基于ANSYS軟件的船體局部強度計算模型

2013-05-08  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

 作者: 侯超    來源: 萬方數據
關鍵字: 有限元 ANSYS 建模 實體單元 

船體結構強度是船體設計和建造過程中都必須首先考慮的問題,在傳統的設計和計算中,以滿足規范要求作為設計前提,同時認為是滿足強度要求的。但是船舶實際航行中很多因素是無法事先估計到的,因此強度安全問題一直人們關注的一個焦點問題。隨著有限元法的引入,各種有限元軟件被引入進行船體強度計算和校核。本文以某船強度分析為例,詳細分析了船體的結構特征和受力情況,針對駕駛室前端壁和上層建筑強構件強度計算,提出一種分段拆分式建模的有限元模型處理方法。實際證明這樣的處理方式即能滿足強度計算的要求且計算模型簡單,對船體上層建筑強度計算相關問題的處理具有一定的實際意義。

一、引言

有限元方法是解決工程和數學物理問題的數值方法,也稱為有限單元法,是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域中的應用和發展。由于它的通用性和有效性,有限元方法在工程分析中得到了廣泛的應用,己成為計算機輔助設計和計算機輔助制造的重要組成部分。

ANSYS有限元分析軟件具有功能極為強大的前后處理及計算分析能力,能夠模擬結構等多種物理場間的耦合效應,可以實現對結構的“全過程仿真”,和“全過程分析”。因而為其在船舶結構中靜力計算和動力計算提供了方便。本文以某船強度分析為例,針對駕駛室前端壁和上層建筑強構件強度計算,提出—種分段拆分式建模的有限元模型處理方法。

二、許用應力的確定

該船駕駛室前端壁及上層建筑結構為鋁合金材質,其屈服強度,抗拉強度,許用應力標準取為175/K。材料系數K按《海規》規定計算:其退火狀態下的非比例伸長應力為則

三、模型處理和強度分析

1.前端壁計算模型簡化分析

對于駕駛室前端壁而言,因為合金板材被挖掉很大部分以安裝玻璃,因此結構強度被大大削弱。為此在校核前端壁強度時,采取空間板梁結構進行模擬,分別以shell板單元和beaml88實體單元模擬結構的板材和骨架結構。玻璃部分載荷取與其他部位相同的分布載荷等效作用在窗口扶強材和水平桁上,其他部位的計算載倚取計算水頭均勻分布作用于面內。由于整個結構相對圍壁和上下層甲板結構而言相對較弱,因此模型周圍約束偏安全地取自由支持。前端壁相應構件及剖面要素如表1所示。

    表1 端壁構件剖面要素

2.上層建筑強構件計算模型簡化分析

對于上層建筑及各層甲板強構件的直接計算采取分層分段建模。為了正確校核上層建筑甲板的承載能力和側壁的承載能力,計算模型簡化為空間梁系結構,粱系由甲板縱桁、強橫梁和側壁豎桁組成。各種型材連同其帶板作為梁單元考慮,在結構模型中采用梁單元beaml88來進行模擬。

以羅經甲板區域為例,羅經甲板區域計算范圍從#57號肋位至#80+400號肋位,計算載荷:甲板取為側壁取15.5KN/m2(由計算所得,如表3)。由于其型材為鋁合金,而與下層甲板及橫艙壁問聯結相對較弱,而其支柱兩端近似絞接,因而#80+400號肋位處甲板縱桁,側壁、后端壁、豎桁與下層甲板的連接處,支柱與下層甲板連接處邊界條件均偏安全取自由支持。甲板載荷等效為線性均布裁荷作用在甲板縱桁上,強橫梁作為縱桁的支持構件。

相關計算構件選取及其剖面要素如表2。

表2 構件剖面要素

3.結構外力計算

計算水壓頭h按h=αδ(βλ-γ)m hmin=0.005L+1.25進行計算。本魚政執法船各層外力壓頭計算如表3。

    表3 魚政執法船各層甲板外力壓頭計算

    圖1 端壁板應力計算 圖2前端壁骨架應力計算

    圖3 羅經甲板強構件應力計算

四、結論

隨著數值分析方法的逐步完善,尤其是計算機運算速度的飛速發展,整個計算系統用于求解運算的時間越來越少。美國ANSYS公司開發的ANSYS軟件,作為CAE領域最著名的有限元分析軟件之一,在工業領域中的應用已經非常廣泛。實踐證明,對于船體上層建筑計算而言,采用這樣拆分建模的方式進行處理即能滿足強度計算要求,又能減少模型建立和計算時間。與全船局部艙段實體建模的空間板梁結構的處理方式比較,其計算結果略有偏差,但對于上層建筑而言,這樣的處理方式是可行的。

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