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超大型矿砂船全船结构强度计算及内部货物载荷分布研究

作　者: 罗秋明
导　师: 唐文勇
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 超大型矿砂船有限元全船分析惯性平衡矿砂载荷非线性分布
分类号: U674.134.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 111次
引　用: 8次
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内容摘要

超大型矿砂船ULOC(Ultra Large Ore Carrier)拥有巨大装载容量,在世界航运业高速发展的新时期具有广阔的市场前景,而我国现已成为世界上最大的铁矿石消费国,因此研究和开发超大型矿砂船对实现我国船舶工业“国轮国造”、“国能国解”的目标具有重要而现实的意义。超大型矿砂船在结构上与传统的散货船有较大的差异,其典型横剖面具有鲜明的特点,且船体本身超大型化的要求使得其结构性能备受关注。超大型矿砂船由于船体结构的特殊性和船体尺度的超大型化,超出了现有规范的使用范围,因此需采用全船有限元方法对船体结构强度进行计算。本文在研究超大型矿砂船全船分析的基础上,探讨了超大型矿砂船全船结构有限元模型和质量模型的建模方法、波浪载荷计算方法和内部货物载荷计算方法,以及解决全船载荷动态平衡的惯性平衡处理技术,形成了一整套超大型矿砂船全船结构强度直接计算流程。针对超大型矿砂船内部矿砂载荷的模拟,本文借鉴挡土墙上土压力计算模型,在经典土压力理论的基础上,应用水平层分析法,分析了散粒矿砂货物对货舱舱壁的压力分布。与经典的库仑主动土压力理论和散货船共同规范计算公式所得的压力为线性分布不同的是,本文所得的斜舱壁压力分布呈现出非线性特征,特别是在接近内底的斜舱壁下端,压力会明显变小,这一现象与实船测量结果的趋势比较一致。通过对比上述几种方法的压力分布,综合考虑矿砂沉降和航行中的振动、横摇等因素,结合实船测量数据,得到简便而又相对准确的计算公式,为超大型矿砂船强度校核的内部矿砂载荷计算提供参考依据。本文以一条45万吨级的超大型矿砂船为例,完整实现了全船有限元分析全过程,计算出各个工况下的船体变形和应力。本文的研究工作对开展超大型矿砂船全船结构强度直接计算具有指导作用,并可为船级社制定相关的指南提供技术参考依据。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-15
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 超大型矿砂船开发现状  11-12
  1.3 课题研究的意义  12-13
  1.4 本文的主要研究内容  13-15
第二章船舶结构强度分析方法  15-22
  2.1 船舶结构强度分析方法概述  15-17
  2.2 船体梁法  17-18
  2.3 有限元法  18-20
  2.4 全船计算的意义  20-21
  2.5 本章小结  21-22
第三章超大型矿砂船全船结构强度直接计算方法  22-46
  3.1 方法综述  22
  3.2 全船有限元建模方法  22-28
    3.2.1 模型范围和计算坐标系  23
    3.2.2 模型单元类型的选择  23-24
    3.2.3 全船有限元网格划分原则  24-26
    3.2.4 局部细化有限元模型  26-28
  3.3 波浪载荷预报  28-34
    3.3.1 基于动态载荷法的波浪载荷计算  28-29
    3.3.2 水动力计算模型  29-30
    3.3.3 等效设计波  30-33
    3.3.4 船体运动和载荷预报  33
    3.3.5 超大型矿砂船波浪载荷预报流程  33-34
  3.4 矿砂船内部货物载荷计算  34-38
    3.4.1 内部货物载荷综述  34-36
    3.4.2 矿砂船液货舱载荷计算  36-38
  3.5 载荷加载和惯性平衡处理技术  38-43
    3.5.1 惯性平衡原理  38-40
    3.5.2 动平衡法和惯性释放  40-42
    3.5.3 边界约束  42-43
  3.6 矿砂船全船有限元分析流程  43-45
  3.7 本章小结  45-46
第四章内部矿砂载荷分布研究  46-66
  4.1 概述  46-47
  4.2 土压力基本理论  47-49
  4.3 基于水平层分析法的内部矿砂载荷分析  49-52
    4.3.1 计算模型  49-50
    4.3.2 力的平衡方程  50-51
    4.3.3 基本方程的解  51-52
  4.4 散货船共同规范关于矿砂载荷的计算公式  52-53
  4.5 压力分布对比分析  53-57
    4.5.1 矿砂货物面确定  53-55
    4.5.2 实测数据对比分析  55-57
  4.6 内部矿砂载荷的确定  57-65
    4.6.1 静载荷阶段  57-58
    4.6.2 动载荷分析及对规范载荷公式的改进  58-65
  4.7 本章小结  65-66
第五章某45 万吨级超大型矿砂船全船有限元分析  66-103
  5.1 计算工况的选取  66-67
  5.2 全船有限元分析模型  67-71
    5.2.1 全船有限元模型  67-69
    5.2.2 水动力模型  69-70
    5.2.3 质量模型  70-71
    5.2.4 船体的材料属性  71
  5.3 船体载荷计算  71-76
    5.3.1 传递函数计算  71-72
    5.3.2 波浪诱导载荷长期预报  72-73
    5.3.3 设计波参数的确定  73-74
    5.3.4 波浪载荷映射和运动加速度预报  74-76
  5.4 载荷加载与惯性释放  76-77
    5.4.1 船体载荷加载  76
    5.4.2 全船惯性力平衡  76-77
  5.5 计算结果分析  77-102
    5.5.1 变形分析  78-79
    5.5.2 全船主要构件应力汇总  79-83
    5.5.3 主要考察构件应力分析  83-98
    5.5.4 网格细化分析  98-102
  5.6 本章小结  102-103
第六章总结与展望  103-105
  6.1 全文总结  103-104
  6.2 研究展望  104-105
参考文献  105-108
附录A 船体水动压力预报结果  108-110
附录B 全船变形示意图  110-112
致谢  112-113
攻读学位期间发表论文情况  113-116
上海交通大学学位论文答辩决议书  116

超大型矿砂船全船结构强度计算及内部货物载荷分布研究

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