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基于HyperWorks的油船舱段有限元和结构优化分析

作者:Simwe    来源:佳工机电网    发布时间:2012-06-05    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

油船船型特点是结构简单,船体钢料成本在结构成本乃至全船的造价中占有很大的比例,货油舱结构是船体结构的主要部分,对全船钢料消耗影响最大。因此,设计师在总体和结构设计中应千方百计减轻结构重量,尤其对货油舱结构设计应做深入细致的研究。

本文以某油船舱段为研究对象,利用HyperMesh建立舱段有限元分析模型并进行了舱段强度有限元分析,然后借助OptiStruet优化设计系统,对其进行了尺寸优化设计。

1 HyperWorks简介

HyperWorks为美国澳汰尔(Altair)公司的有限元结构分析与优化软件,包括HyperView、Motion- View,HyperGraph,HyperForm,0ptistruet、HyperMesh等多个功能模块,其中HyperMesh为前后处理 器,OptiStuct为结构分析和优化工具,内含有限元求解器。

Altair OptiStruet是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器,拥有全球先进的2008年10月24日收到优化技术,提供全面的优化方 法。OptiStruct从1993年发布以来,被广泛而深人地应用到许多行业,在航空航天、汽车、机械等领域取得大量革命性的成功应用,赢得多个创新大 奖。

OptiStruct采用局部逼近的方法来求解优化问题。局部近似法求解优化问题步骤如下:1)采用有限元法分析相应物理问题;2)收敛判断;3)设计灵敏度分析;4)利用灵敏度信息得到近似模型,并求解近似优化问题;5)返回第一步。

2 船型介绍

本船为钢质、单桨、单舵、尾机型、以装载成品油为主的无限航区7000t成品油轮。本船货舱区域设双层底、双舷侧,机舱区域采用双层底,燃油舱处 设双壳,除双层底、甲板、货舱区域舷侧采用纵骨架式外,其它结构为横骨架式。本船已批量建造。为了减少成本,更合理地分布材料,故对其进行有限元和结构优 化分析。该船主尺度如表1。

表1 船型主要尺寸
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3 有限元模型的建立

模型范围要求包括船中货舱区的1/2个货舱+1个货舱+1/2个货舱,垂向范围为船体型深,横向取船宽范围,且从左舷至右舷不及型线变化,有限元模型中包括横向槽形舱壁和纵向槽形舱壁,对一道纵舱壁的油船用全宽模型。

3.1 坐标系定义

x-沿船长方向,向首为正;
y-沿横向,由纵中剖面向左为正;
z-沿垂向,向上为正。

3.2 网格划分

一般来讲,船体的外板结构,强框架、纵桁、平面舱壁的桁材、肋骨等的高腹板以及槽型舱壁和壁凳采用4节点板壳单元模拟。

有限元网格划分尺寸按以下规定:

(1)沿船体横向和垂向以纵骨间距为一个单元。
(2)沿船体纵向以肋骨间距为一个单元。
(3)船底纵桁和肋板在垂直方向布置应不少于3个板单元。舱壁最底部的单元一般情况下应尽量划分为正方形单元。
(4)槽型舱壁的每一个翼板和腹板至少应划分为一个板元。

3.3 材料和属性

计算中使用的材料参数如下:
弹性模量:206 GPa;
材料密度:7.9×103 kg/m3;
泊松比:0.3;
长度单位为:mm。

3.4 舱段有限元模型受力和约束图

载荷左右对称,故中纵剖面内节点的横向线位移为0,绕中纵剖面内两个坐标轴的角位移为0。即:δy=θx=θz=0。端面约束方面,一端独立点约束δx,δy,δz,θx,θz;另一端独立点约束δy,δz,θx,θz。表2可形象表示出来:

表2 边界条件施加表(载荷对称边界)

注:①Cons-表示对应的位移约束;
②link-面内相关点位移与独立点连接;
③BM-端面所受的总体弯矩。

模型边界约束施加完毕后,对模型施加载荷,舷外水压力,货物压力,端面弯矩,晃荡压力均根据《油船结构强度直接计算分析指南》及《钢制海船人级与建造规范》计算得出。

舱段的受力和约束图如图1所示。

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图1 舱段的受力和约束

4 计算结果图

模型建立完成后,先对其进行强度校核。施加边界约束条件节点周围的单元,由于受边界条件的影响,其计算结果不能反映结构真实的受力情况,这些区域单元的计算结果不作校核。中间整舱舱段应力云图如图2所示。

 
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