超大型集装箱船结构强度规范校核及有限元分析

论文摘要

随着世界经济全球化进一步的发展,全球贸易需求量不断扩大,各国集装箱运量不断上升,集装箱运输不断朝着集约化、大型化发展。针对目前市场热点超大型集装箱船,以MARIC正在开发的万箱级集装箱船为依托平台,对9618TEU集装箱船的结构关键技术进行分析和研究。目标是使我国具备自行设计、建造第六代集装箱船和万箱以上超大型集装船的能力。对提高中国船舶工业的技术档次,提高船舶工业的技术实力是非常重要的。由于集装箱具有货舱开口大、航速高、高强度钢使用比重大、稳性要求高、舱口变形大等特点,船体总纵强度和船体局部的疲劳强度问题比较突出。对9618TEU超大型集装箱而言,横向开口尺度已达到90%。由于9618TEU的超大型级集装箱船的超长结构和大开口特性,仅考虑垂向作用力部分对船体梁强度影响是远不够的,还应考虑各种载荷作用,包括静水弯矩、货物和不对称液舱室布置引起的静水扭矩、垂向弯矩、水平弯矩等。联合载荷作用下的船体强度和结构变形显得尤为突出。并且在舱口角隅的上甲板、纵向舱口围板的前后两端、舷侧纵骨以及舷侧横向强框处等重点受力区域,应力集中现象比较明显,结构疲劳强度也成为关注的焦点。所以本论文重点放在船体总纵强度和疲劳强度问题的研究上。本论文首先采用DNV/Nauticus软件对目标船相关剖面进行初步规范校核,确定其尺寸大小。再经过仔细分析比较,适当调整布置尺寸,以使构件尺度最为经济;接着进行舱段有限元分析,对主要横向构件进行应力分析,目的是对该船的主要横向结构如典型强框结构、水密舱壁和支撑舱壁结构及双层底结构等进行屈服和屈曲强度评估;然后进行全船有限元的计算,其主要目的是找出承受较大动载荷的高应力区域,以及为精细网格的有限元计算提供边界条件。最后进行纵骨节点的疲劳强度校核,验证其是否具有有效的疲劳强度和疲劳寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 集装箱船的发展
• 1.1.1 集装箱船和集装箱船队的发展
• 1.1.2 集装箱船演变
• 1.1.3 超大型集装船发展得到重视的原因
• 1.2 课题的来源、研究背景及意义
• 1.2.1 国外万箱级超大型集装箱船的研究现状
• 1.2.2 中国在集装箱船建造中的地位
• 1.3 本课题的研究内容
• 1.4 主要尺度
• 第2章 高强度钢的应用研究
• 2.1 概述
• 2.2 使用高强度钢的优点
• 2.3 使用高强度钢的缺点和潜在问题
• 2.3.1 焊接和断裂的考虑
• 2.3.2 结构的柔性和屈曲
• 2.3.3 疲劳和高应力水平的考虑
• 2.3.4 腐蚀的考虑
• 2.3.5 总结
• 2.4 使用高强度钢对疲劳寿命的影响
• 2.5 建议的工程解决方法
• 2.5.1 设计需要考虑的地方
• 2.5.2 焊接、防止裂纹等建造工艺的考虑
• 2.5.3 营运和服务期内维修的考虑
• 2.6 高强度钢在其他船型上的应用
• 2.6.1 高强度钢在大型油船上的应用
• 2.6.2 高强度钢在大型散货船上的应用
• 2.7 高强度钢在超大型集装箱船上的应用研究
• 2.7.1 概述
• 2.7.2 规范对高强度钢使用的要求
• 2.7.3 目标船高强度钢的使用研究
• 2.7.4 采用高强度钢的典型节点设计探讨
• 2.8 本章小结
• 第3章 结构的规范校核
• 3.1 特性的确定
• 3.1.1 中剖面确定和优化
• 3.1.2 目标船的设计静水弯矩
• 3.1.3 目标船的结构布置
• 3.1.4 目标船船体材料的选用
• 3.2 目标船的总纵强度分析
• 3.3 规范条件下的总纵应力合成与分析
• 3.3.1 扭转响应分析的流程
• 3.3.2 扭转响应的应力分析
• 3.3.3 扭转响应的应力迭加
• 3.4 总纵应力合成示例
• 3.5 本章小结
• 第4章 舱段有限元结构强度分析
• 4.1 舱段有限元模型的建立
• 4.2 坐标系及其量纲
• 4.3 结构的有限元模型化及划分
• 4.4 工况及其载荷
• 4.4.1 船体运动加速度
• 4.4.2 水压力
• 4.4.3 集装箱及舱口盖等外载荷
• 4.4.4 工况
• 4.5 边界条件
• 4.6 材料及材料因子
• 4.7 结构强度有限元计算结果及分析
• 4.7.1 舱段有限元位移计算结果
• 4.7.2 舱段有限元屈服强度计算结果
• 4.8 结构强度优化设计总结
• 4.9 局部板架的稳定性分析
• 4.9.1 双层底内的纵向析材稳定性
• 4.9.2 横向强框架底部稳定性分析
• 4.9.3 外底板局部稳定性分析
• 4.9.4 内壳纵舱壁板局部稳定性分析
• 4.9.5 结构屈曲稳定性优化总结
• 4.10 本章小结
• 第5章 全船有限元屈服和屈曲强度校核
• 5.1 全船三维有限元模型建立
• 5.1.1 模型的范围
• 5.1.2 坐标系统的确定
• 5.1.3 有限元模型化及划分
• 5.2 质量模型建立（载荷的施加）
• 5.3 工况的选取
• 5.3.1 静水工况
• 5.3.2 波浪载荷工况
• 5.3.3 计算工况
• 5.4 边界条件
• 5.5 应力衡准
• 5.6 全船有限元屈服结果分析
• 5.7 局部板架的屈曲稳定性分析
• 5.7.1 屈曲稳定性分析的基本原理
• 5.7.2 板的屈曲稳定性校核结果
• 5.8 结果分析
• 5.9 本章小结
• 第6章 疲劳强度分析和疲劳寿命预报
• 6.1 疲劳特性
• 6.1.1 疲劳强度分析的重要意义
• 6.1.2 疲劳破坏的特点以及其与屈服破坏的区别
• 6.1.3 疲劳载荷的计算方法简介
• 6.1.4 低周疲劳强度简介
• 6.1.5 疲劳强度估算的基本方法简介
• 6.1.6 校核疲劳强度的衡准
• 6.2 纵骨穿越强框架端部连接方式疲劳寿命分析
• 6.2.1 纵骨穿越强框架端部连接方式疲劳寿命分析
• 6.2.2 疲劳校核部位的选择
• 6.2.3 纵骨端部连接方式
• 6.2.4 载荷工况
• 6.2.5 应力分量的组合
• 6.2.6 累积疲劳损伤计算
• 6.2.7 疲劳寿命分析结果
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢