玻璃钢双体游艇结构强度的计算方法研究

发布时间：2017-05-29 22:09

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【摘要】：结构强度计算是游艇设计中的关键步骤，目前，针对玻璃钢双体游艇的结构强度计算还是以规范公式法为主，已经在钢质船领域广泛应用的有限元法尚未在游艇领域普及。此外，中国船级社的规范中还没有专门针对游艇的有限元直接计算的规定，因此，开展对玻璃钢双体游艇结构强度的计算方法研究具有重要意义。 本文以玻璃钢双体游艇为研究对象，对其结构强度计算方法进行研究。分别采用规范公式法、有限元直接计算法、流固耦合法计算了一艘52ft玻璃钢双体游艇的结构强度，对相同工况下的计算结果进行对比，分析三种方法的差异。 本文主要开展的研究如下： （1）根据中国船级社游艇建造规范的要求，采用规范公式法计算获得游艇各主要结构的设计计算压力及所要求构件的参数值，对游艇主要结构的计算表明其强度满足要求。 （2）采用有限元直接计算法计算游艇的结构强度。建立实艇的有限元详细模型，定义了全艇的玻璃钢非金属夹层结构，根据双体船的航行特性，借助ABAQUS软件计算了双体游艇在横向弯曲、纵向弯曲、片体不同步扭转、连接桥垂向剪切及相互耦合共10种工况下的有限元结构强度。得到玻璃钢游艇结构的薄弱区主要分布在连接桥、强横梁及片体相交或者过渡的位置，最大正应力为35.26MPa，最小正应力为-33.71MPa，艇体的最大变形量达到34.64mm。 （3）采用流固耦合法计算游艇的结构强度。建立流场分析模型，借助WORKBENCH平台实现玻璃钢游艇全艇的结构有限元模型与流场的耦合计算。采用惯性释放的方法释放游艇的自由度，利用数值造波技术，实现了游艇在静水、迎浪和斜浪航行工况下的流固耦合计算。 （4）三种强度计算方法的对比分析。以规范公式法的计算剖面为对象，综合比较了有限元法、流固耦合法的结果，发现连接桥骨材、顶篷甲板并不危险。选取前10大等效应力对有限元法和流固耦合法同工况下的计算结果进行对比，结合规范公式法，研究了三种方法危险点分布的差异，找到了规范法忽视的危险位置。其次，通过引入安全系数对主要外板的计算结果发现，规范公式法对除连接桥底板、舱壁板以外结构的计算过于安全，有限元法在中垂工况下的计算偏于危险，流固耦合法的计算结果可以为规范公式及有限元法的修正提供参考。最后，利用流固耦合法研究了游艇结构强度随波高、航速的变化规律。
【关键词】：玻璃钢 双体游艇 有限元 流固耦合
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.91;U661.43
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 选题的背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 本文的主要研究内容13-15
• 第2章 玻璃钢游艇结构强度计算相关理论15-26
• 2.1 玻璃钢的力学理论15-20
• 2.1.1 基本方程及本构关系15-17
• 2.1.2 玻璃钢的平面应力假设17-20
• 2.2 游艇强度计算的有限元理论20-21
• 2.3 游艇的流固耦合21-25
• 2.3.1 流体域的数学模型21-22
• 2.3.2 流体域的求解方法及流程22-24
• 2.3.3 数值造波与消波技术24-25
• 2.4 小结25-26
• 第3章 游艇结构强度的规范公式法26-34
• 3.1 游艇载荷计算26-28
• 3.2 游艇的总纵强度计算28-29
• 3.3 艇体主要构件校核29-33
• 3.4 小结33-34
• 第4章 游艇结构强度的有限元计算法34-53
• 4.1 有限元模型的建立34-36
• 4.1.1 几何模型34-35
• 4.1.2 材料及单元的选择35-36
• 4.2 工况与载荷36-40
• 4.2.1 双体游艇横向弯曲37-38
• 4.2.2 双体游艇总纵弯曲38
• 4.2.3 片体不同步扭转38-39
• 4.2.4 纵中剖面垂向剪切39-40
• 4.2.5 组合工况40
• 4.3 边界条件40-42
• 4.4 等效应力分析及变形预测42-51
• 4.4.1 总纵弯曲工况结果43-44
• 4.4.2 总横弯曲工况结果44-46
• 4.4.3 片体不同步扭转及垂向剪切结果46-48
• 4.4.4 组合工况结果48-49
• 4.4.5 主要工况应力分布分析49-51
• 4.5 总强度校核51-52
• 4.6 小结52-53
• 第5章 游艇结构强度的流固耦合计算法53-65
• 5.1 游艇周围粘性流场模拟53-57
• 5.1.1 流体模型53-54
• 5.1.2 静水、迎浪及斜浪工况计算结果54-57
• 5.2 固体计算域的设定57-59
• 5.2.1 固体域模型57-58
• 5.2.2 载荷与边界条件58-59
• 5.3 耦合计算结果分析59-64
• 5.3.1 静水航行工况计算结果59-60
• 5.3.2 迎浪航行工况计算结果60-61
• 5.3.3 斜浪航行工况计算结果61-62
• 5.3.4 应力分析62-64
• 5.4 小结64-65
• 第6章 玻璃钢双体游艇结构强度的计算方法研究65-79
• 6.1 三种方法的综合比较65-74
• 6.1.1 危险剖面计算结果的比较65-67
• 6.1.2 危险点分布位置的比较67-70
• 6.1.3 各主要外板计算结果对比70-73
• 6.1.4 三种方法综合比较73-74
• 6.2 游艇航行参数对强度的影响74-78
• 6.2.1 不同参数下应力的瞬态值分析74-75
• 6.2.2 不同参数下应力、变形的时变性分析75-78
• 6.3 小结78-79
• 第7章 结论与展望79-81
• 7.1 结论79-80
• 7.2 展望80-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-84
• 在学期间发表的学术论文84

【参考文献】

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本文编号：405793