文档介绍：第卷第期船舶力学,
年月
联合载荷作用下的整船有限元分析
徐向东仰药雯彭兴宁胡嘉骏陈瑞章
中国船舶科学研究中心, 无锡
摘要本文应用整船三维有限元方法, 分析了船体在波浪中航行时受弯扭联合作用下的结构响应, 船体所受的
联合载荷包括静水弯矩、垂向波浪弯矩、水平波浪弯矩、扭矩及相应的剪力。通过节点力转换的方法, 将船体外表
面所受的海水压力转化到有限元节点上。通过节点力平衡的处理, 将船体所受的联合载荷和重力及惯性力调整
到与其所受的三向矩及相应的剪力相平衡。
关键词联合载荷, 船体结构, 整船有限元
分类号
引言
随着船舶工业的发展, 各种新型结构的船体不断问世, 传统的船舶设计规范已不能完全满足设计
要求, 因而需要应用有限元作船体强度分析。由于整船分析能够真实地模拟船体的空间结构, 因而它
就能准确地反映船体的应力分布与变形。同时它又真实地模拟了船体所承受的载荷分布并能够很好
消除边界条件所带来的人为影响, 因而其分析结果可作为设计部门对船体进行设计与改造的依据。
目前, 在国内外对整船作三维有限元分析的工作开展得甚少, 各船级社如等提供的方法一
般都是针对船体舱段分析, 即便是整船有限元分析也仅限于单向载荷的作用。其中主要的困难, 一方
面来源于整船建模的复杂性, 但更主要的还在于对联合载荷的施加与惯性力平衡的调整。
本文应用三维有限元方法, 分析了船体在复合载荷作用下的响应, 载荷包括静水弯矩、垂向波浪弯
矩、水平波浪弯矩、扭矩及相应的剪力。通过节点力转换的方法, 将船体外表面所受的海水压力转化到
有限元节点上。通过节点力平衡的处理, 将船体所受的复合载荷和重力及惯性力调整到与其所受的三
向矩及相应的剪力相平衡。
外载荷计算
从完整的强度校核来说, 需要计算船体在波浪中航行时有可能发生的恶劣工况, 然后取其大者。就
总强度而言, 一般顶浪航行通常是最恶劣的工况。但顶浪航行时所受的载荷较为简单, 有限元计算时
对其处理较为方便, 用常规的梁理论也可以获得比较精确的结果。而船体在斜浪航行时受弯扭联合载
荷作用下情况比较复杂, 应用有限元作强度校核的计算过程也较为复杂, 因而有必要对其作尝试性探
讨。
本文对船体载荷的计算, 在正弦规则波中依照田才、高木等人阐明的“新切片法”建立船
舶运动方程式。对不规则海浪中波浪载荷的短期预报, 计算中设定可采用线性叠加的方法, 海浪谱用
推荐的波谱描述
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式中, 日为组合波与主浪向的夹角勺为能量扩散函数, 二, 分别为有义波高及海浪跨零周
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收稿日期一一
船舶力学第卷第期
期。
在波浪载荷的长期预报中, 对船舶在整个寿命期内遭遇海况, 取认提供的北大西洋海况长期统
计资料, 概率水平一“对应的长期预报值为设计载荷。
节点力生成
船体外表面各节点处外载荷压力的生成
依据计算出的船体外表面各理论站上给定点处的外压力, 其中包括静水外压, 波浪诱导水动压力
及其相应的惯性力。利用三维插值方法推算出船体外表面有限元节点上的外压力。
节点压力转化为节点力
对任意船体外表面三