玻璃鋼快艇結(jié)構(gòu)有限元分析中
邊界約束條件的初步研究
大摘要
目前我國的玻璃鋼艇產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，伴隨玻璃鋼艇體材料的日新月異，性能不斷提高，設(shè)計者為了滿足市場審美需要，減輕艇體重量、降低制造成本，正在不斷地推出各種新穎的艇體結(jié)構(gòu)形式，從而使得目前有關(guān)玻璃鋼艇體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法不能滿足需要。
1.研究的意義與目的
有限元方法能較好地模擬各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)并得到較準(zhǔn)確的結(jié)果，所以用有限元方法來校核玻璃鋼艇體強(qiáng)度是目前較佳的選擇。然而在船舶領(lǐng)域，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核過程中，關(guān)于鋼質(zhì)船舶的邊界約束條件已經(jīng)有較完整的理論和方法，而對于玻璃鋼船舶，由于材料的特性以及結(jié)構(gòu)形式的多種多樣，使得滿足鋼質(zhì)船舶有限元結(jié)構(gòu)計算的各種約束邊界條件不適合玻璃鋼艇體結(jié)構(gòu)有限元計算的要求，所以分析研究玻璃鋼艇體結(jié)構(gòu)在有限元分析中的邊界約束條件就顯得十分必要。
2.國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
在國外，ANSYS在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于國內(nèi)，并且其應(yīng)用的范圍也更加廣泛，涉及了復(fù)合材料設(shè)計的許多方面，其中自然包括玻璃鋼材料。應(yīng)用商業(yè)化軟件包ANSYS 在圓柱坐標(biāo)經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)采用由玻璃纖維和泡沫夾芯的層壓夾層板有利于降低構(gòu)件重量。1995年，法國的Grando J等人用有限元模擬程序ANSYS對玻璃纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料對其進(jìn)行了研究。1998年，意大利的Buccella C對先進(jìn)復(fù)合材料的二維應(yīng)力進(jìn)行了分析，提出隱式求解和顯式求解，將兩種求解方法的計算結(jié)果進(jìn)行了對比并與應(yīng)用有限元軟件包ANSYS計算的結(jié)果進(jìn)行了對比。2000年，法國的Labed N等人對具有無限邊界的雙層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了厚度方向上的優(yōu)化，并將復(fù)合材料視為一維結(jié)構(gòu)。2004年，美國的Prabu SB等人針對SiC的體積分?jǐn)?shù)和纖維直徑對6061A1／SiC復(fù)合材料界面應(yīng)力／應(yīng)變的影響進(jìn)行了有限元研究。
在國內(nèi)，ANSYS在各個行業(yè)的廣泛應(yīng)用，特別是在復(fù)合材料領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。北京科技大學(xué)的康永林等人對樹脂復(fù)合輕質(zhì)夾層鋼板這種新型復(fù)合材料進(jìn)行了研究，應(yīng)用ANSYS有限元軟件，模擬分析了樹脂復(fù)合輕質(zhì)夾層鋼板的彎曲成型過程中錯動量的分布與變化規(guī)律，并對應(yīng)力、應(yīng)變和位移在平板截面的分布進(jìn)行了分析。西北工業(yè)大學(xué)的馬志軍等人采用ANSYS有限元分析軟件，對SCS-6 SiC／Ti—24A1-1 1Nb玻璃纖維材料的殘余熱應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了纖維排布對殘余熱應(yīng)力的影響。
3、研究的內(nèi)容
1、在研究玻璃鋼快艇的基礎(chǔ)上，提出了采用層單元處理玻璃鋼快艇的層合結(jié)構(gòu)以及夾層結(jié)構(gòu)的方法，對于正確地進(jìn)行玻璃鋼快艇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的直接計算具有實(shí)用價值和指導(dǎo)作用。
2、研究玻璃鋼快艇艙段在不同約束條件下的應(yīng)力應(yīng)變情況，計算得出了艙段中相關(guān)位置在不同約束條件下的應(yīng)變情況，對比全船中對應(yīng)位置的應(yīng)變情況，討論兩種情況下的差異，評價了對應(yīng)約束條件的優(yōu)劣性。
4、研究方法
本文主要通過試驗(yàn)的方法，選取全艇在中拱載荷狀態(tài)下，在艇首尾端面中性軸位置施加簡支約束所得的數(shù)據(jù)結(jié)果為基礎(chǔ)，對比其中某一艙段在相同載荷情況，施加不同邊界約束條件所引起的不同結(jié)果。通過分析艙段結(jié)果數(shù)據(jù)比較不同約束條件的優(yōu)劣，進(jìn)而調(diào)整邊界約束條件，使得與全艇中的數(shù)據(jù)盡量相同。
5、研究結(jié)果
本文從工程實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，以通用有限元分析軟件ANSYS為平臺，運(yùn)用參數(shù)化分析方法實(shí)現(xiàn)了有限元模型的變量分析，并通過不斷改變調(diào)整其中參數(shù)以達(dá)到目標(biāo)結(jié)果。此方法實(shí)踐了有限元模型試驗(yàn)的靈活性和有效性，對后續(xù)此型號玻璃鋼快艇有限元計算中的邊界條件的確定實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)實(shí)意義。通過對玻璃鋼快艇的有限元模型計算的邊界約束條件的不斷試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：
1、本文運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)，對改變玻璃鋼快艇的材料屬性、載荷和邊界條件、彈簧單元屬性等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了具體實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了有限元的參數(shù)化建模。
2、本文以研究全艇在中拱的相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了艙段在相同荷載情況下，通過改變艙段的邊界約束條件，所產(chǎn)生的不同結(jié)果數(shù)據(jù)；通過分析比較這些結(jié)果數(shù)據(jù)，對相應(yīng)的邊界約束條件進(jìn)行評價，從而得到目標(biāo)約束條件。

關(guān)鍵詞: 快艇；復(fù)合材料；夾層結(jié)構(gòu)；有限元；邊界約束條件





The Preliminary Study of Boundary Conditions in FRP Boats` Structural FEM Analysis

Abstract

The industry of fiberglass boats in our country takes a rapid development at present. With the diversification of PRP materials, the performance improving continuously, the designers are constantly introduce various new hull structure in order to meet the aesthetic needs of the market and fulfill with reducing hull weight and manufacturing costs, so the current structural design methods on fiberglass hull cannot meet the need.
1、Meaning and purpose of the study
Finite element methods can simulate complex structure and get more accurate result, therefore the finite element method to check the hull strength of FRP is the better choice at present. However, in the field of ship, while taking the design of ship structural and the of process structural strength of the verification, the boundary condition for steel ship have a more complete theory and methods. As for the fiberglass boats, due to the properties of materials and a variety of structural forms, the boundary conditions for satisfying the finite element structural calculations in steel ship are not suitable for the requirements of the analysis that finite element calculate on FRP hull structure. Therefore, the analysis of boundary conditions is in urgent need during the process of applying the FEM software to analyze the hull structure.
2、Current status and development trend at home and abroad
The application of ANSYS in the area of composite materials at abroad is much earlier than the domestic application, therefore it has more extensive ra..