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/L1/15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/L1/10 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/L1/10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=0.0112 m2 Iy=0.319*e-3 m4 TKZB1=0.13679 m TKZT1=0.2832 m 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=2.06e8 kN/m2,MU=0.3图2-3本例命令流文件：Gird44.dat fini /clear /title,gird 2002/9/22 /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,8,11 FLST,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, , ,1 LMESH,ALL/view,1,0.75,0.54,0.38 /ang,1,-101 /ESHAPE,1 EPLOT FINI /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 /post 1 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, 2 etable,SMINj,NMISC, 4 etable,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 = 0.01 N/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,shell 63 + beam188 /prep7 et,1,shell63 r,1,10 et,2,beam188 ! T 8*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 ! L 1 k,3,0,0,-3000 $k,4,500,0,-3000L,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