基于惯性释放原理的船舶结构程序开发
惯性释放技术适用于模拟无约束结构力学问题，国外各大商业有限元软件均具备惯性释放功能，但在由我国船舶行业人才开发出的专用船舶结构有限元程序中，难以见到该功能的“踪影”。船舶静止在水中时，重力与浮力平衡，处于自由无约束状态，这是真实世界中船舶的受载状况和边界条件。但在有限元分析中，由于在载荷施加的过程中存在误差和近似，整船模型的力系难以达到绝对平衡。此时若按照传统方式求解，不平衡外载荷对结构产生的影响将以集中力的形式（即约束支反力）呈现，违背了自由无约束的前提条件。而使用惯性释放技术求解，能够将不平衡外载荷对结构产生的影响，以体积力的形式（即惯性载荷）分摊到所有节点上，不会产生支反力。 施加在结构上的载荷平衡程度越高，经过惯性释放技术求解后得到的结果也会越接近真实情况，而浮态计算正是实现船舶重力载荷和浮力载荷平衡的有效途径。本文首先采用了一种适合用于分析凸多面体组合结构的新型浮态算法，对某大开口槽道船进行了浮态计算。该算法在计算模型上使用若干个四面体单元描述浮体外形，在计算方法上使用内外层迭代分别模拟浮体的升沉、旋转运动。经过迭代，槽道船的重力与浮力、重心与浮心之间满足了规范关于载荷平衡调整的要求，能够为整船有限元分析提供平衡程度较高的载荷。 接着，本文根据能量原理，从单元内某微块惯性力做功的微观视角，提出了一种等效节点惯性力的计算方式。依据推导的公式，编写了具有惯性释放功能的平面应力四节点等参单元自主计算程序，并以受分布载荷的简支梁为例对算法和程序进行验证；编写了具有惯性释放功能的三维实体八节点等参单元自主计算程序，并以绕定轴转动梁和吊装钢管为例对算法和程序进行验证；在壳结构分析软件——鹦鹉螺Nautilus的基础上，开发了壳单元的惯性释放功能，并对钢管吊装问题再次进行分析；最后回到大开口槽道船的弯扭组合强度有限元分析，通过浮态计算实现了全船载荷的有效平衡，通过惯性释放模拟了船舶在水中自由无约束状况下的结构响应。以上结果均表明本文提出的惯性释放算法是正确可靠的，能够精确配平载荷，简化边界条件处理，适用于求解无约束结构，对国产有限元的自主开发具有一定的借鉴意义。
船舶结构力学;惯性释放功能;等效节点力
华南理工大学
硕士
船舶与海洋结构物设计制造
刘虓
2022
中文
U661.4
2022-12-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）