船舶结构有限元分析自动加载技术研究
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摘要
整船结构分析能够真实地模拟船舶所承受的载荷分布，减少边界条件对分析结果带来的人为影响，是一种精度更高的分析方法。进行整船结构有限元分析模型加载非常复杂。整船结构有限元分析的载荷自动加载技术应该包括：舷外水压力计算、船舶浮态调整和节点载荷自动分配。本文对整船结构有限元模型进行了分析，主要做了以下几个方面工作：
1)船舶结构重量、重心计算分析，运用静力学的方法对船舶重量包括船体钢料重量和船舶上的设备、油、水、人员和货物等重量进行分析，总结了船舶总的重量、重心计算方法。
2)用静力学计算方法，推导出把船体壳板上的波浪静水压力等效分配到相应的节点上的公式，总结出计算出船舶的浮力和浮心计算方法。
3)通过分析船舶常用浮态调整方法、船体结构有限元模型和船体线型特征，运用船舶静力学原理，推导船舶浮态纵倾调整公式，分析了基于船舶结构有限元模型的纵倾浮态调整方法和初步探讨了纵倾浮态调整中的参数确定方法以及初步确定这些参数的取值范围。
4)用本文推导的计算方法和公式开发FORTRAN程序，并编译连接到有限元软件ANSYS中，用于进行整船结构有限元分析时自动加载计算。
5)建立实际营运船舶有限元模型，计算船舶的重量和重心、浮力和浮心，用程序计算的船舶的总体重量和重心、浮力和浮心，分析了本文编制的程序计算误差。
本文研究的加载方法和编制的程序可以应用于整船结构有限元分析自动加载。
Structure analysis of whole hull can simulate the real load ,reduce man-made influence of result caused by boundary conditions. It is a more accurate analysis. With the development of ship industry, the FEA applied in ship structure is more complex. The techniques of auto-loading includes: water pressure on hull, balancing on model, and automatic distributing load on nodes. In this paper, an analysis is made in this field. The following is the main works of the paper.
1) The weight and the center of weight of the whole hull, analysis by statics the weight of steel, the equipment, oil, water, crew and cargoes etc., conclude a method of calculating the weight and the center of weight of the whole hull,
2) Work out the series of formula of distributing the water pressure of wave to the corresponding nodes on the plate, conclude a method of calculating the flotage and the center of the flotage,
3) Analysis the method of adjusting the equilibrium of the hull, the finite element module of the hull, and the character of the linetype, by ship statics principle, work out a series of formula of adjusting longitudinal slant, preliminarily confirm the parameter and the range,
4) Program in FORTRAN, and link into ANSYS, for auto-loading when analyzing the whole hull by the FEA,
5) Make the finite element module of a real hull, calculate the weight and the center of the weight, the flotage and the center of the flotage, compare the result of manual calculation with the computed result, analysis the deviation of the program.
The formula, the way and the program of auto-loading can be used for FEA the whole hull. This may serves a basis for further study.
1)船舶结构重量、重心计算分析，运用静力学的方法对船舶重量包括船体钢料重量和船舶上的设备、油、水、人员和货物等重量进行分析，总结了船舶总的重量、重心计算方法。
2)用静力学计算方法，推导出把船体壳板上的波浪静水压力等效分配到相应的节点上的公式，总结出计算出船舶的浮力和浮心计算方法。
3)通过分析船舶常用浮态调整方法、船体结构有限元模型和船体线型特征，运用船舶静力学原理，推导船舶浮态纵倾调整公式，分析了基于船舶结构有限元模型的纵倾浮态调整方法和初步探讨了纵倾浮态调整中的参数确定方法以及初步确定这些参数的取值范围。
4)用本文推导的计算方法和公式开发FORTRAN程序，并编译连接到有限元软件ANSYS中，用于进行整船结构有限元分析时自动加载计算。
5)建立实际营运船舶有限元模型，计算船舶的重量和重心、浮力和浮心，用程序计算的船舶的总体重量和重心、浮力和浮心，分析了本文编制的程序计算误差。
本文研究的加载方法和编制的程序可以应用于整船结构有限元分析自动加载。
Structure analysis of whole hull can simulate the real load ,reduce man-made influence of result caused by boundary conditions. It is a more accurate analysis. With the development of ship industry, the FEA applied in ship structure is more complex. The techniques of auto-loading includes: water pressure on hull, balancing on model, and automatic distributing load on nodes. In this paper, an analysis is made in this field. The following is the main works of the paper.
1) The weight and the center of weight of the whole hull, analysis by statics the weight of steel, the equipment, oil, water, crew and cargoes etc., conclude a method of calculating the weight and the center of weight of the whole hull,
2) Work out the series of formula of distributing the water pressure of wave to the corresponding nodes on the plate, conclude a method of calculating the flotage and the center of the flotage,
3) Analysis the method of adjusting the equilibrium of the hull, the finite element module of the hull, and the character of the linetype, by ship statics principle, work out a series of formula of adjusting longitudinal slant, preliminarily confirm the parameter and the range,
4) Program in FORTRAN, and link into ANSYS, for auto-loading when analyzing the whole hull by the FEA,
5) Make the finite element module of a real hull, calculate the weight and the center of the weight, the flotage and the center of the flotage, compare the result of manual calculation with the computed result, analysis the deviation of the program.
The formula, the way and the program of auto-loading can be used for FEA the whole hull. This may serves a basis for further study.
引文
[1] 钱仍绩 吕运山．船舶结构有限元分析中的分布载荷的离散化．中国造船．1996．2
[2] 白建伟 李润培 顾永宁 胡志强．集装箱船整船有限元结构分析．船舶工程．2000年第2期
[3] 钱仍绩 韦凝男 张世联 吴荣宝 易章秀．上层建筑参加船体总纵弯曲程度研究
[4] 关云 罗宏志 李世真．船舶结构有限元模型及分析结果可视化系统研究与开发．船舶设计通信．1998．6
[5] 顾晔昕 詹志鹄 孙久龙．集装箱整船结构三维有限元强度分析方法．中国造船．2001．9
[6] 王杰德 扬永谦 戴立广 胡日强．船体强度与结构设计．国防工业出版社．1995
[7] 朱胜昌 陈庆强 江南．整船准静态分析的有限元模型自动加载及载荷技术．船舶力学．1999．10
[8] 施丽娟 崔维成．船舶结构强度有限元分析的质量控制研究综述．船舶．2002年10月
[9] 陈扬友 胡金莲．结构有限元分析的集成化环境．长江科学院院报．1994年02期
[10] 《有限元法在船舶结构中计算中的应用》翻译组译．有限元法在船舶结构设计中的应用 (苏)B．A.巴斯诺夫 1977年10月第一版
[11] 冯恩德、席龙飞．船舶设计原理．大连海运学院出版社．1990．8
[12] 程虹 李炜 扬屹．船舶浮态调整系统研究．中国造船．2000．3
[13] 蔡岭梅 王兴权 杨万柏．船舶静力学．人民交通出版社．1995．11
[14] 顾永宁 腾晓青 戴立广 胡日强．大开口船波浪载荷长期预报和弯扭强度整船有限元分析．中国造船．1998(2)
[15] 钱仍绩．2700箱集装箱船质量、载荷离散化计算报告．上海交通大学．1993．3
[16] 钱仍绩．大型集装箱船结构分析系统载荷离散化程序说明和使用指南．上海交通大学．1993．3
[17] 陈精一 菜国中 电脑辅助工程分析ANSYS使用指南．中国铁道出版．2001．北京
[18] 世界船级社再上CAE应用新台阶．www.msc.com.cn/aboutmsc.htm
[19] 中国船级社规范与技术管理部．中国船级社主要技术开发项目．Technology Bulletin，2001，3．第6期．
[20] 中国船级社，钢质海船入级与建造规范，2002．人民交通出版社．2002．5
[21] 张少雄．船舶水弹性(讲义)1996．1 始
[22] [英]E.欣顿 D.R.J.欧文．扬楚泉 姚玉珉 黄冠雄译．有限元程序设计．新时代出版社．1982．5
[23] 严仁军．结构计算设计计算方法选用。水运科技信息．1998，第4期
[24] 王杰德 熊建武．船体极限纵向强度及其统计量的计算．武汉交通科技大学学报．1997，2．
[25] 张少雄 扬永谦．油船结构强度分析与研究．武汉交通科技大学学报．2000，2．
[26] 王勇毅、董守富．计算机辅助船体建造．人民交通出版社1995．12
[27] Kamel Ha,er al.An automated approach to ship structure analsis.Trans. SNAME, 1969,77.
[28] Song Jae-Young,Ha Tae-Bum. On the development of design wave load in classification rules.Journal of Hydrospace Technology.-1995,1 (2).
[29] Han Sung Kon. On the detail of structural analsys of a large container vessel. Journal of Hydrospace Technology.-1995,1 (2).
[30] Mukherjee.s. Hagashi.s.Stress analsis of openings(slotes) for longitudinals in ship structure by finite element method.日本造船学会论文集. 1999(232).
[31] Guedes Soare C.on the uncertainty in long-term prediction of wave include loads on ships. Marine structure- 199912(3).
[32] Trya V N. Methodical prinepel and algorithms of elaboration of a date base "hull,structure" in a system for automated parametrical design of the ship structure. ISC'98.section A, Vol1.1998.
[33] Skourup J Loads on a 3D body due to second-order wave and a current. Ocean Engineering, 2000,27(7).
[34] Boitsov G V Ship hull strength assessment soft ware system. ISC'98,section A vol 1-1998.
[35] Us yard expend use of structure analysis. Small ships-1999(11).
[36] Evolving new hull-strength analysis soft ware at PRS. The Naval Arclitect. 1999(7/8).
[37] NKK 情报技术部解析部门 船体-Prime ship-ASSAS．日本海事会协会会志,2000,(253)．
[38] Koemg PC,Kuegelgen J E Value structure analysis and process-derived performance metrics for ship building. Naval Engineer Jaurnal,1999,111(3).
[39] Postnov V A Parametric Approximation of Curved ship's surfaces by the finite Element Methods. ISC' Proceeding Section A. 1994.
[40] Liu D. Recent Development of Design Criteria for Structures of Bulk Carriers.
[41] You-Hua liu.Prediction of Steady Propeller Performance with a Nonlinear Slipstream and Boundary-layer Effect. Journal of Ship Research, Vol,39,No.4
[42] David. Greeley Justin E.Kerwin.Numerical Methods for Propeller Design and Analysis in Steady Flow. SNAME Transactions,Vol.90.1982.
[2] 白建伟 李润培 顾永宁 胡志强．集装箱船整船有限元结构分析．船舶工程．2000年第2期
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