有限元法在船舶检验工作中的应用研究

【摘　　要】本文主要将江苏省船舶检验局审图并且检验的最大散货船，即32000DWT散货船作为研究的例子，分析并总结了有限元法在船舶检验工作中的具体应用，同时提出了相关的注意事宜，以便能为船舶检验人员提供参考。

【关键词】有限元法；船舶检验；应用研究；32000DWT

1.前言

所谓的有限元法，就是随着计算机技术的进步而快速发展起来的一种有效的现代计算方法，目前正被广泛地应用于计算机的辅助工程分析（CAE）。最近几年来，随着船舶工业的不断发展，船舶大型化的趋势日益显著，而有限元法正逐渐地成为在船舶设计中最切实有效的方法之一。对于船舶的检验人员来说，在进行船舶检验尤其是在审图的工作中经常碰到船舶的结构强度直接计算的审核，因此，熟悉并且掌握一些在船舶设计过程中比较常用的有限元方法是有很大好处的，而且也是必须的。

至今为止，32000DWT散货船是目前江苏省船舶检验局批准仍在建的最大型散货船，该艘船打破了地方船检机构的检验船舶船长不超过150米的局面。该艘船的图纸由浙江省欣海船舶设计研究所与江苏科技大学船舶设计研究所共同设计、审核，在设计的过程中使用有限元方法完成了货舱区域的结构强度计算（结构强度有屈曲强度、屈服强度、纵骨疲劳强度以及热点疲劳强度），舱口盖的强度计算、锚机底座的强度计算等[1]。

2.有限元法的特点

据相关资料表明，一个新的产品能够在设计的阶段解决超过60%的问题。有限元方法是一种求解各种繁复工程问题的重要分析方法，同时也是开展科学研究的重要工具。运用有限元方法就能够在产品（包括结构以及工艺）设计的时候进行参数的分析与优化，以此来提高产品的质量。有限元的分析法目前已经成为了取代大量实物进行试验的数值化“虚拟试验”，在该种方法的条件下，大部分的计算分析以及典型的验证性试验进行相互结合能够提高效率以及降低成本。在对有限元法的使用功能上，其具有以下的特点：（1）它是一种完全适用于Windows界面下工作的新程序，且应用更加的简单方便。（2）它不但能够进行线性分析，而且还能够进行各种各样的非线性分析。（3）它属于一种综合性的多物理耦合分析软件，一般用户能够进行类似于热、结构、电磁、流体流动等的独立研究，此外还能够对这些分析进行相互影响研究。（4）它能够进行结构的静和动分析，用以求解由外载荷而引起的位移和应力。（5）还能够进行结构的稳定性分析，其主要有线性与非线性的屈曲分析。

3.有限元法在船检之中的应用

近几年来，船舶的大型化促进了有限元法和船舶设计的相互结合，这种结合也开始逐步的应用到具体的船舶检验工作之中。如此便要求船舶的检验人员必须要在掌握有限元基本方法步骤的前提下，完成审核检验有限元方法使用的正确性以及合理性。对于32000DWT散货船货舱区域结构强度的计算主要是采取美国宇航局（NASA）所开发的MSC.NASTRAN结构有限元分析的软件。将计算的屈服强度作为例子，应该要根据以下的步骤方法进行审核以及检验。

3.1审核的选取和建立有限元模型。采取三维的有限元模型，选择散货船货舱区的半个货舱+1个货舱+半个货舱，由于没有重货舱，因此能够选择船中货舱No.3舱当做评估的对象，舱段模型的纵向范围由肋位Frame98到肋位Frame177，其中Frame118与Frame157是横舱壁所在的肋位，垂向范围是船体型深。由于舱段的结构以及计算载荷与中纵剖面对称，因此舱段模型应该要选取左舷，就是横向范围为1/2个船体型宽。

3.2审核模型材料参数的赋值状况。本船的材料选取的钢材主要是低碳钢、DH32以及AH32等，材料的具体参数包括杨氏模量即：（E=2.06×105N/mm2，Poisson比ν=0.3，质量密度ρ=7.85×103kg/m3）。

3.3审核有限元模型网格的划分是否正确。船体结构的有限元网格沿着船壳横向按照纵骨的间距或者类似的间距进行划分，纵向按照肋骨的间距或者类似的间距进行划分，网格的形状最好尽量接近于正方形。需要注意的是，在高应力区以及高应力的变化区（例如：减轻孔、人孔，舱壁和凳相接处，附近的肘板或者结构的不连续处。）尽量避免采用三角形的单元。

3.4审核边界条件设置的正确性。为了使计算结果更能接近实际，必须分析有限元模型的受力状况，设定模型的边界条件：（1）元模型的后端的部分保持在一个平稳的状态，任何处在剖面的独立点与其他任意一个节点相关，对独立点加压弯矩；（2）元模型的前端的部分保持在一个平稳的状态，任何处在剖面的独立点与其他任意一个节点相关，对独立点加压弯矩。

3.5审核计算工况。通过对散货船对计算选取的要求分析以及结合本船的所有具体情况，明确有六种计算选取的情况：一般压载工况、轻货工况、重货工况、附加工况一、附加工况二、附加工况三。

3.6审查模型载荷的合理以及正确性。有限元模型载荷需要实际的承载检验之后才能得出实际的载荷量，通过对实际用于船舶的重量按规定步骤要求放进模型中，查看是否具有合理性。一般的载荷来源于：水压力、端面弯矩以及货物重量压力等[2]。

3.7检查计算工况的结果。有限元模型的所有计算程序都是通过自动化的计算机模式进行，船舱需要直接计算的部分有：曲服强度、纵骨疲劳以及船舶的热力等强度值，通过应力结果进行综合数据分析，能够对模型的所有受力的具体情况有详细了解。对计算应力结果时出现的所有问题，包括强度许用值的具体位置以及应力值的结果都能够快速找到。对船舶舱口的材料的硬度和强度以及固定船舶前侧甲板的锚机材料的硬度和强度的计算结果是在美国的ANSYS软件计算下完成的，本文不做进一步解释。

3.8注意事项。使用任何软件计算均要根据严格的规范要求进行作业，注意要求主要有几下几点：（1）有限元模型除了特殊情况外，均要使用符合“钢规”规定的尺寸的构件；（2）有限元模型的所有机构和数据以及实际问题的应对零件均要求更够利于计算工况，且按相关指南进行作业。对结构和载荷的功能均要能够得出正确且合理的应力值数据；（3）实际板材的尺寸和厚度严格按照设计图纸选取；（4）对于构件中的人孔等设备允许用同等效果的板元代替；（5）用同样质量和效用的T型材代替球扁钢；（6）所有边界条件的设置均在规范要求的指导下进行；（7）对于模型的载荷施加情况需要设计合理，合理进行计算；（8）三角形单元的使用需注意，舱壁、减轻孔、结构不连接的地方等则不能使用[3]。

4.结束语

随着船舶事业的不断发展，有限元法在辅助船舶的设计过程中越来越得到广泛的运用，这能够充分的体现了现代计算机技术辅助设计的优越性能。如果船舶的检验人员了解并且掌握了这一类的技术方法之后，就可以方便又快速地进行船舶的舱段以及船舶中特种构件相关强度的校核和检验，这对于现实工作中船舶的设计和制造具有良好的指导作用，有利于船舶检验人员在审图的环节就可以有效地把握并确保船舶的质量。

参考文献

[1]郭伟立，宁萍.法定船舶检验的种类及法律特征[J].科学咨询（科技·管理），2011，45（3）：57-59.

[2]王欣铭.论海事执法中的船舶检验管理[J].天津航海，2010，29（15）：120.

[3]殷玉梅，赵德有.船舶上层建筑整体振动有限元建模方法研究[J].中国造船，2009，12（3）：45-46.