基于ANSYS的單體高速船上層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

單體鋼質(zhì)高速船作為一種常用的高速船，應(yīng)用較為廣泛。在我國(guó)沿海游客運(yùn)輸中占有重要的地位。由于高速航行的要求和運(yùn)輸過(guò)程中的舒適性要求，對(duì)船體的重量加以嚴(yán)格控制，另外，為了保證船體具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備，在結(jié)構(gòu)重量和強(qiáng)度的保證方面需要較為精確的設(shè)計(jì)和計(jì)算。

對(duì)高速船來(lái)說(shuō)，上層建筑應(yīng)重點(diǎn)考慮輕量化、增大凈空高度、變形控制的問(wèn)題，從而滿足降低重量重心、內(nèi)部艙室舒適、外觀造型美觀等設(shè)計(jì)要求

。

2)規(guī)則2。豎井掘進(jìn)機(jī)偏移為正大，偏移改變量為零，說(shuō)明此時(shí)機(jī)體軸線與設(shè)計(jì)軸線平行，但存在較大的偏移，為使豎井掘進(jìn)機(jī)盡快回到設(shè)計(jì)軸線，液壓缸壓力差應(yīng)取負(fù)大，減小機(jī)體的偏移。

有限元法是結(jié)構(gòu)分析的一種數(shù)值計(jì)算方法。ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，通過(guò)ANSYS軟件建立有限元模型，以桿、板、殼和梁等單元來(lái)模擬船體不同受力狀態(tài)的構(gòu)件，進(jìn)行分析求解，得到各個(gè)構(gòu)件的實(shí)際變形和應(yīng)力結(jié)果

。ANSYS軟件以其強(qiáng)大的功能、簡(jiǎn)便的操作方法、可靠的計(jì)算結(jié)果和較高的效率，成為結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)有力的分析工具。

1 建模船舶產(chǎn)品特征概述

1.1 船型

本船為航行于浙江舟山附近海域的單體高速客船。設(shè)計(jì)航區(qū)為沿海航區(qū)，穩(wěn)性滿足近海航區(qū)要求，抗風(fēng)能力可達(dá)抗風(fēng)七級(jí)，無(wú)線電通信設(shè)備按A1+A2海區(qū)配置。

圍繞著生本課堂的創(chuàng)建，教師要?jiǎng)?chuàng)新教學(xué)的方式，要能夠?qū)?chuàng)新的理念融入到教學(xué)工作實(shí)際中。尊重學(xué)生，激勵(lì)學(xué)生，給學(xué)生更多的支持，讓學(xué)生享有更多的自由，喚醒學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)熱情。所以，作為一名教師，要靈活運(yùn)用各種教學(xué)手段，將當(dāng)前非常受教育界認(rèn)可的情境教學(xué)、小組合作教學(xué)、角色扮演教學(xué)、微課堂教學(xué)等形式巧妙結(jié)合起來(lái)，共同促進(jìn)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的激發(fā)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

本船主體為單底、單甲板、鋼質(zhì)全電焊結(jié)構(gòu)，上層建筑為鋁質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)，由2臺(tái)船用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配有高效螺旋槳、帶短折角的首部V型、圓舭、方尾，消波船型，具有良好的耐波性。

1.2 主尺度

表1為該船主尺度值。

1.3 上層建筑布置

上層建筑是上甲板以上的各種圍蔽建筑物的統(tǒng)稱，它有船樓和甲板室兩種形式。上層建筑可設(shè)客艙及船員的生活艙室，設(shè)置駕駛室以擴(kuò)大駕駛視野，還可以增加船舶的儲(chǔ)備浮力，減少上浪

。船舶航行遭遇惡劣的海況時(shí)，上層建筑可能受到波浪的沖擊，承受波浪沖擊力，特別是首部受力最大；當(dāng)船舶迎著風(fēng)浪航行時(shí)，中部上層建筑前端壁受力最大。船舶主體沿船長(zhǎng)力向是連續(xù)的，而上層建筑卻是間斷的，船體在上層建筑端部附近，結(jié)構(gòu)發(fā)生突變。當(dāng)船舶總縱彎曲時(shí)，在船中的上層建筑端部將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。需要對(duì)上層建筑的端部應(yīng)采取一定的加強(qiáng)措施

。

MRA檢查結(jié)果提示：20例煙霧病患者中可見(jiàn)兩側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈的末端呈現(xiàn)狹窄閉塞者共計(jì)12例；單側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈的末端狹窄性閉塞患者共計(jì)8例；20例患者均存在不同程度的大腦前或中動(dòng)脈的主干狹窄閉塞；其中包括3例患者為大腦后動(dòng)脈的主干狹窄閉塞；20例患者中有5例患者均為血管跳躍征，其特征為受累的腦動(dòng)脈節(jié)段性血流信號(hào)處發(fā)生缺失，然而患者遠(yuǎn)端血流依然存在。在MRA檢查中未發(fā)現(xiàn)患者的大腦后動(dòng)脈擴(kuò)張者共計(jì)12例；而出現(xiàn)頸外動(dòng)脈分支擴(kuò)張者共計(jì)7例。

2 上層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，本船按中國(guó)船級(jí)社《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范(2015)》

對(duì)本船設(shè)計(jì)航區(qū)營(yíng)運(yùn)限制要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。每三個(gè)肋位設(shè)強(qiáng)框架，每檔肋位設(shè)橫向加強(qiáng)材(橫梁、肋骨、底肋骨)。部分構(gòu)件由局部強(qiáng)度計(jì)算定。

本船L

=42.6m<50m，L/D=42.6/3.30=12.9>12，按4.8.1.1及4.9.1.1規(guī)定

，應(yīng)該校核總縱強(qiáng)度及構(gòu)件的縱向穩(wěn)定性。

鋁合金具有密度小、重量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、無(wú)磁性、低溫性能好、可焊接且易于加工成型等優(yōu)點(diǎn)。本船上層建筑采用的鋁材材質(zhì)為：板材5083H

,其屈服強(qiáng)度

=215N/mm

,抗拉強(qiáng)度

=300N/mm

；普通型材6082T

，其

=250N/mm

,

=290N/mm

。其退火狀態(tài)下的非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力為125N/mm

。參照中國(guó)船級(jí)社《船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》中局部強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，鋁合金結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度計(jì)算的構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)不小于0.77

0.2

，故許用應(yīng)力[

]=0.77×125=96N/mm

。

上層建筑局部強(qiáng)度的計(jì)算載荷，按照規(guī)范要求需計(jì)算局部結(jié)構(gòu)面積上的壓力載荷。

【查閱資料】酒精，化學(xué)名稱為乙醇，化學(xué)式為C2H5OH，熔點(diǎn)為-114.1℃，沸點(diǎn)為78.5℃，易溶于水，能與水以任意比互溶。

2.1 上層建筑和甲板室計(jì)算壓力

按文獻(xiàn)3中的4.4.4.6計(jì)算上層建筑和甲板室計(jì)算壓力

=15.6

(

+0.8-0.3

)kN/m

表2為該船上層建筑和甲板室計(jì)算壓力。

參試品種有金優(yōu)38、泰優(yōu)2806、兩優(yōu)33、甬優(yōu)4949、A 優(yōu) 338、天兩優(yōu) 953、黃華占、黃科香 1號(hào)、黃科香2號(hào)、黃廣油占，對(duì)照為黃華占。

2.2 上層建筑局部強(qiáng)度校核

2.2.1 圍壁及頂板

(4)排導(dǎo)槽工程：在溝口位置設(shè)置一道排導(dǎo)槽，規(guī)整溝槽斷面，將攔擋壩下游的泥石流物質(zhì)順暢地導(dǎo)入柏枝溪，保護(hù)流通堆積區(qū)金獅村居民區(qū)的安全。

2.2.2 骨材剖面模數(shù)

表3為該船圍壁及頂板局部強(qiáng)度校核。

按4.5.3.1對(duì)圍壁及頂板進(jìn)行局部強(qiáng)度校核。

按4.5.3.2確定上層建筑骨材剖面模數(shù)。

3 上層建筑強(qiáng)構(gòu)件的強(qiáng)度校核

計(jì)算范圍從#48號(hào)肋位至#71號(hào)肋位，計(jì)算載荷取為6.6kN/m

。#48、#56、#63號(hào)和#71號(hào)肋位的甲板縱桁為自由支持，豎桁與下層甲板的連接處為自由支持。甲板載荷等效為線性均布載荷作用在甲板縱桁上，強(qiáng)橫梁作為縱桁的支持構(gòu)件。

教學(xué)結(jié)束后，采用自制調(diào)查問(wèn)卷對(duì)兩組護(hù)生職業(yè)核心能力和人文素養(yǎng)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)評(píng)。問(wèn)卷包括主動(dòng)學(xué)習(xí)力、學(xué)習(xí)興趣、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、語(yǔ)言表達(dá)能力、溝通能力、人文素養(yǎng)6個(gè)方面，滿分100分，分值越高表明能力越強(qiáng)。問(wèn)卷以不記名方式填寫。共發(fā)放問(wèn)卷127份，回收127份，有效回收率100%。

3.1 駕駛室頂棚甲板及其側(cè)壁豎桁

3.1.1 計(jì)算方法

3.2.2 構(gòu)件的剖面要素

在表示日本將盡可能降低核能依賴性的同時(shí)，規(guī)劃還指出，核電份額目標(biāo)將通過(guò)重啟核電機(jī)組并持續(xù)提升安全水平來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 構(gòu)件的剖面要素

MY瀝青砂添加劑對(duì)基質(zhì)瀝青的性能改善，最終體現(xiàn)道路瀝青混合料的路用性能指標(biāo)上。以《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTGF40-2004和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTGE20-2011的內(nèi)容為依據(jù)，采用AC-16型混合料級(jí)配，對(duì)改性瀝青混合料路用性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[15,16]。

表5為構(gòu)件的剖面要素。

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)繪制的單體高速客船上層建筑結(jié)構(gòu)圖中的頂棚甲板圖，找到其強(qiáng)構(gòu)件的坐標(biāo)，并根據(jù)坐標(biāo)在ANSYS程序中建立關(guān)鍵點(diǎn)，基本確立頂棚甲板的框架，并附上梁的屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)實(shí)際的情況對(duì)其邊界進(jìn)行約束，把換算荷載加載到縱桁上，運(yùn)行程序進(jìn)行計(jì)算。圖1為頂棚甲板計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云。表6為甲板縱桁、強(qiáng)橫梁和側(cè)壁豎桁的最大應(yīng)力。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于退貨方面的研究已經(jīng)非常成熟，而近年來(lái)研究方向也逐漸向退貨費(fèi)用等方面轉(zhuǎn)移。Posselt將零售商的退貨政策分為顧客所需做出的努力程度、退回商品的具體時(shí)限和顧客退回費(fèi)用的高低三個(gè)維度[1]。Bower調(diào)研發(fā)現(xiàn)如果消費(fèi)者在得知退回商品仍需自付退貨費(fèi)用時(shí)，往往不再愿意購(gòu)買該電商的產(chǎn)品[2]。國(guó)內(nèi)關(guān)于退貨費(fèi)用方面的研究則以運(yùn)費(fèi)險(xiǎn)為主，單汨源通過(guò)構(gòu)建模型證明消費(fèi)者的退貨率和產(chǎn)品售價(jià)均會(huì)因商家提供運(yùn)費(fèi)險(xiǎn)而提升[3]，鄭春東利用實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)費(fèi)險(xiǎn)可減少顧客網(wǎng)購(gòu)擔(dān)憂并提高購(gòu)買意愿[4]。

3.2 駕駛甲板及側(cè)壁豎桁

3.2.1 計(jì)算方法

由表6可知，甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、側(cè)壁豎桁的最大應(yīng)力值是

=87.7N/mm

。因?yàn)?/p>

<[

]=96N/mm

，所以駕駛室頂棚甲板強(qiáng)構(gòu)件及其側(cè)壁豎桁的尺寸滿足局部強(qiáng)度要求。

對(duì)于上層建筑各層甲板的直接計(jì)算采取分層分段建模。為了正確校核上層建筑甲板的承載能力和側(cè)壁的承載能力，計(jì)算模型簡(jiǎn)化為空間梁系結(jié)構(gòu)，梁系由甲板縱桁、強(qiáng)橫梁和側(cè)壁豎桁組成。

駕駛室頂棚甲板結(jié)構(gòu)取計(jì)算范圍從#36號(hào)肋位至#56號(hào)肋位。計(jì)算載荷取為4kN/m

。在#36、#48、#56號(hào)肋位處甲板縱桁為自由支持，豎桁與下層甲板的連接處為自由支持。甲板載荷等效為線性均布載荷作用在甲板縱桁上，強(qiáng)橫梁作為縱桁的支持構(gòu)件。

分析數(shù)據(jù)資料均來(lái)源于《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒(2002-2016)》、《中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒(2002-2016)》、《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒2002-2016》、《2001-2015年湖南省水資源公報(bào)》、《2001-2015年湖南省環(huán)境狀況公報(bào)》及湖南省各年統(tǒng)計(jì)公報(bào)、環(huán)境統(tǒng)計(jì)相關(guān)資料。

表7為構(gòu)件的剖面要素。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

圖2為駕駛甲板及側(cè)壁豎桁的程序輸出結(jié)果。

表8為甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、側(cè)壁豎桁的最大應(yīng)力。

由表8可知，甲板縱桁、強(qiáng)橫梁、側(cè)壁豎桁的最大應(yīng)力值是 。因?yàn)?，所以駕駛甲板強(qiáng)構(gòu)件尺寸滿足局部強(qiáng)度要求。

3.3 駕駛甲板板格強(qiáng)度計(jì)算

3.3.1 計(jì)算方法

選取#56號(hào)肋位到#59號(hào)肋位之間板格進(jìn)行校核。計(jì)算載荷取4kN/m

，周邊為剛性固定，外力作為均布載荷作用在甲板板上。

3.3.2 構(gòu)件的剖面要素

甲板板厚3mm，表9為構(gòu)件的剖面要素。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果

圖3為駕駛甲板板Von-Mises應(yīng)力程序輸出結(jié)果；圖4為駕駛甲板板架Von-Mises應(yīng)力程序輸出結(jié)果；表10為甲板板格板的最大應(yīng)力。

由表10可知，前端壁構(gòu)件的最大應(yīng)力值是

=16.75 N/mm

，因?yàn)?/p>

<[

]=96N/mm

。所以客艙前端壁構(gòu)件尺寸滿足局部強(qiáng)度要求。

研究區(qū)春玉米的生長(zhǎng)日期一般在5月初至9月底，約150 d左右。在苗期，玉米的植株較小，需水量也較小，一般在2.5 mm/d。而進(jìn)入拔節(jié)期后，葉面積迅速增加，這時(shí)日需水量從3.0 mm/d增加到約5.0 mm/d。進(jìn)入灌漿期后，葉面積逐漸呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。到成熟期后需水量從3.0 mm/d下降到約1.0 mm/d左右。春玉米生育期內(nèi)的日需水量變化過(guò)程如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要是利用有限元軟件ANSYS，根據(jù)中國(guó)船級(jí)社高速船的規(guī)范，確定上層建筑的所承受的外載荷，選定結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合船舶結(jié)構(gòu)直接計(jì)算法，選取單體高速船上層建筑的主要構(gòu)件建立三維有限元模型，對(duì)其附屬性和外部荷載，對(duì)其進(jìn)行局部強(qiáng)度核算分析和優(yōu)化，從而滿足單體高速船上層建筑的設(shè)計(jì)要求。

[1]陳南華等.42.5m鋁合金高速船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].武漢:船海工程,2021,50(5):82-85.

[2]任思楊.工程船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算及優(yōu)化研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[3]劉雪梅.船舶結(jié)構(gòu)與識(shí)圖[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2017.

[4]徐得志.船舶強(qiáng)度計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2021.

[5]中國(guó)船級(jí)社.海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2015.