1. 基本假定和简化

（1）计算中，假定木船结构处于线弹性工作状态，即满足线性几何关系（小应变、小变形状态）、线性应力-应变关系，且载荷与边界条件不随变形而发生变化。

（2）所有构件之间的连接均为刚性的。

（3）对层板叠合构造，取其平均板厚（假定外板内外边界均为光顺的）。由于各种构件之间均采用刚性连接，模型中忽略了环向肋骨、挂锔、销钉等局部节点的构造。

（4）模型中只考虑了参与总强度的主要受力构件，对于底舱铺板、舱口盖、舱室壁板等非主要受力构件及结构开孔进行了简化。

2. 计算模型的建立

按复原相关布置和结构图纸建立全船有限元模型，由于船体左右布置基本对称，计算时的载荷同样为左右对称加载，故建立全船二分之一模型，如图5-25所示。在对称处添加对称边界条件。

图5-25　全船二分之一有限元计算模型

整个模型共采用了20 089个单元，其中1 481个单元为BEAM188梁单元，用于模拟龙骨、甲板横梁、舱口围板和抱梁肋骨等强构件。其余单元均为shell 181壳单元。整体坐标系X向为船宽方向，Y向为船长方向，Z向为船深方向。如图5-26所示。

图5-26　宝船梁单元模型

3. 构件板材的材料参数

木材在力学性质方面都具有特别显著的各向异性，这是由其特殊的组织构造所决定的。图5-27表示木材的三向轴和三向切面。图中，L—纵向，T—弦向，R—径向，LR—径切面，RT—横切面，LT—弦切面。木材的纵向是指与木纤维平行的方向，即顺纹方向；弦向、径向是指与木纤维垂直的方向，即横纹方向，如图（1）所示。图（2）是从原木中任意截取的一小块，并不完全正交；若是按照图（3）所示的部位进行取材，则木材的三向轴两两正交。这时可将木材作为正交各向异性材料。

图5-27　木材三向轴和三向切面

本节采用ANSYS中的正交各向异性材料对木材进行仿真，材料的具体参数见表5-2。壳单元的板厚按结构复原图纸设置，详见表5-3。由于采用正交各向异性材料，在建模过程中按着木纹方向对单元的方向进行了调整，各构件方向参见表5-4。实船中采用了多种木材，在仿真中统一简化为含水率9.7%的松木。

表5-2　材料属性^[6]

（续表）

表5-3　壳单元属性

表5-4　板单元方向设置（船宽方向为X向，船长方向为Y向）

（续表）

4. 边界条件

在进行整船结构三维有限元强度分析时，除了对船体首、尾节点施加约束以消除船体的刚体位移外，构成船体有限元模型的节点上不施加任何位移约束。在船体尾部中剖面选取一节点约束X、Y、Z的位移，首部中剖面选取一节点约束X、Y方向位移，允许船体沿纵向自由变形，同时保持整个结构模型无刚体变形。计算结果表明，各工况下约束的反力都相对很小，约束对整体结构的变形和应力影响不大。

5. 计算工况和载荷

全船结构重量由程序自动以惯性力计入，工况说明见表5-5。

表5-5　宝船的计算工况说明

根据排水量计算，全船排水量约为18 300 t左右，除去软件自行计算的船体结构重量，将剩余重量进行平均以节点力的形式施加船体下部内表面。通过适当的重心调整，使重心与船体心位置一致。在中拱和中垂计算中，取波高h＝6.0 m、波长λ＝105 m（船体水线间长），波形为规则余弦波（波峰或波谷正好在水线长度的中心——最危险的状态）。

不同工况下的舷外水压力，如图5-28所示。

图5-28　不同工况下的舷外水压力

6. 计算结果

（1）变形的结果

在以上3种工况下，计算得到的模型的变形结果如图5-29所示。

从变形结果可以看出，波浪条件对船体的变形有足够大的影响。

在静水状态，船体为中拱变形（浮力分布中间大两头较小）最大挠度约6.92 cm。

波浪中拱状态，船体的中拱变形加大，最大挠度约13.1 cm。

波浪中垂状态，船体改为中垂变形，最大挠度约为1.14 cm。(www.daowen.com)

图5-29　不同工况下，全船变形结果（单位：mm）

（2）结构单元应力计算结果

不同工况下，各结构单元方向应力分布如图5-30所示。

图5-30　不同工况下，各结构单元应力分布

7. 结论

根据3种工况的计算，构件的三个方向的最大拉压应力值如表5-6所示。

表5-6　构件在各工况下最大应力　（单位：MPa）

将各工况计算结果按表5-7中松木各方向的强度极限进行衡准。经比较，各构件在3种工况下计算结果均满足强度要求。

表5-7　松木的强度极限^[7]　（单位：N/mm2）