﻿ 基于有限元分析的船舶结构设计
 舰船科学技术  2001, Vol. 44 Issue (6): 40-43    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.06.008 PDF

1. 浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021;
2. 中国船级社舟山办事处，浙江 舟山 316000

Research on ship structure design based on finite element analysis
LI Yun1, ZHANG Dong2
1. Zhejiang International Marine College, Zhoushan 316021, China;
2. Zhoushan Office, CCS, Zhoushan 316000, China
Abstract: Using Ansys finite element analysis platform to build the whole ship model, through the two methods of interpolation and mesh partition model grid, and in different load cases, through three mechanics equation simulation and checking resistance loss of the model of a ship and bearing strength, performance analysis of ship structure, and USES the Ansys finite element analysis platform to complete the model structure size optimization of the ship. The results show that the method can obtain the stress distribution results of different structural parts of the ship under different loads. Under different loads, the bow cabin structure and deck support structure have significant stress concentration phenomenon, and the maximum deformation is close to 8 cm. After optimizing the size of the ship structure, the maximum stress of the structure does not exceed the upper limit of stress 400 MPa, and the overall ship mass is gradually lightened.
Key words: finite element analysis     shipbuilding     structural design     whole ship model     different loads     bearing strength
0 引　言

1 基于有限元分析的船舶制造结构设计方法 1.1 船舶制造结构分析的有限元模型

1）数据插值算法：为提升全船形状的模拟精度，采用Akima 插值算法完成模型的数据插值处理， ${p_i}\left( {{x_i},{y_i}} \right)$ 表示数据点，其数量为 $n$ ，且位于坐标系内，其中 $i = 1,2,\cdots,n$ ，插值点数量为 $m$ ，其为 ${x_1}, {x_2},\cdots,{x_m}$ ，其对应的函数值用 ${y_1},{y_2},\cdots,{y_m}$ 表示，且处于 $\left[ {{x_k},{x_{k + 1}}} \right]$ 区间范围内，基于此，端点需满足式(1)和式(2)的标准：

 $\left\{ {\begin{array}{l} {{y_k} = f\left( {{x_k}} \right)，} \\ {{y_{k + 1}} = f\left( {{y_{k + 1}}} \right)}，\end{array}} \right.$ (1)
 $\left\{ {\begin{array}{l} {{g_k} = \dfrac{{{\rm{d}}{y_k}}}{{{\rm{d}}t}}} ，\\ {{g_{k + 1}} = \dfrac{{{\rm{d}}{y_{k + 1}}}}{{{\rm{d}}t}}} 。\end{array}} \right.$ (2)

2）确定模型表面型线二次多项式，完成全船有限元模型表面网格划分，获取的全船有限元网格划分模型如图1所示。获取的船舶制造结构有限元模型结构主要包含全电焊、纵骨架和横骨架结构[11]。其中纵向结构的船舶部位包含两侧对称的船舶货仓壁、甲板等；横向结构的船舶部分主要包含水密舱壁等。

 图 1 船舶制造整体有限元网格划分模型 Fig. 1 The overall finite element meshing model of shipbuilding

1.2 船舶制造结构的有限元分析方法

 $\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {\dfrac{{\delta {\sigma _x}}}{{\delta x}} + \dfrac{{\delta {\tau _x}}}{{\delta y}} + \dfrac{{\delta {\tau _z}}}{{\delta z}} + {q_x} = 0}, \\ {\dfrac{{\delta {\tau _x}}}{{\delta x}} + \frac{{\delta {\sigma _y}}}{{\delta y}} + \dfrac{{\delta {\tau _y}}}{{\delta z}} + {q_y} = 0}, \\ {\dfrac{{\delta {\tau _x}}}{{\delta x}} + \frac{{\delta {\tau _y}}}{{\delta y}} + \dfrac{{\delta {\tau _z}}}{{\delta z}} + {q_z} = 0} 。\end{array}} \right.$ (3)

 ${\varepsilon _x} = \frac{{{{\delta}} u}}{{{{\delta}} x}},{\varepsilon _y} = \frac{{{{\delta}} v}}{{{{\delta}} y}},{\varepsilon _z} = \frac{{{{\delta}} w}}{{{{\delta}} z}} ，$ (4)
 ${\kappa _x} = \frac{{{{\delta}} u}}{{{{\delta}} x}} + \frac{{{{\delta}} v}}{{{{\delta}} y}},{\kappa _y} = \frac{{{{\delta}} w}}{{{{\delta}} x}} + \frac{{{{\delta}} v}}{{{{\delta}} y}},{\kappa _z} = \frac{{{{\delta}} u}}{{{{\delta}} y}} + \frac{{{{\delta}} v}}{{{{\delta}} z}} 。$ (5)

1.3 载荷分析

1）海水浮力载荷：Pw表示海水压力，其加载于船体甲板上，计算公式为：

 ${P_w} = {\rho _w}g{h_z}。$ (6)

2）船舶在满载情况下，向模型湿表面每个单元上分布施加压力，其载荷取中垂波面；空载情况下取中拱波面。

3）波浪扭矩等效分布载荷计算公式为：

 ${p_t}\left( x \right) = \frac{{{m_{{{{T}}}}}\left( x \right)}}{{b\left( x \right)}}。$ (7)

4）货物扭矩载荷计算公式为：

 ${p_{tc}}\left( x \right) = \frac{{{m_{tc}}\left( x \right)}}{{b\left( x \right)}}。$ (8)

5）满载时，静态状态下，计算点的载荷计算公式为：

 ${P_{{\rm{still}}}} = {\rho _c}g{h_z} + {P_0}。$ (9)

6）满载时，动态状态下，计算点的垂向、垂向和纵向、横载荷分，具体为：

 ${P_v} = {\rho _c}g{h_z}\left( {1{\text{ + }}{a_z}} \right) + {P_0}，$ (10)
 ${P_{v + l}} = {\rho _c}g{h_z}\left( {1{\text{ + }}{a_z}} \right) + {\rho _c}g{h_x}{a_x} + {P_0}，$ (11)
 ${P_t} = {\rho _c}g{h_z} + {\rho _c}g{h_y}{a_y} + {P_0}。$ (12)

1.4 船体制造结构尺寸优化

 图 2 船舶制造模型结构优化流程 Fig. 2 Structure optimization process of ship manufacturing model
2 实验结果分析

 图 3 空载静态状态下总体船舶结构应力分布结果 Fig. 3 Stress distribution results of the overall ship structure in the no-load static state

 图 4 纵向加筋板结构的扭转焊接变形结果 Fig. 4 Torsion welding deformation results of longitudinal stiffened plate structure

 图 5 纵向加筋板结构的扭转焊接变形应力分布 Fig. 5 Distribution of deformation stress during torsional welding of longitudinal stiffened plate structure

 图 6 船舶制造结构优化结果 Fig. 6 Optimization results of ship manufacturing structure
3 结　语

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