一種船臺下水船舶底部結構局部強度的確定方法
2023-05-01 10:29:11
一種船臺下水船舶底部結構局部強度的確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種船臺下水船舶底部結構局部強度的確定方法，其特徵在於，包括如下步驟：第一步將船舶整體結構簡化成一根沿船長方向的變截面薄壁梁，並在支墩位置受垂向彈性支撐；在船臺下滑過程中選取一系列滑行位置為工況，獲取各支墩處船體結構承受的支墩支反力值，確定結構各受力極值位置；第二步對受力極值位置處結構進行局部三維有限元模型強度分析，確定各區域的結構強度。本發明採用整體船體梁計算結合局部三維有限元模型分析方法，較現有技術的全船三維結構有限元建模分析方法大大減少了建模工作量，節省計算時間，加快分析進度。
【專利說明】一種船臺下水船舶底部結構局部強度的確定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及船舶設計階段船舶從船臺上下水時局部強度的確定，更具體地說，涉及船舶底部結構局部強度的確定。
【背景技術】
[0002]船舶滑道下水時，底部結構常發生損傷。如果提前進行底部結構局部強度分析，發現強度不足區域，就能在下水前對該處做結構加強，或採用其它方法避免下水過程中底部結構損傷。若採用船舶整體結構三維有限元建模方法分析底部結構局部強度，雖然精確度高，但模型建模工作量巨大，所用時間長，該方法在實際船舶建造時難以採用。現實採用理論力學方法可進行下水過程船舶總體強度計算，算出下水過程中船體各橫截面處所受的彎矩及剪力值，與許用值作比較，預報總體強度是否滿足要求。但不能計算出底部支墩處受力狀況，不適應底部結構局部強度分析的要求。
[0003]此外，現有技術中，傾斜混凝土船臺上鋪設鋼木滑道。船體由底部支墩支撐在滑道上。下滑開始後，支墩隨船體一同沿滑道向水下滑動。船舶通常艉部向前先入水。入水後支墩沿滑道滑行一段距離後脫離，失去對船體的支撐作用。假設沿船長方向各排支墩從入水到脫離的滑行距離均相同。船體結構受結構自身和設備重量產生的重力，水的浮力，及下部支墩反力共同作用。初始階段對船艏重力力距大於浮力力距，靠近艉部及機艙區域由於部分支墩脫離的原因，該區域存留在船臺上的船體底部支墩承壓大，該處支墩反力大，會出現底部結構應力極值區域，結構容易受損。後期隨船體入水體積加大，浮力力距大於重力力距。船舶會繞船艏支架轉動，船舶重量僅靠艏支架支撐。該處結構受力大，也容易損壞。
[0004]船舶下水是個動態的過程，現有技術採用整體三維有限元建模分析或船體梁計算均採用多位置靜態計算方法模擬動態下水分析過程。既從船體入水至全浮狀態依次選取一系列船舶在滑道上不同滑行位置，假設船舶在各位置靜止在船臺上，分別做靜態計算分析，每個位置為一個計算工況，以此模擬替代動態下水分析，忽略水阻力及滑道摩擦力的影響。
【發明內容】
[0005]本發明擬研發新方法，用於船臺下水船舶底部結構局部強度的確定，用該方法得到的結果，精確度能滿足下水過程底部結構局部分析的要求，同時能大大減少有限元建模工作量，縮短現有技術本項工作的時間，提高效率。
[0006]為了達到上述目的，本發明提供一種船臺下水船舶底部結構局部強度的確定方法，其特徵在於，包括如下步驟:
[0007]第一步將船舶整體結構簡化成一根沿船長方向的變截面薄壁梁，並在支墩位置受垂向彈性支撐；
[0008]在船臺下滑過程中選取一系列滑行位置為工況，獲取各支墩處船體結構承受的支墩支反力值，確定結構各受力極值位置；
[0009]第二步對受力極值位置處結構進行局部三維有限元模型強度分析，確定各區域的結構強度。
[0010]其中，步驟一的具體過程為:
[0011]Sll)根據除船舶尾部區域外各支墩沿船長方向等間距設置的條件，從艏至艉沿船長方向分別取每兩個支墩之間的一段船體結構，將每一段船體結構近似為從前到後剖面特性相同的平直結構；計算出各段船體結構剖面特性，包括:橫截面面積、垂向慣性矩、水平方向慣性矩、垂向剪切強度、、剖面高度、、剖面寬度及中和軸位置；
[0012]依據各段船體結構剖面特性，建立整體船體梁模型；模型由若干段梁單元組成，每段梁單元代表兩個支墩之間的一段船體結構；梁單元屬性根據前面計算的各段船體結構剖面特性確定；各梁單元沿船長方向首尾相互連接，連接節點在各支墩位置；
[0013]S12)計算支墩處彈性剛度:根據船體結構及支墩均左右對稱的情況，將船體結構簡化為單根薄壁梁，支墩處剛度由船體結構剛度K2串聯支墩剛度Kl組成；根據公式K1=EA/L計算底部支墩剛度，其中，Kl為支墩剛度，E為松木材性係數，A為支墩橫截面積，L為支墩高度；
[0014]在船體結構三維有限元模型底部支墩位置施加單位點載荷，讀取各處變形值，計算底部結構剛度K2 ;建立艏部支架區域結構的有限元模型；剛度K2=P/dy，P為單位點載荷值，dy為局部有限元模型上讀取的該處結構變形值；用公式1/K=1/K1+1/K2合併支墩和結構剛度，求出剛度K用作底部支墩處支撐剛度；
[0015]建模時採用固定長度梁單元模擬支墩處支撐條件，梁單元垂直船臺基面，上部與船體梁單元模型節點連接，下部剛固；根據求得的剛度K計算各梁單元截面積，即A=KL/E，E為鋼材材性係數；根據各截面積A確定模擬支墩處支撐條件的各垂向梁單元的橫截面積。
[0016]S13)統計得到船舶結構和設備重量沿船長方向的分布；將其按節點間距匯總轉化成節點力，從艏到艉施加在船體梁模型各節點上；從船體入水到全浮，選取下滑過程中一系列滑行位置(見S14描述)，每個滑行位置為一個計算工況，分別計算各工況浮力載荷，包括浮力值和浮心位置；
[0017]S14)採用多位置靜態計算方法模擬動態下水分析；支墩反力極值通常出現在橫艙壁或底部肋板等船體強結構位置，依次選擇一系列這樣的滑行位置，從船首到船尾依次考查每個橫艙壁或肋板處底部結構受力狀況；既橫艙壁或肋板下支墩及其後部支墩尚存，仍起支撐作用，而該處向前區域支墩均脫離滑道失去對船體支撐作用。每一個滑行位置作為一個計算工況，按各計算工況，分別在船體梁模型上施加重力載荷，浮力載荷，並根據各工況所處的滑行位置及支墩脫離狀況確定支墩支撐條件。分工況獲得底部結構支墩處支反力值，找出各結構受力極值區域。
[0018]步驟二的具體過程為:
[0019]S21)在各結構受力極值區域建立局部三維有限元模型；用新建立的模型重新計算支墩位置結構剛度，採用新剛度重新做全船船體梁分析；重新獲得底部結構支墩處支反力值；
[0020]S22)在局部模型底部支墩位置施加支墩反力進行模型計算；算出結構應力分布情況。
[0021]最後，可根據步驟S22算出的情況，確定強度不足區域。
[0022]本發明收集現有的各種計算方法，研究掌握其優缺點。確定採用船體梁計算結合局部三維有限元模型分析的計算方法。既先採用支墩處彈性支撐船體梁進行下水全過程計算，找出底部各受力極值區域位置及受力值。在各極值區域位置建立局部三維有限元模型，施加船體梁計算得到的受力值，計算出底部結構應力分布。經應用本發明方法，進行本公司建造的8.1萬噸散貨船船臺下水過程底部局部強度分析，驗證本方法的正確性。
[0023]本發明採用整體船體梁計算結合局部三維有限元模型分析方法比全船三維結構有限元建模分析方法大大減少了建模工作量，節省計算時間，加快分析進度。採用本方法進行公司8.1萬散貨船船臺下水底部局部強度計算。證明在滿足計算精度要求前提下，該方法可提前計算出下水過程中底部結構應力分布，便於實際船舶下水計算採用。
【具體實施方式】
[0024]本計算方法採用多位置靜態計算方法模擬動態下水分析。共分為兩個步驟。第一步將船舶整體結構簡化成一根沿船長方向的變截面薄壁梁，並在支墩位置受垂向彈性支撐。在船臺下滑過程中選取一系列滑行位置為計算工況。計算出各支墩處船體結構承受的支墩支反力值。找出結構各受力極值位置。第二步對受力極值位置處結構進行局部三維有限元模型強度分析，發現結構強度不足區域。詳細過程如下:
[0025](一).全船船體梁受力分析
[0026]1.船舶由支墩支撐在船臺上，除尾部區域外通常各支墩沿船長方向等間距設置。從艏至艉沿船長方向分別取每兩個支墩之間的一段船體結構，將每一段船體結構近似簡化為從前到後剖面特性相同的平直結構。計算出各段船體結構剖面特性，包括:橫截面面積，垂向慣性矩，水平方向慣性矩，垂向剪切強度。各剖面高度，各剖面寬度及中和軸位置。依據各段船體結構剖面特性，建立整體船體梁變截面薄壁梁簡化模型。模型由若干段梁單元組成，每段梁單元代表兩個支墩之間的一段船體結構。梁單元屬性根據前面計算的各段船體結構剖面特性確定。各梁單元沿船長方向首尾相互連接，連接節點在各支墩位置。
[0027]2.船體在底部受支墩支撐，需要計算支墩處彈性剛度。由於船體結構及支墩均左右對稱，船體結構又被簡化為單根薄壁梁，可將左右支墩剛度合併計算。支墩處剛度由船體結構剛度K2串聯支墩剛度Kl組成。船體通過支墩支撐在鋼木滑道上，由於混凝土船臺和鋼木滑道剛度遠大於支墩墊木剛度，所以取支墩墊木剛度做支墩剛度計算。根據公式Kl=EA/L計算底部支墩剛度。Kl為支墩剛度，E為松木材性係數，A為支墩橫截面積，L為支墩高度。在船體結構三維有限元模型底部支墩位置施加單位點載荷，讀取各處變形值，計算底部結構剛度K2。貨艙大部分區域船體結構三維有限元模型可通過船舶設計時艙段分析階段建立的粗網格模型，稍加修改獲得。根據經驗靠艏部支架區域為結構應力極值位置，提前建立該處底部局部結構有限元模型。剛度K2=P/dy，P為單位點載荷值，dy為局部有限元模型上讀取的該處結構變形值。用公式1/K=1/K1+1/K2合併支墩和結構剛度，求出剛度K用作底部支墩處支撐剛度。建模時採用固定長度梁單元模擬支墩處支撐條件。梁單元垂直船臺基面，上部與船體梁單元模型節點連接，下部剛固。根據求得的剛度K計算各梁單元截面積，即A=KL/E，E為鋼材材性係數。
[0028]3.統計得到船舶結構和設備重量沿船長方向的分布。將其按節點間距匯總轉化成節點力，從艏到艉施加在船體梁模型各節點上。採用總體專業計算軟體，從船體入水到全浮，分別計算各工況浮力載荷，包括浮力值和浮心位置。[0029]4.採用多位置靜態計算方法模擬動態下水分析。在船臺下滑過程中選取一系列滑行位置為計算工況。按各計算工況，分別在船體梁模型上施加重力載荷，浮力載荷，並根據各工況所處的滑行位置及支墩脫離狀況確定支墩支撐條件。分工況計算出底部結構支墩處支反力值，找出各結構受力極值區域。
[0030](二).局部結構強度計算
[0031]1.在各結構受力極值區域建立局部三維有限元模型。用新建立的模型重新計算支墩位置結構剛度，採用新剛度重新做全船船體梁分析。重新計算出底部結構支墩處支反力值。
[0032]2.在局部模型底部支墩位置施加支墩反力進行模型計算。算出結構應力分布情況。找出強度不足區域。
[0033]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明披露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種船臺下水船舶底部結構局部強度的確定方法，其特徵在於，包括如下步驟: 第一步將船舶整體結構簡化成一根沿船長方向的變截面薄壁梁，並在支墩位置受垂向彈性支撐； 在船臺下滑過程中選取一系列滑行位置為工況，獲取各支墩處船體結構承受的支墩支反力值，確定結構各受力極值位置； 第二步對受力極值位置處結構進行局部三維有限元模型強度分析，確定各區域的結構強度。
2.根據權利要求1所述船臺下水船舶底部結構局部強度的確定方法，其特徵在於，步驟一的具體過程為: S11)根據除船舶尾部區域外各支墩沿船長方向等間距設置的條件，從艏至艉沿船長方向分別取每兩個支墩之間的一段船體結構，將每一段船體結構近似為從前到後剖面特性相同的平直結構；計算出各段船體結構剖面特性，包括:橫截面面積、垂向慣性矩、水平方向慣性矩、垂向剪切強度、、剖面高度、、剖面寬度及中和軸位置； 依據各段船體結構剖面特性，建立整體船體梁模型；模型由若干段梁單元組成，每段梁單元代表兩個支墩之間的一段船體結構；梁單元屬性根據前面計算的各段船體結構剖面特性確定；各梁單元沿船長方向首尾相互連接，連接節點在各支墩位置； S12)計算支墩處彈性剛度:根據船體結構及支墩均左右對稱的情況，將船體結構簡化為單根薄壁梁，支墩處剛度由船體結構剛度K2串聯支墩剛度Kl組成；根據公式Kl=EAA^f算底部支墩剛度，其中，Kl為支墩剛度，E為松木材性係數，A為支墩橫截面積，L為支墩高度； 在船體結構三維有限元模型底部支墩位置施加單位點載荷，讀取各處變形值，計算底部結構剛度K2 ;建立艏部支架區域結構的有限元模型；剛度K2=P/dy，P為單位點載荷值，dy為局部有限元模型上讀取的該處結構變形值；用公式1/K=1/K1+1/K2合併支墩和結構剛度，求出剛度K用作底部支墩處支撐剛度； 建模時採用固定長度梁單元模擬支墩處支撐條件，梁單元垂直船臺基面，上部與船體梁單元模型節點連接，下部剛固；根據求得的剛度K計算各梁單元截面積，即A=KL/E，E為鋼材材性係數；根據各截面積A確定模擬支墩處支撐條件的各垂向梁單元的橫截面積。 S13)統計得到船舶結構和設備重量沿船長方向的分布；將其按節點間距匯總轉化成節點力，從艏到艉施加在船體梁模型各節點上；從船體入水到全浮，選取下滑過程中一系列滑行位置(見S14描述)，每個滑行位置為一個計算工況，分別計算各工況浮力載荷，包括浮力值和浮心位置； S14)採用多位置靜態計算方法模擬動態下水分析；支墩反力極值通常出現在橫艙壁或底部肋板等船體強結構位置，依次選擇一系列這樣的滑行位置，從船首到船尾依次考查每個橫艙壁或肋板處底部結構受力狀況；既橫艙壁或肋板下支墩及其後部支墩尚存，仍起支撐作用，而該處向前區域支墩均脫離滑道失去對船體支撐作用。每一個滑行位置作為一個計算工況，按各計算工況，分別在船體梁模型上施加重力載荷，浮力載荷，並根據各工況所處的滑行位置及支墩脫離狀況確定支墩支撐條件。分工況獲得底部結構支墩處支反力值，找出各結構受力極值區域。
3.根據權利要求1所述船臺下水船舶底部結構局部強度的確定方法，其特徵在於，步驟二的具體過程為: 521)在各結構受力極值區域建立局部三維有限元模型；用新建立的模型重新計算支墩位置結構剛度，採用新剛度重新做全船船體梁分析；重新獲得底部結構支墩處支反力值； 522)在局部模型底部支墩位置施加支墩反力進行模型計算；算出結構應力分布情況。
4.根據權利要求3所述船臺下水船舶底部結構局部強度的確定方法，其特徵在於，根據步驟S22算出的情況，確定強度不足區域。`
【文檔編號】B63B9/06GK103661806SQ201310637779
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】高真所, 戴挺, 叢海東, 姜世躍, 包巖, 彭貴勝, 衣巖 申請人:大連船舶重工集團有限公司