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船舶有限元直接计算中载荷平衡调整研究

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第1章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 船体载荷

1.2.2 船舶结构有限元法计算

1.2.3 全船载荷静平衡

1.2.4 全船载荷动平衡

1.2.5 舱段载荷剪力弯矩曲线调整

1.3 主要研究内容

第2章 静平衡浮态计算方法

2.1 概述

2.2 技术方案

2.2.1 船体浮态的力系平衡

2.2.2 舷外水压力载荷的施加

2.2.3 船体浮态的调整

2.3 程序实现

2.4 算例及计算结果

2.5 迭代过程错误分析

2.6 误差分析

2.7 本章小结

第3章 动平衡船体惯性力与货物动载荷计算方法

3.1 概述

3.2 技术方案

3.2.1 基本思路

3.2.2 建立质量模型

3.2.3 船体钢料及固定设备的响应关系矩阵

3.2.4 干散货及液体响应关系矩阵

3.2.5 计算加速度与施加惯性力及动载荷

3.3 计算结果

3.4 本章小结

第4章 基于剪力弯矩曲线的舱段模型载荷计算方法

4.1 概述

4.2 技术方案

4.3 程序实现

4.4 载荷计算结果

4.5 舱段模型弯矩剪力计算方法

4.6 本章小结

第5章 结论

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

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摘要

随着世界各大船级社对船舶安全性要求的不断提高,结构有限元直接计算在船舶领域获得了越来越多的应用,同时针对船舶结构有限元直接计算的规范要求也越来越严格,其中对于船舶有限元模型载荷施加方面的要求尤为重要。对于全船模型的结构直接计算,按照规范的规定,需要使船体处于静力平衡状态。因此,对于假设静浮在波浪上的计算工况,有必要计算出船体的平衡浮态,而对于处在加速运动状态下的船舶,需要计算并施加船体惯性力和货物的动载荷。对于舱段模型的结构直接计算,往往需要按照规范或者载荷计算软件给定的弯矩剪力曲线加载,因为不能直接通过弯矩剪力曲线给有限元结构模型加载,所以需要一种计算舱段有限元结构模型载荷的计算方法。目前解决上述三个问题的方法均有一定的缺陷和不足,所以为了满足规范和研究的要求,需要研究更好的方法来解决上述三个船体结构有限元直接计算中的关键问题。 当前方法计算船体浮态需要使用船体外板湿表面模型和船体质量模型,这无疑会增大船舶结构有限元计算的工作量。为了简化计算流程,本文提出了一种只依靠船体有限元结构模型计算船体浮态的计算方法。该方法基于本文推导得到的船体浮态与浮力、纵倾力矩、横倾力矩的近似响应关系,采用迭代法计算船体平衡浮态。 为了计算并施加船体在加速运动下的船体惯性力和货物动载荷,首先推导得到了船体惯性力与加速度之间的响应关系,并且以HCSR规范给出的散货与液货动载荷的近似公式为基础,考虑到货舱的形状与位置,推导得到了货物动载荷与加速度之间的响应关系。通过上述响应关系即可求得船体在受到外力时的加速度,以及此加速度下的船体惯性力和货物动载荷。 关于舱段模型的载荷计算,首先通过理论推导证明了可以通过给舱段模型的横截面施加垂向力,并且给首尾横截面施加集中力矩的方法使舱段模型的弯矩剪力曲线符合给定的目标值。并且按照理论推导,提出了一种计算上述舱段模型载荷的计算方法。 为了能够快速准确地完成上述计算,分别为上述三种计算方法编写计算机程序。同时分别选择目标船对这三种方法进行验证。验证结果显示,上述三种载荷计算与施加方法能够满足船舶有限元结构计算的精度要求,相比于之前的方法有明显的优势,同时能够显著降低载荷施加的工作量。上述三种载荷计算与施加方法具有较大的工程实际价值,可以在船舶有限元结构直接计算领域获得较为广泛的应用。

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