一種船臺(tái)下水船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種船臺(tái)下水船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定方法，其特征在于，包括如下步驟：第一步將船舶整體結(jié)構(gòu)簡化成一根沿船長方向的變截面薄壁梁，并在支墩位置受垂向彈性支撐；在船臺(tái)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(jié)構(gòu)承受的支墩支反力值，確定結(jié)構(gòu)各受力極值位置；第二步對(duì)受力極值位置處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部三維有限元模型強(qiáng)度分析，確定各區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本發(fā)明采用整體船體梁計(jì)算結(jié)合局部三維有限元模型分析方法，較現(xiàn)有技術(shù)的全船三維結(jié)構(gòu)有限元建模分析方法大大減少了建模工作量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，加快分析進(jìn)度。
【專利說明】一種船臺(tái)下水船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶設(shè)計(jì)階段船舶從船臺(tái)上下水時(shí)局部強(qiáng)度的確定，更具體地說，涉及船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶滑道下水時(shí)，底部結(jié)構(gòu)常發(fā)生損傷。如果提前進(jìn)行底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度不足區(qū)域，就能在下水前對(duì)該處做結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，或采用其它方法避免下水過程中底部結(jié)構(gòu)損傷。若采用船舶整體結(jié)構(gòu)三維有限元建模方法分析底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度，雖然精確度高，但模型建模工作量巨大，所用時(shí)間長，該方法在實(shí)際船舶建造時(shí)難以采用?，F(xiàn)實(shí)采用理論力學(xué)方法可進(jìn)行下水過程船舶總體強(qiáng)度計(jì)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(yù)報(bào)總體強(qiáng)度是否滿足要求。但不能計(jì)算出底部支墩處受力狀況，不適應(yīng)底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度分析的要求。
[0003]此外，現(xiàn)有技術(shù)中，傾斜混凝土船臺(tái)上鋪設(shè)鋼木滑道。船體由底部支墩支撐在滑道上。下滑開始后，支墩隨船體一同沿滑道向水下滑動(dòng)。船舶通常艉部向前先入水。入水后支墩沿滑道滑行一段距離后脫離，失去對(duì)船體的支撐作用。假設(shè)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(jié)構(gòu)受結(jié)構(gòu)自身和設(shè)備重量產(chǎn)生的重力，水的浮力，及下部支墩反力共同作用。初始階段對(duì)船艏重力力距大于浮力力距，靠近艉部及機(jī)艙區(qū)域由于部分支墩脫離的原因，該區(qū)域存留在船臺(tái)上的船體底部支墩承壓大，該處支墩反力大，會(huì)出現(xiàn)底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值區(qū)域，結(jié)構(gòu)容易受損。后期隨船體入水體積加大，浮力力距大于重力力距。船舶會(huì)繞船艏支架轉(zhuǎn)動(dòng)，船舶重量僅靠艏支架支撐。該處結(jié)構(gòu)受力大，也容易損壞。
[0004]船舶下水是個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，現(xiàn)有技術(shù)采用整體三維有限元建模分析或船體梁計(jì)算均采用多位置靜態(tài)計(jì)算方法模擬動(dòng)態(tài)下水分析過程。既從船體入水至全浮狀態(tài)依次選取一系列船舶在滑道上不同滑行位置，假設(shè)船舶在各位置靜止在船臺(tái)上，分別做靜態(tài)計(jì)算分析，每個(gè)位置為一個(gè)計(jì)算工況，以此模擬替代動(dòng)態(tài)下水分析，忽略水阻力及滑道摩擦力的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明擬研發(fā)新方法，用于船臺(tái)下水船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定，用該方法得到的結(jié)果，精確度能滿足下水過程底部結(jié)構(gòu)局部分析的要求，同時(shí)能大大減少有限元建模工作量，縮短現(xiàn)有技術(shù)本項(xiàng)工作的時(shí)間，提高效率。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種船臺(tái)下水船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0007]第一步將船舶整體結(jié)構(gòu)簡化成一根沿船長方向的變截面薄壁梁，并在支墩位置受垂向彈性支撐；
[0008]在船臺(tái)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(jié)構(gòu)承受的支墩支反力值，確定結(jié)構(gòu)各受力極值位置；
[0009]第二步對(duì)受力極值位置處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部三維有限元模型強(qiáng)度分析，確定各區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
[0010]其中，步驟一的具體過程為:
[0011]Sll)根據(jù)除船舶尾部區(qū)域外各支墩沿船長方向等間距設(shè)置的條件，從艏至艉沿船長方向分別取每兩個(gè)支墩之間的一段船體結(jié)構(gòu)，將每一段船體結(jié)構(gòu)近似為從前到后剖面特性相同的平直結(jié)構(gòu)；計(jì)算出各段船體結(jié)構(gòu)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(qiáng)度、、剖面高度、、剖面寬度及中和軸位置；
[0012]依據(jù)各段船體結(jié)構(gòu)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(gè)支墩之間的一段船體結(jié)構(gòu)；梁單元屬性根據(jù)前面計(jì)算的各段船體結(jié)構(gòu)剖面特性確定；各梁單元沿船長方向首尾相互連接，連接節(jié)點(diǎn)在各支墩位置；
[0013]S12)計(jì)算支墩處彈性剛度:根據(jù)船體結(jié)構(gòu)及支墩均左右對(duì)稱的情況，將船體結(jié)構(gòu)簡化為單根薄壁梁，支墩處剛度由船體結(jié)構(gòu)剛度K2串聯(lián)支墩剛度Kl組成；根據(jù)公式K1=EA/L計(jì)算底部支墩剛度，其中，Kl為支墩剛度，E為松木材性系數(shù)，A為支墩橫截面積，L為支墩高度；
[0014]在船體結(jié)構(gòu)三維有限元模型底部支墩位置施加單位點(diǎn)載荷，讀取各處變形值，計(jì)算底部結(jié)構(gòu)剛度K2 ;建立艏部支架區(qū)域結(jié)構(gòu)的有限元模型；剛度K2=P/dy，P為單位點(diǎn)載荷值，dy為局部有限元模型上讀取的該處結(jié)構(gòu)變形值；用公式1/K=1/K1+1/K2合并支墩和結(jié)構(gòu)剛度，求出剛度K用作底部支墩處支撐剛度；
[0015]建模時(shí)采用固定長度梁單元模擬支墩處支撐條件，梁單元垂直船臺(tái)基面，上部與船體梁單元模型節(jié)點(diǎn)連接，下部剛固；根據(jù)求得的剛度K計(jì)算各梁單元截面積，即A=KL/E，E為鋼材材性系數(shù)；根據(jù)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(tǒng)計(jì)得到船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備重量沿船長方向的分布；將其按節(jié)點(diǎn)間距匯總轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)力，從艏到艉施加在船體梁模型各節(jié)點(diǎn)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(gè)滑行位置為一個(gè)計(jì)算工況，分別計(jì)算各工況浮力載荷，包括浮力值和浮心位置；
[0017]S14)采用多位置靜態(tài)計(jì)算方法模擬動(dòng)態(tài)下水分析；支墩反力極值通常出現(xiàn)在橫艙壁或底部肋板等船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)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(gè)橫艙壁或肋板處底部結(jié)構(gòu)受力狀況；既橫艙壁或肋板下支墩及其后部支墩尚存，仍起支撐作用，而該處向前區(qū)域支墩均脫離滑道失去對(duì)船體支撐作用。每一個(gè)滑行位置作為一個(gè)計(jì)算工況，按各計(jì)算工況，分別在船體梁模型上施加重力載荷，浮力載荷，并根據(jù)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(jié)構(gòu)支墩處支反力值，找出各結(jié)構(gòu)受力極值區(qū)域。
[0018]步驟二的具體過程為:
[0019]S21)在各結(jié)構(gòu)受力極值區(qū)域建立局部三維有限元模型；用新建立的模型重新計(jì)算支墩位置結(jié)構(gòu)剛度，采用新剛度重新做全船船體梁分析；重新獲得底部結(jié)構(gòu)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(jìn)行模型計(jì)算；算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況。
[0021]最后，可根據(jù)步驟S22算出的情況，確定強(qiáng)度不足區(qū)域。
[0022]本發(fā)明收集現(xiàn)有的各種計(jì)算方法，研究掌握其優(yōu)缺點(diǎn)。確定采用船體梁計(jì)算結(jié)合局部三維有限元模型分析的計(jì)算方法。既先采用支墩處彈性支撐船體梁進(jìn)行下水全過程計(jì)算，找出底部各受力極值區(qū)域位置及受力值。在各極值區(qū)域位置建立局部三維有限元模型，施加船體梁計(jì)算得到的受力值，計(jì)算出底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。經(jīng)應(yīng)用本發(fā)明方法，進(jìn)行本公司建造的8.1萬噸散貨船船臺(tái)下水過程底部局部強(qiáng)度分析，驗(yàn)證本方法的正確性。
[0023]本發(fā)明采用整體船體梁計(jì)算結(jié)合局部三維有限元模型分析方法比全船三維結(jié)構(gòu)有限元建模分析方法大大減少了建模工作量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，加快分析進(jìn)度。采用本方法進(jìn)行公司8.1萬散貨船船臺(tái)下水底部局部強(qiáng)度計(jì)算。證明在滿足計(jì)算精度要求前提下，該方法可提前計(jì)算出下水過程中底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，便于實(shí)際船舶下水計(jì)算采用。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本計(jì)算方法采用多位置靜態(tài)計(jì)算方法模擬動(dòng)態(tài)下水分析。共分為兩個(gè)步驟。第一步將船舶整體結(jié)構(gòu)簡化成一根沿船長方向的變截面薄壁梁，并在支墩位置受垂向彈性支撐。在船臺(tái)下滑過程中選取一系列滑行位置為計(jì)算工況。計(jì)算出各支墩處船體結(jié)構(gòu)承受的支墩支反力值。找出結(jié)構(gòu)各受力極值位置。第二步對(duì)受力極值位置處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部三維有限元模型強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足區(qū)域。詳細(xì)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(tái)上，除尾部區(qū)域外通常各支墩沿船長方向等間距設(shè)置。從艏至艉沿船長方向分別取每兩個(gè)支墩之間的一段船體結(jié)構(gòu)，將每一段船體結(jié)構(gòu)近似簡化為從前到后剖面特性相同的平直結(jié)構(gòu)。計(jì)算出各段船體結(jié)構(gòu)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(qiáng)度。各剖面高度，各剖面寬度及中和軸位置。依據(jù)各段船體結(jié)構(gòu)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(gè)支墩之間的一段船體結(jié)構(gòu)。梁單元屬性根據(jù)前面計(jì)算的各段船體結(jié)構(gòu)剖面特性確定。各梁單元沿船長方向首尾相互連接，連接節(jié)點(diǎn)在各支墩位置。
[0027]2.船體在底部受支墩支撐，需要計(jì)算支墩處彈性剛度。由于船體結(jié)構(gòu)及支墩均左右對(duì)稱，船體結(jié)構(gòu)又被簡化為單根薄壁梁，可將左右支墩剛度合并計(jì)算。支墩處剛度由船體結(jié)構(gòu)剛度K2串聯(lián)支墩剛度Kl組成。船體通過支墩支撐在鋼木滑道上，由于混凝土船臺(tái)和鋼木滑道剛度遠(yuǎn)大于支墩墊木剛度，所以取支墩墊木剛度做支墩剛度計(jì)算。根據(jù)公式Kl=EA/L計(jì)算底部支墩剛度。Kl為支墩剛度，E為松木材性系數(shù)，A為支墩橫截面積，L為支墩高度。在船體結(jié)構(gòu)三維有限元模型底部支墩位置施加單位點(diǎn)載荷，讀取各處變形值，計(jì)算底部結(jié)構(gòu)剛度K2。貨艙大部分區(qū)域船體結(jié)構(gòu)三維有限元模型可通過船舶設(shè)計(jì)時(shí)艙段分析階段建立的粗網(wǎng)格模型，稍加修改獲得。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)靠艏部支架區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)應(yīng)力極值位置，提前建立該處底部局部結(jié)構(gòu)有限元模型。剛度K2=P/dy，P為單位點(diǎn)載荷值，dy為局部有限元模型上讀取的該處結(jié)構(gòu)變形值。用公式1/K=1/K1+1/K2合并支墩和結(jié)構(gòu)剛度，求出剛度K用作底部支墩處支撐剛度。建模時(shí)采用固定長度梁單元模擬支墩處支撐條件。梁單元垂直船臺(tái)基面，上部與船體梁單元模型節(jié)點(diǎn)連接，下部剛固。根據(jù)求得的剛度K計(jì)算各梁單元截面積，即A=KL/E，E為鋼材材性系數(shù)。
[0028]3.統(tǒng)計(jì)得到船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備重量沿船長方向的分布。將其按節(jié)點(diǎn)間距匯總轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)力，從艏到艉施加在船體梁模型各節(jié)點(diǎn)上。采用總體專業(yè)計(jì)算軟件，從船體入水到全浮，分別計(jì)算各工況浮力載荷，包括浮力值和浮心位置。[0029]4.采用多位置靜態(tài)計(jì)算方法模擬動(dòng)態(tài)下水分析。在船臺(tái)下滑過程中選取一系列滑行位置為計(jì)算工況。按各計(jì)算工況，分別在船體梁模型上施加重力載荷，浮力載荷，并根據(jù)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(jì)算出底部結(jié)構(gòu)支墩處支反力值，找出各結(jié)構(gòu)受力極值區(qū)域。
[0030](二).局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算
[0031]1.在各結(jié)構(gòu)受力極值區(qū)域建立局部三維有限元模型。用新建立的模型重新計(jì)算支墩位置結(jié)構(gòu)剛度，采用新剛度重新做全船船體梁分析。重新計(jì)算出底部結(jié)構(gòu)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(jìn)行模型計(jì)算。算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況。找出強(qiáng)度不足區(qū)域。
[0033]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種船臺(tái)下水船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步將船舶整體結(jié)構(gòu)簡化成一根沿船長方向的變截面薄壁梁，并在支墩位置受垂向彈性支撐； 在船臺(tái)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(jié)構(gòu)承受的支墩支反力值，確定結(jié)構(gòu)各受力極值位置； 第二步對(duì)受力極值位置處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部三維有限元模型強(qiáng)度分析，確定各區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述船臺(tái)下水船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定方法，其特征在于，步驟一的具體過程為: S11)根據(jù)除船舶尾部區(qū)域外各支墩沿船長方向等間距設(shè)置的條件，從艏至艉沿船長方向分別取每兩個(gè)支墩之間的一段船體結(jié)構(gòu)，將每一段船體結(jié)構(gòu)近似為從前到后剖面特性相同的平直結(jié)構(gòu)；計(jì)算出各段船體結(jié)構(gòu)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(qiáng)度、、剖面高度、、剖面寬度及中和軸位置； 依據(jù)各段船體結(jié)構(gòu)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(gè)支墩之間的一段船體結(jié)構(gòu)；梁單元屬性根據(jù)前面計(jì)算的各段船體結(jié)構(gòu)剖面特性確定；各梁單元沿船長方向首尾相互連接，連接節(jié)點(diǎn)在各支墩位置； S12)計(jì)算支墩處彈性剛度:根據(jù)船體結(jié)構(gòu)及支墩均左右對(duì)稱的情況，將船體結(jié)構(gòu)簡化為單根薄壁梁，支墩處剛度由船體結(jié)構(gòu)剛度K2串聯(lián)支墩剛度Kl組成；根據(jù)公式Kl=EAA^f算底部支墩剛度，其中，Kl為支墩剛度，E為松木材性系數(shù)，A為支墩橫截面積，L為支墩高度； 在船體結(jié)構(gòu)三維有限元模型底部支墩位置施加單位點(diǎn)載荷，讀取各處變形值，計(jì)算底部結(jié)構(gòu)剛度K2 ;建立艏部支架區(qū)域結(jié)構(gòu)的有限元模型；剛度K2=P/dy，P為單位點(diǎn)載荷值，dy為局部有限元模型上讀取的該處結(jié)構(gòu)變形值；用公式1/K=1/K1+1/K2合并支墩和結(jié)構(gòu)剛度，求出剛度K用作底部支墩處支撐剛度； 建模時(shí)采用固定長度梁單元模擬支墩處支撐條件，梁單元垂直船臺(tái)基面，上部與船體梁單元模型節(jié)點(diǎn)連接，下部剛固；根據(jù)求得的剛度K計(jì)算各梁單元截面積，即A=KL/E，E為鋼材材性系數(shù)；根據(jù)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(tǒng)計(jì)得到船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備重量沿船長方向的分布；將其按節(jié)點(diǎn)間距匯總轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)力，從艏到艉施加在船體梁模型各節(jié)點(diǎn)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(gè)滑行位置為一個(gè)計(jì)算工況，分別計(jì)算各工況浮力載荷，包括浮力值和浮心位置； S14)采用多位置靜態(tài)計(jì)算方法模擬動(dòng)態(tài)下水分析；支墩反力極值通常出現(xiàn)在橫艙壁或底部肋板等船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)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(gè)橫艙壁或肋板處底部結(jié)構(gòu)受力狀況；既橫艙壁或肋板下支墩及其后部支墩尚存，仍起支撐作用，而該處向前區(qū)域支墩均脫離滑道失去對(duì)船體支撐作用。每一個(gè)滑行位置作為一個(gè)計(jì)算工況，按各計(jì)算工況，分別在船體梁模型上施加重力載荷，浮力載荷，并根據(jù)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(jié)構(gòu)支墩處支反力值，找出各結(jié)構(gòu)受力極值區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述船臺(tái)下水船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定方法，其特征在于，步驟二的具體過程為: 521)在各結(jié)構(gòu)受力極值區(qū)域建立局部三維有限元模型；用新建立的模型重新計(jì)算支墩位置結(jié)構(gòu)剛度，采用新剛度重新做全船船體梁分析；重新獲得底部結(jié)構(gòu)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(jìn)行模型計(jì)算；算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述船臺(tái)下水船舶底部結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度的確定方法，其特征在于，根據(jù)步驟S22算出的情況，確定強(qiáng)度不足區(qū)域。`
【文檔編號(hào)】B63B9/06GK103661806SQ201310637779
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)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(tuán)有限公司