船舶机舱结构抗冲击性能研究

论文摘要

近年来,全球经济飞速发展,其中航运业起着举足轻重的作用。随着航运业的蓬勃发展,船舶作为航运交通最主要的工具,也出现了一系列的问题,其中最严重的就是船舶碰撞带来的一系列的经济、安全、环境保护等问题。因此,研究船舶在发生碰撞时的损伤机理,提高船舶结构的抗冲击性能,具有重大且现实的意义。本文以某多用途船和某散货船为例,对一艘船的船首垂直撞击另一艘船的机舱船侧进行研究,利用大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA 12.1分析船舶碰撞中机舱船侧结构的损伤和能量变化情况,并提出了结构优化建议。本文主要研究工作及结论如下：首先,总结了研究船舶碰撞问题的意义、内容及研究现状。在此基础上系统的论述了有限元法的基础理论,重点论述了显式非线性有限元法在船舶碰撞研究中的应用。其次,按照两船舶的实际尺寸,利用三维建模软件Pro/E5.0建立了船首模型,并将该模型导入到ANSYS/LS-DYNA,然后利用ANSYS/LS-DYNA建立船舶舱段的模型,之后对两模型的单元类型、实常数、材料属性、有限元网格的划分、约束及初速度等参数进行了设置。最后,分析了船舶在不同碰撞位置下两模型的速度、位移、加速度、碰撞力及碰撞能量的变化,并提出了机舱结构优化的方案,之后对比了优化前后机舱结构的受力和能量吸收情况,结果表明,优化后的机舱结构的抗冲击性能较强。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 船舶碰撞问题研究的意义
• 1.2 船舶碰撞问题研究的内容和研究方法
• 1.3 船舶碰撞问题研究的现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 有限元基础理论
• 2.1 有限元法概述
• 2.1.1 有限元法的基本思想
• 2.1.2 有限元法的分析流程
• 2.1.3 有限元法的优点
• 2.1.4 ANSYS 12.1/LS-DYNA简介
• 2.2 非线性有限元控制方程
• 2.3 显式非线性有限元理论
• 2.3.1 有限元法的理论基础
• 2.3.2 显式中心差分法
• 2.4 显式非线性有限元分析的接触算法
• 2.4.1 接触碰撞问题的界面和条件
• 2.4.2 动力约束法和分配参数法
• 2.4.3 对称罚函数法
• 第3章 船舶机舱碰撞建模
• 3.1 ANSYS/LS-DYNA的分析流程和程序架构
• 3.2 时间步长的控制
• 3.3 LS-DYNA的沙漏的控制技术
• 3.4 船舶碰撞中选择的单元类型
• 3.4.1 SOLID 168实体单元
• 3.4.2 SHELL 163壳单元
• 3.5 船舶碰撞模型的建立
• 3.5.1 三维模型
• 3.5.2 网格划分
• 3.6 材料模型的选用
• 3.6.1 与应变率相关的各项同性材料模型
• 3.6.2 刚性体模型
• 3.7 附加质量的计算
• 3.8 参数设定
• 第4章 船舶碰撞分析和结构优化
• 4.1 损伤效果与应力分布
• 4.1.1 船侧结构整体的损伤变形
• 4.1.2 框架结构的应力与应变
• 4.1.3 外板和内壁的应力与应变
• 4.2 构件单元的速度和位移变化
• 4.3 碰撞过程中的能量变化
• 4.3.1 整体的能量变化
• 4.3.2 局部结构的能量变化
• 4.4 船侧结构的优化
• 4.4.1 优化措施
• 4.4.2 密度和质量的变化
• 4.5 优化后结构的抗撞击能力分析
• 4.5.1 整体结构的损伤变形
• 4.5.2 框架结构的应力与应变
• 4.5.4 外板和内壁的应力与应变
• 4.5.5 碰撞力与碰撞船位移曲线
• 4.5.6 框架板厚的影响
• 4.5.7 能量的变化
• 第5章 总结与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢