船体结构有限元分析专题

船体结构有限元分析专题•概述•船体是由板梁组成的三维空间结构，是在水中漂浮的自由体，在重力和浮力作用下处于自平衡状态。根据这些特点，进行船体结构有限元分析时，各国船级社都有一些要求和规定。•我国船级社（CCS）的下列标准可供参考：•船体结构直接计算指南（海船）•钢质内河船舶船体结构直接计算指南（内河）•散货船船体结构强度直接计算指南•油船船体结构直接计算指南•集装箱船结构强度直接计算指南•双舷侧散货船船体结构强度直接计算指南•应用ANSYS程序进行船体结构分析时应遵照这些指南或标准的规定，比如单元选取，网格划分要求，边界条件，载荷等。然后才能选用它们规定的许用应力衡准。1.船体结构模型通常可以划分成下列类型：(a)船体梁整体模型（图1）图1船体梁整体模型图2舱段模型(b)舱段模型（图2）(c)交叉梁系模型（板架）（图3）(d)肋骨框架模型（图4）(e)局部结构模型（图5）图3交叉梁系模型图4肋骨框架模型图5局部结构模型•2.单元类型选取•舱段及整船分析主要应用板梁组合结构模型。•骨架采用梁单元，板采用壳单元，对于高腹板梁的腹板用壳单元离散，面板用杆单元，支柱及撑材等用杆单元。•此外为处理特殊边界条件可能还需要应用一些特殊单元。•3.本专题我们将重点介绍舱段和整船有限元分析方法，包括下列内容：•板梁组合结构计算•舱段有限元分析－建模、施加边界条件、施加波浪载荷方法•全船有限元分析•局部结构强度分析以上内容，用ANSYS程序实现•第一章板梁组合结构计算•§1概述•ANSYS中梁单元类型有多种，在船体结构计算中主要应用Beam44和Beam188单元。•Beam44是3D带斜度的非对称梁元，节点i，j，k（k为定位点），它的理论模型是:•Euler-Bernolli梁－包括轴向、弯曲、扭转变形，横向剪切变形不包括在单元公式中，即假设梁的剪切变形被忽略。这只有当梁的截面尺寸h与典型轴向尺寸L之比h/L≤1/15时才能给出合理的结果。•Beam44采用3次形函数，单刚为精确解，所以划分单元时，在梁的跨度范围（即每个构件）只用一个单元即可。所以在连续梁、刚架、板架以及空间刚架计算中多采用Beam44单元。•Beam188单元为Timoshenko梁－包括弯曲、轴向、扭转和横向剪切变形，适合于剪切变形为主的深梁和剪切变形为次的细长梁。当梁的截面尺寸h与典型轴向尺寸L之比h/L≤1/10时可以给出合理的结果，因为它计及了剪切变形的影响。如果h/L＞1/10为高腹板梁，此时需将梁的腹版用shell63单元离散，面板用杆元link8离散（图1-1）。图1-1•Beam188单元可以直接输剖面尺寸而不需输入实常数，用/eshape,1命令显示梁的实体形状时，可显示剖面真实形状；而Bean44单元则只能显示截面为矩形形状，因为它是通过输入的实数显示剖面形状的。此外在后处理中，Beam188单元非常方便，像shell63单元一样显示应力云图；而Beam44单元只能通过定义单元表显示梁的弯矩，应力等。Timoshenko梁（Beam188/Beam189）采用一次/二次形函数，所以梁需要划分足够多的单元才能逼近真实解。•·梁的定位点（方向点）（图1-2）•定位点k在x-Z平面（也可以在x-y平面）。例：如果给定一条线，指定了一个方向点(关键点KB)，则沿线按一定方向生成梁单元（图1-3）图1-2定位点图1-3•§2交叉梁系（板架）计算•通常采用Beam44单元（图2-1）计算。•(1).DX1=0,DY1=0,DZ1=0以CG点为节点。•(2).如果忽略扭转影响，IX1可填小值，如IX1=1.0e-10；如果忽略IZ1影响，IZ1可填小值，如IZ1=1.0e-10。•注意：IX1,IZ1不能填任意值，它对结果有影响。•实常数：•R，1，Area1，,IZ1，IY1，TKZB1，TKYB1，IX1，•Rmore，Area2，,IZ2，IY2，TKZB2，TKYB2，,IX2，如果J点剖面与I点相同Area2，IZ2，填0或空白•Rmore，DX1，DY1，DZ1，DX2，DY2，DZ2，•Rmore，SHEARZ，SHEARY，TKZT1，TKYT1，TKZT2，TKYT2•剖面特性可以用ANSYS的SECTIONS计算得到。图2-1•例：计算图2-2所示交叉梁系•用ANSYS中SECTION计算，剖面特性如下：•A=0.0112m2•Iy=0.319*e-3m4•TKZB1=0.13679m•TKZT1=0.2832m•h/L=1/15,可用Beam44计算,以CG为节点(DZ1=0)图2-2叉梁系（用kN-m单位）•计算要点：•(1)忽略IZ,IX,取IZ=1.e-10,IX=1.e-10•(2)全部板架梁都用一个定位点K,100,0,4,3*1000•(3)绘纵梁弯矩图•(4)显示面板、带板应力材料：E=2.06e8kN/m2,MU=0.3图2-3bSMAX0maxbSMIN0min•本例命令流文件：Gird44.dat•fini•/clear•/title,gird2002/9/22•/prep7•/view,1,0.75,0.54,0.38•/ang,1,-101•et,1,beam44•mp,ex,1,2.06e8•R,1,0.0112,1.0e-10,0.319e-3,0.13679,0.1,1.0e-10,•rmore,,,,,,,•rmore,,,,,,,•rmore,,,0.2832,0.1,,•k,1,0,0,0$k,5,0,8,0•kfill,1,5,3•K,6,3,2,0•k,7,3,4,0$k,8,3,6,0•kgen,2,6,8,1,-6,•K,100,0,4,3*1000•L,1,5$L,6,9$L,7,10$L,8,11FLST,2,4,4,ORDE,2•FITEM,2,4,4,ORDE,2•FITEM,2,1•FITEM,2,-4•LOWLAP,P51X•NUMMRG,KP,,,,LOW•LPLOT•LSEL,ALL•LATT,1,1,1,,100,•Lesize,all,,,1LMESH,ALL/view,1,0.75,0.54,0.38/ang,1,-101/ESHAPE,1EPLOTFINI•/SOLU•DK,1,ALL$DK,5,ALL•NSEL,S,LOC,X,3•NSEL,A,loc,x,-3•D,ALL,ALL•ALLSEL•FK,3,FZ,-300•SAVE•SOLVE•FINI•/EOF•/post1•LSEL,S,LOC,X,0•ESLL•/VIEW,1,1.0•/ANG,1,-90•/REPLOT•etable,Ni,smisc,3•etable,Nj,smisc,9•plls,Ni,Nj,-1,0•etable,MI,smisc,5•etable,Mj,smisc,11•plls,Mi,Mj,-0.3,0•etable,SMAXi,NMISC,1•etable,SMAXj,NMISC,3•plls,SMAXi,SMAXJ,-0.3,0etable,SMINi,NMISC,2etable,SMINj,NMISC,4etable,SMINi,SMINj,-0.3,0•fini••§3板梁组合结构计算示例•板梁组合结构计算需考虑梁的偏置。•当梁单元作为壳单元的加强部件时，梁单元与壳单元应共享一个节点。壳单元节点位于壳中面上，而梁单元的节点位于梁横截面形心处，因此，如果壳和梁共享节点，加强梁与壳将重叠（图3-1a），这与实际结构不符，所以必须将梁截面从节点位置处偏置（图3-1b）图3-1a图3-1b•图3-2为一板梁组合结构（板架）。考虑梁的偏置应用Beam188单元和Shell63单元计算板架的变形与应力。图3-2•板架承受均布载荷q=0.01N/mm2•本例：h/L=1/20所以可用梁来模拟。•计算要点：（1）Beam188为线性2节点单元与Shell63（无中间节点）相匹配•(2)考虑Beam188/189偏心影响用下面的方法（图3-3）•梁的偏置应用下列命令：•SECOFFST，USER，y，z•SECTYPE，1，Beam，T，Beam188•SECOFFST，USER，0，415•SECDATA，100，415，10，8•SECTYPE，2，Beam，L，Beam188•SECOFFST，USER，0，130•SECDATA，80，130，8，8图3-3（3）Beam188为一次形函数所以需划分足够多的单元，它与壳单元网格密度一致（4）定位点：取远点定位K,1000,4000,8e10,0•文件:Shell_B188.dat•fini•/clear•/title,shell63+beam188•/prep7•et,1,shell63•r,1,10•et,2,beam188!T8*400/10*100•sectype,1,beam,T,,0•secoffset,user,0,415•secdata,100,415,10,8,0,0,0,0,0,0•et,3,beam188!L125*80*8•sectype,2,beam,L,,0•secoffset,user,0,130•secdata,80,130,8,8,0,0,0,0,0,0•mp,ex,1,2.1e5•mp,nuxy,1,0.3•k,1,0,0,0$k,2,8000,0,0•L,1,2!L1•k,3,0,0,-3000$k,4,500,0,-3000•L,3,4!L2•Lgen,16,2,,,500,0,0•k,500,0,0,3000•K,1000,4000,8e10,0•NUMMRG,KP,,,,LOW•L,3,500•adrag,2,3,4,5,6,7,18•adrag,8,9,10,11,12,13,18•adrag,14,15,16,17,,,18•FLST,2,16,4,ORDE,16•FITEM,2,1•FITEM,2,21•FITEM,2,23•FITEM,2,25•FITEM,2,27•FITEM,2,29•FITEM,2,31•FITEM,2,34•FITEM,2,36•FITEM,2,38•FITEM,2,40•FITEM,2,42•FITEM,2,44•FITEM,2,47•FITEM,2,49•FITEM,2,51•LOVLAP,P51X•NUMCMP,LINE•/PNUM,KP,1•/REPLOT•Element•type,1•real,1•esize,500•amesh,all•Lsel,s,,,85,98•Lsel,a,,,53,54•Latt,1,,2,0,1000,,1•Lmash,all•lsel,all•FLST,5,15,4,ORDE,15•FITEM,5,55•FITEM,5,-56•FITEM,5,58•FITEM,5,60•FITEM,5,62•FITEM,5,64•FITEM,5,66•FITEM,5,68•FITEM,5,-69•FITEM,5,71•FITEM,5,73•FITEM,5,75•FITEM,5,77•FITEM,5,79•FITEM,5,81•CM,_Y,LINE•LSEL,,,,P51X•CM,-Y1,LINE•CMSEL,S,_Y•CMDELE,_Y•LREVERSE,_Y1,0•CMDELE,_YI•Lsel,s,,,55,84•Latt,1,,0,1000,,2•Lmesh,all•allsel,all•NUMMRG,NODE,,,,LOW•NUMCMP,NODE•eplot•/solu•nsel,s,loc,x,0•nsel,a,loc,x,8000•d,all,all•nsel,s,loc,z,-3000•nsel,a,loc,z,3000•d,all,uy,0•nsel,all•ESEL,S,TYPE,,1•/REPLOT•sf,all,pres,0.01•allsel,all•solve•/ESHAPE,1.0•