ANSYS在船體強(qiáng)度計(jì)算中的應(yīng)用

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

基于ANSYS軟件的船體局部強(qiáng)度計(jì)算模型
作者: 侯超    來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 有限元 ANSYS 建模 實(shí)體單元  
船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是船體設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中都必須首先考慮的問(wèn)題,在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算中,以滿足規(guī)范要求作為設(shè)計(jì)前提,同時(shí)認(rèn)為是滿足強(qiáng)度要求的。但是船舶實(shí)際航行中很多因素是無(wú)法事先估計(jì)到的,因此強(qiáng)度安全問(wèn)題一直人們關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題。隨著有限元法的引入,各種有限元軟件被引入進(jìn)行船體強(qiáng)度計(jì)算和校核。本文以某船強(qiáng)度分析為例,詳細(xì)分析了船體的結(jié)構(gòu)特征和受力情況,針對(duì)駕駛室前端壁和上層建筑強(qiáng)構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算,提出一種分段拆分式建模的有限元模型處理方法。實(shí)際證明這樣的處理方式即能滿足強(qiáng)度計(jì)算的要求且計(jì)算模型簡(jiǎn)單,對(duì)船體上層建筑強(qiáng)度計(jì)算相關(guān)問(wèn)題的處理具有一定的實(shí)際意義。

一、引言

有限元方法是解決工程和數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的數(shù)值方法,也稱為有限單元法,是矩陣方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)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(yīng)用,己成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)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(qiáng)大的前后處理及計(jì)算分析能力,能夠模擬結(jié)構(gòu)等多種物理場(chǎng)間的耦合效應(yīng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的“全過(guò)程仿真”,和“全過(guò)程分析”。因而為其在船舶結(jié)構(gòu)中靜力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算提供了方便。本文以某船強(qiáng)度分析為例,針對(duì)駕駛室前端壁和上層建筑強(qiáng)構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)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(yīng)力的確定

該船駕駛室前端壁及上層建筑結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì),其屈服強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度,許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)取為175/K。材料系數(shù)K按《海規(guī)》規(guī)定計(jì)算:其退火狀態(tài)下的非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力為則

    三、模型處理和強(qiáng)度分析

    1.前端壁計(jì)算模型簡(jiǎn)化分析

對(duì)于駕駛室前端壁而言,因?yàn)楹辖鸢宀谋煌诘艉艽蟛糠忠园惭b玻璃,因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度被大大削弱。為此在校核前端壁強(qiáng)度時(shí),采取空間板梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,分別以shell板單元和beaml88實(shí)體單元模擬結(jié)構(gòu)的板材和骨架結(jié)構(gòu)。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(qiáng)材和水平桁上,其他部位的計(jì)算載倚取計(jì)算水頭均勻分布作用于面內(nèi)。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)圍壁和上下層甲板結(jié)構(gòu)而言相對(duì)較弱,因此模型周圍約束偏安全地取自由支持。前端壁相應(yīng)構(gòu)件及剖面要素如表1所示。

    表1 端壁構(gòu)件剖面要素

    2.上層建筑強(qiáng)構(gòu)件計(jì)算模型簡(jiǎn)化分析

對(duì)于上層建筑及各層甲板強(qiáng)構(gòu)件的直接計(jì)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(cè)壁的承載能力,計(jì)算模型簡(jiǎn)化為空間梁系結(jié)構(gòu),粱系由甲板縱桁、強(qiáng)橫梁和側(cè)壁豎桁組成。各種型材連同其帶板作為梁?jiǎn)卧紤],在結(jié)構(gòu)模型中采用梁?jiǎn)卧猙eaml88來(lái)進(jìn)行模擬。

以羅經(jīng)甲板區(qū)域?yàn)槔?羅經(jīng)甲板區(qū)域計(jì)算范圍從#57號(hào)肋位至#80+400號(hào)肋位,計(jì)算載荷:甲板取為側(cè)壁取15.5KN/m2(由計(jì)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(wèn)聯(lián)結(jié)相對(duì)較弱,而其支柱兩端近似絞接,因而#80+400號(hào)肋位處甲板縱桁,側(cè)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(qiáng)橫梁作為縱桁的支持構(gòu)件。

    相關(guān)計(jì)算構(gòu)件選取及其剖面要素如表2。

    表2 構(gòu)件剖面要素

3.結(jié)構(gòu)外力計(jì)算

計(jì)算水壓頭h按h=αδ(βλ-γ)m hmin=0.005L+1.25進(jìn)行計(jì)算。本魚政執(zhí)法船各層外力壓頭計(jì)算如表3。

    表3 魚政執(zhí)法船各層甲板外力壓頭計(jì)算

    圖1 端壁板應(yīng)力計(jì)算 圖2前端壁骨架應(yīng)力計(jì)算

    圖3 羅經(jīng)甲板強(qiáng)構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算

    四、結(jié)論

隨著數(shù)值分析方法的逐步完善,尤其是計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展,整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時(shí)間越來(lái)越少。美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的ANSYS軟件,作為CAE領(lǐng)域最著名的有限元分析軟件之一,在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。實(shí)踐證明,對(duì)于船體上層建筑計(jì)算而言,采用這樣拆分建模的方式進(jìn)行處理即能滿足強(qiáng)度計(jì)算要求,又能減少模型建立和計(jì)算時(shí)間。與全船局部艙段實(shí)體建模的空間板梁結(jié)構(gòu)的處理方式比較,其計(jì)算結(jié)果略有偏差,但對(duì)于上層建筑而言,這樣的處理方式是可行的。

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