴随有限元理论更多的发展与完善，我们对于这种有限元分析软件的认识与掌握已经到了相当迫切的地步。本篇论文第一章为绪论，第二章为有限元软件介绍，第三章、第四章为有限元模型介绍以及分析结果。最后，分析结果表明整个5200DWT多用途货船货舱段的应力水平并不高，符合规范要求。关键词：有限元分析、多用途货船、舱段摘要 VII 目录
毕业设计（论文）任务书 III
摘要 VII
目录 IX
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2多用途货船发展综述 2
1.2.1多用途货船的类型及其特点 3
1.2.2多用途货船的总布置 4
1.2.3多用途货船的研究热点 6
1.3国内外研究现状分析 8
1.4课题的目的以及意义 9
1.4.1船舶工业现状 9
1.4.2本论文的主要工作 9
第二章 有限元软件介绍 11
2.1 有限元分析简介 11
2.1.1 有限元方法分析过程 11
2.1.2 有限元分析优点 11
2.1.3 有限元法应用上的缺点 12
2.3 MSC.PATRAN有限元软件介绍 12
1.4.1船舶工业现状 9
1.4.2本论文的主要工作 9
第二章 有限元软件介绍 11
2.1 有限元分析简介 11
2.1.1 有限元方法分析过程 11
2.1.2 有限元分析优点 11
2.1.3 有限元法应用上的缺点 12
2.3 MSC.PATRAN有限元软件介绍 12
2.4 MSC.NASTRAN软件介绍 13
2.5 patran建模及分析步骤 13
2.4 本章小结 14
第三章 舱段有限元模型介绍 16
3.1 船体结构 16
3.1.1 舱段模型建造原则 16
3.1.2 船舶主尺度和主要参数 17
3.2 材料参数 18
3.3 5200DWT多用途货船有限元建模过程简介 18
3.4本章小结 21
第四章 5200DWT多用途货船舱段有限元分析直接计算结果 23
4.1概述 23
4.2参考图纸 23
4.3有限元模型 24
4.3.1结构模型 24
4.3.2坐标系 25
4.3.3边界条件 25
4.4工况及载荷 26
4.4.1计算工况 26
4.4.2载荷 26
4.5许用应力衡准 32
4.5.1分析结果汇总 32
4.5.2 变形云图 34
4.6结论 41
第五章 结论与展望 42
致 谢 44
参考文献 45
绪论
1.1引言
与地面建筑相比较，船舶结构相对复杂。且面对复杂多变的海洋环境，船舶结构安全方面的问题必须要仔细考虑及解决。结构安全方面涵盖了疲劳、强度、形式等问题。优越的船舶结构能为船舶性能，包括快速性、稳定性、操纵性等的实现提供良好的基础条件，从而保证其经济价值最大化。
在船舶结构力学以及船舶结构强度的理论知识体系[1]中，为校核船体结构强度时均是运用了船体梁假设。即在理论计算过程中，简化船体结构，省去繁杂的机械结构及上层建筑等，将船体简化成单跨梁。限定单跨梁的边界条件，在单跨梁上施加荷载，进行应力及应变分析。从而分析船体在极端荷载作用下的损伤情况[20]。
船体梁理论在教学过程中简单易懂，且计算过程相对简单。但是这一计算方法无法满足工程实际中船体的工作状况。首先船体梁的简化过程过于简单粗暴，占船体重量较大的上层建筑被一次性省略，仅仅考虑简单的集中力或力矩的加载。这样的加载存在多方面的问题，首先船舶在营运过程中受到的荷载并非单一荷载，包括竖直向下的船体重力，与船体湿表面相互垂直的静水压力，与货舱内壁相互垂直的货物压力，垂向的弯矩等。而就简化过程而言，也存在诸多的问题，包括多构件之间的相互组合，力的传递过程中会出现斜向以及切向的分解。且大的构件往往是组合型构件，包括加强筋，肋板，纵骨，纵桁等，不加区别的简化，结构件肯定会出现大的问题。在计算过程中往往为了船体的结构强度问题会将安全系数设置的很大，往往会在建造过程中浪费大量的材料，增加建造成本。且随着船型越来越多，部分船型无法进行简化。比如集装箱船，滚装船等大开口船舶。因此船体梁理论越来越无法适应时代的需要。
一方面简化船体梁理论的发展越来越受到制约，另一方面随着计算机科学的飞速发展。原来只存于理论中的有限元理论被重新提及。由此原来得不到重视以及解决的船体所受载荷也开始同步发展起来，除了原来简化的剪切力与弯矩之外，静水压力，货物压力等开始得到深入研究以及发展，理论体系也日趋成熟。
计算机科学技术飞速发展，有限元理论更是发展壮大起来。原有的有限元理论不再是只停留在理论基础上，在计算机上的应用愈加成熟。同时伴随着计算机辅助设计的飞速发展，整个船舶设计以及检测伴随着计算机科学技术的发展越来越成熟简便，设计检验时间得到了大幅缩短，成本得打大幅减小。给船厂以及船东带来了巨大的利益增长。尤其在实际的船舶设计建造过程中，有效应用计算机以及有限元技术，可以在建造之前，对船舶强度有很好的预测，从而在建造前期对船舶的设计进行完善。在建造之后对于船体舱段或者整体的有限元检验有助于减少人力物力，且检验结果更加直观准确。
就按照有限元技术要求进行建立模型的要求而言是大同小异的，有限元技术由舱段检验发展到可以全船检验。各国船级社也不断开始制定以及发展相关规范。全船有限元检验相比较舱段有限元检测更科学合理，但是全船有限元模型建立过程相对复杂，工作量大。大部分情况下只需要对舱段进行有限元校核，舱段有限元校核的时候就需要将全船有限元校核时的边界条件以及载荷进行转换。从而节约时间，减少工作量。而何时进行全船有限元校核、何时进行舱段有限元校核，在各国的规范中相关规定也不尽相同，且都做出来明确的规定。
而计算机科学技术的飞速发展离不开计算机硬件的飞速发展。往往计算要求的精度越高，计算机硬件要求越高。现在有限元网格的计算精度可以达到亿万级，可以满足大部分情况下的校核精度要求。而有关荷载的理论体系越来越完善，大量的计算公式开始涌现，而有限元软件中对于荷载的添加也开始使用这些公式进行荷载施加，使得有限元校核愈加精确。
本文拟就基于CAE计算机辅助工程技术软件MSC.PATRAN,依据《国内航行海船建造规范》2012第2篇2.12.1.3（2）的规定的相关要求，对5200DWT多用途货船舱段进行有限元分析。
1.2多用途货船发展综
毕业设计（论文）任务书 III
摘要 VII
目录 IX
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2多用途货船发展综述 2
1.2.1多用途货船的类型及其特点 3
1.2.2多用途货船的总布置 4
1.2.3多用途货船的研究热点 6
1.3国内外研究现状分析 8
1.4课题的目的以及意义 9
1.4.1船舶工业现状 9
1.4.2本论文的主要工作 9
第二章 有限元软件介绍 11
2.1 有限元分析简介 11
2.1.1 有限元方法分析过程 11
2.1.2 有限元分析优点 11
2.1.3 有限元法应用上的缺点 12
2.3 MSC.PATRAN有限元软件介绍 12
1.4.1船舶工业现状 9
1.4.2本论文的主要工作 9
第二章 有限元软件介绍 11
2.1 有限元分析简介 11
2.1.1 有限元方法分析过程 11
2.1.2 有限元分析优点 11
2.1.3 有限元法应用上的缺点 12
2.3 MSC.PATRAN有限元软件介绍 12
2.4 MSC.NASTRAN软件介绍 13
2.5 patran建模及分析步骤 13
2.4 本章小结 14
第三章 舱段有限元模型介绍 16
3.1 船体结构 16
3.1.1 舱段模型建造原则 16
3.1.2 船舶主尺度和主要参数 17
3.2 材料参数 18
3.3 5200DWT多用途货船有限元建模过程简介 18
3.4本章小结 21
第四章 5200DWT多用途货船舱段有限元分析直接计算结果 23
4.1概述 23
4.2参考图纸 23
4.3有限元模型 24
4.3.1结构模型 24
4.3.2坐标系 25
4.3.3边界条件 25
4.4工况及载荷 26
4.4.1计算工况 26
4.4.2载荷 26
4.5许用应力衡准 32
4.5.1分析结果汇总 32
4.5.2 变形云图 34
4.6结论 41
第五章 结论与展望 42
致 谢 44
参考文献 45
绪论
1.1引言
与地面建筑相比较，船舶结构相对复杂。且面对复杂多变的海洋环境，船舶结构安全方面的问题必须要仔细考虑及解决。结构安全方面涵盖了疲劳、强度、形式等问题。优越的船舶结构能为船舶性能，包括快速性、稳定性、操纵性等的实现提供良好的基础条件，从而保证其经济价值最大化。
在船舶结构力学以及船舶结构强度的理论知识体系[1]中，为校核船体结构强度时均是运用了船体梁假设。即在理论计算过程中，简化船体结构，省去繁杂的机械结构及上层建筑等，将船体简化成单跨梁。限定单跨梁的边界条件，在单跨梁上施加荷载，进行应力及应变分析。从而分析船体在极端荷载作用下的损伤情况[20]。
船体梁理论在教学过程中简单易懂，且计算过程相对简单。但是这一计算方法无法满足工程实际中船体的工作状况。首先船体梁的简化过程过于简单粗暴，占船体重量较大的上层建筑被一次性省略，仅仅考虑简单的集中力或力矩的加载。这样的加载存在多方面的问题，首先船舶在营运过程中受到的荷载并非单一荷载，包括竖直向下的船体重力，与船体湿表面相互垂直的静水压力，与货舱内壁相互垂直的货物压力，垂向的弯矩等。而就简化过程而言，也存在诸多的问题，包括多构件之间的相互组合，力的传递过程中会出现斜向以及切向的分解。且大的构件往往是组合型构件，包括加强筋，肋板，纵骨，纵桁等，不加区别的简化，结构件肯定会出现大的问题。在计算过程中往往为了船体的结构强度问题会将安全系数设置的很大，往往会在建造过程中浪费大量的材料，增加建造成本。且随着船型越来越多，部分船型无法进行简化。比如集装箱船，滚装船等大开口船舶。因此船体梁理论越来越无法适应时代的需要。
一方面简化船体梁理论的发展越来越受到制约，另一方面随着计算机科学的飞速发展。原来只存于理论中的有限元理论被重新提及。由此原来得不到重视以及解决的船体所受载荷也开始同步发展起来，除了原来简化的剪切力与弯矩之外，静水压力，货物压力等开始得到深入研究以及发展，理论体系也日趋成熟。
计算机科学技术飞速发展，有限元理论更是发展壮大起来。原有的有限元理论不再是只停留在理论基础上，在计算机上的应用愈加成熟。同时伴随着计算机辅助设计的飞速发展，整个船舶设计以及检测伴随着计算机科学技术的发展越来越成熟简便，设计检验时间得到了大幅缩短，成本得打大幅减小。给船厂以及船东带来了巨大的利益增长。尤其在实际的船舶设计建造过程中，有效应用计算机以及有限元技术，可以在建造之前，对船舶强度有很好的预测，从而在建造前期对船舶的设计进行完善。在建造之后对于船体舱段或者整体的有限元检验有助于减少人力物力，且检验结果更加直观准确。
就按照有限元技术要求进行建立模型的要求而言是大同小异的，有限元技术由舱段检验发展到可以全船检验。各国船级社也不断开始制定以及发展相关规范。全船有限元检验相比较舱段有限元检测更科学合理，但是全船有限元模型建立过程相对复杂，工作量大。大部分情况下只需要对舱段进行有限元校核，舱段有限元校核的时候就需要将全船有限元校核时的边界条件以及载荷进行转换。从而节约时间，减少工作量。而何时进行全船有限元校核、何时进行舱段有限元校核，在各国的规范中相关规定也不尽相同，且都做出来明确的规定。
而计算机科学技术的飞速发展离不开计算机硬件的飞速发展。往往计算要求的精度越高，计算机硬件要求越高。现在有限元网格的计算精度可以达到亿万级，可以满足大部分情况下的校核精度要求。而有关荷载的理论体系越来越完善，大量的计算公式开始涌现，而有限元软件中对于荷载的添加也开始使用这些公式进行荷载施加，使得有限元校核愈加精确。
本文拟就基于CAE计算机辅助工程技术软件MSC.PATRAN,依据《国内航行海船建造规范》2012第2篇2.12.1.3（2）的规定的相关要求，对5200DWT多用途货船舱段进行有限元分析。
1.2多用途货船发展综
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