船舶结构分析中边界位置的收敛性分析

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为防止船舶事故发生,保护海洋环境,2010年国际海事组织(IMO)海上安全委员会(MSC)第87次会次上通过了目标型船舶建造标准(GBS)的国际海上人命安全公约(SOLAS)修正案。按照GBS要求,国际船级社协会(IACS)自2008年起成立专项工作组(HPT),编写《散货船及双壳油船共同结构规范》(CSR BC&OT)。CSR BC&OT已于2015年7月1日正式颁布并生效,并将于2016年5月确定GBS符合性验证结论。  本文主要针对CSR BC&OT在船体结构强度直接计算方面关于舱段模型范围及局部结构强度分析子模型边界位置进行收敛性分析,并对规范的相关规定进行合理性分析。  通过计算分析发现,CSR BC&OT舱段结构分析中关于局部结构有限元模型范围的定义比较模糊,在实际应用中会产生较大误差,有必要对模型范围进行详细研究;同时,本文对CSR BC&OT延续共同结构规范(CSR)规定采用三舱段长度范围进行有限元计算分析的做法的合理性进行研究。  通过对一型油船进行全船结构建模,选取4种典型装载模式,采用波浪载荷直接计算得到波浪动压力,对载荷进行平衡调整使剪力、弯矩曲线封闭。采用惯性释放处理边界条件,进行全船结构直接计算。从全船模型中截取4种不同范围的舱段模型,使其局部载荷同全船结构保持一致,在模型端部施加船体梁垂向弯矩,对比分析4种舱段模型与全船结构的应力结果。计算结果显示,模型范围对舱段结构的应力有一定的影响;相对全船结果,1+1+1舱段模型在评估中间舱结构强度的误差已很小,CSR BC&OT(或CSR)采用三舱段模型的做法是合理的。  针对CSR BC&OT舱段结构直接计算中高应力区的屈服强度评估及热点应力的疲劳强度评估,规范要求进行结构细化网格详细有限元分析。由于边界效应,CSR BC&OT规定的强制细化位置子模型边界范围可能不足以消除边界条件对细化中心区域应力结果的影响。为此,选取两型散货船及一型油船,针对其舱段粗网格屈服应力评估中的高应力区域,对CSR BC&OT规定的4处强制节点进行局部细化网格分析,以嵌入方式网格模型细化中心单元应力结果为基准,分析研究子模型范围及边界条件处理的影响。  计算结果显示,子模型边界范围对于细化中心区域应力结果的影响较大,CSR BC&OT规定的子模型范围可能偏小,在采用子模型进行分析计算时,模型范围应取大些。另外,还对子模型分析中的边界节点数量不一致情况及边界位移施加方式进行计算分析,结果表明边界节点角位移约束及子模型新增节点的处理对应力结果也有影响,子模型边界节点所在位置对应力结果影响不大,在实际计算中可自由处理。
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