第1章 绪论 1
1.1 船舶与海洋平台设计问题概述 1
1.1.1 设计任务的复杂性 1
1.1.2 螺旋上升式设计过程 2
1.1.3 设计任务的高度重复性 3
1.2 研究专业软件开发的必要性 5
1.2.1 发展民族工业的需要 5
1.2.2 弥补商业软件的不足 6
1.2.3 优化设计的客观要求 8
1.3 CAD技术在船舶与海洋平台设计中的应用 9
1.3.1 二维线框模型 9
1.3.2 三维线框模型 10
1.3.3 三维表面模型 11
1.3.4 自由实体造型技术 13
1.3.5 参数化技术 15
1.4 广义参数化设计方法概述 16
1.4.1 程序参数化设计方法 16
1.4.2 基于构造历史的参数化设计方法 17
1.4.3 基于几何约束求解的参数化设计方法 17
1.5 船舶与海洋平台软件开发概述 18
1.5.1 船舶与海洋平台CAD技术的特点 18
1.5.2 船舶与海洋平台设计软件开发模式 19
1.5.3 船舶与海洋平台专业软件开发基本要求 23
参考文献 24
第2章 船舶型线与曲面设计软件开发 26
2.1 样条曲线理论及其关键算法 26
2.1.1 样条曲线理论及其在船舶型线设计中的应用 27
2.1.2 样条曲线求交算法 29
2.1.3 样条曲线插值算法 31
2.1.4 样条曲线积分算法 32
2.2 二维船体型线设计方法 34
2.2.1 二维型线设计模型 34
2.2.2 船体曲面与平面交线计算方法 35
2.2.3 插值计算横剖线、纵剖线与肋骨型线 38
2.2.4 点的排序算法 39
2.2.5 型线中折角线的处理 40
2.3 样条曲线的折线表达方法 43
2.3.1 曲线转折线的参数等分转化法 43
2.3.2 曲线转折线的基于曲率转化法 43
2.3.3 两种转化法效果对比 44
2.4 三维船体型线设计 45
2.4.1 船体型线三维设计软件开发概述 45
2.4.2 空间折线与任意平面交线计算 46
2.4.3 船体曲面与任意平面交线计算 47
2.4.4 横剖线、纵剖面与半宽水线插值算法 48
2.4.5 三维型线模型转换为二维型线图 49
2.5 母型船改造法船体型线设计 50
2.5.1 1-Cp法型线设计方法及关键技术 50
2.5.2 满足Cp与LCB要求的SAC曲线迭代计算方法 51
2.5.3 型线变换方法 52
2.6 船体曲面及其设计方法 53
2.6.1 船体曲面表达概述 53
2.6.2 船体曲面整体表达法 55
2.7 船体型线设计程序设计 58
2.7.1 型线设计模型 58
2.7.2 程序的数据结构 61
2.7.3 主要函数及其功能说明 62
2.8 小结 63
参考文献 64
第3章 船舶静水力特性计算软件开发 65
3.1 浮体模型的切片表达 65
3.1.1 水线面边界平面模型建立方法 66
3.1.2 横剖面边界平面模型建立方法 67
3.2 平面闭合连通域属性计算方法 69
3.2.1 平面闭合连通域属性计算 69
3.2.2 由折线段构成的闭合连通域属性计算 70
3.2.3 多连通域与复连通域问题 74
3.2.4 任意平面曲线构成的连通域属性计算 75
3.2.5 商业软件中的边界平面 76
3.3 基于边界平面模型的静水力曲线计算 76
3.4 基于边界平面模型的邦戎曲线计算 78
3.4.1 基于二维横剖线计算邦戎曲线 78
3.4.2 基于横剖面边界平面计算邦戎曲线 79
3.5 基于边界平面模型的稳性插值曲线计算 80
3.5.1 船舶正浮稳性插值曲线计算 81
3.5.2 带有纵倾的稳性插值曲线计算 83
3.6 特殊船舶的静水力特性计算 84
3.7 船舶静水力特性计算程序设计 87
3.7.1 程序的数据结构 87
3.7.2 主要函数及其功能说明 88
3.7.3 文件接口 89
3.8 小结 90
参考文献 91
第4章 船舶装载稳性及总纵弯曲强度校核软件开发 92
4.1 船舶装载稳性计算 92
4.1.1 计入纵倾的静稳性曲线计算方法 92
4.1.2 完整稳性与破舱稳性衡准 94
4.2 船体梁剪力与弯矩计算 94
4.2.1 船舶载荷分布曲线计算方法 95
4.2.2 浮力分布曲线计算方法 100
4.2.3 剪力弯矩分布曲线计算方法 104
4.2.4 剪力弯矩分布曲线精确计算公式 105
4.3 船舶装载计算程序设计 106
4.3.1 程序的数据结构 106
4.3.2 船舶装载计算模型定义 107
4.3.3 主要函数及其功能说明 108
4.4 船体结构横剖面属性计算 109
4.4.1 船体结构横剖面属性计算模型 109
4.4.2 横剖面属性计算原理 111
4.4.3 横剖面属性计算算法 112
4.5 船体总纵强度弯曲应力计算及显示 113
4.5.1 弯曲应力计算与校核 113
4.5.2 应力云图显示原理 114
4.5.3 弯曲应力计算与应力云图绘制 114
4.6 船舶总纵强度计算程序设计 117
4.6.1 计算模型定义 117
4.6.2 程序的数据结构 117
4.6.3 主要函数及其功能说明 118
4.7 小结 118
参考文献 119
第5章 船舶与海洋平台有限元分析软件开发 120
5.1 船舶与海洋平台结构有限元分析的特点 120
5.2 船体结构有限元分析软件开发基本原理 122
5.2.1 通用有限元软件二次开发的基本模式 122
5.2.2 宏语言层船舶与海洋平台有限元软件开发基本流程 123
5.3 空间杆梁结构有限元前处理程序设计 125
5.3.1 结构的定义及结构建模 126
5.3.2 有限元软件接口文件 126
5.3.3 有限元软件的调用 127
5.3.4 程序应用 128
5.3.5 有限元模型的三维显示 129
5.4 空间杆梁结构有限元后处理程序设计 130
5.4.1 后处理模块的数据结构设计 131
5.4.2 应力与变形的提取分析 131
5.4.3 空间杆梁屈曲强度计算 136
5.4.4 材料利用系数图 137
5.5 空间杆梁结构有限元分析程序设计 138
5.5.1 程序的全局变量设置 139
5.5.2 主要函数及其功能说明 139
5.6 面向过程与面向对象软件开发模式 141
5.7 小结 145
参考文献 146
第6章 船体结构参数化有限元软件开发 147
6.1 船体结构三维有限元软件概述 147
6.2 船体结构参数化建模 149
6.2.1 平面加筋板的参数化模型及其驱动机制 150
6.2.2 参数化加筋板模型的数据结构 152
6.2.3 板格模型的建立 155
6.2.4 最小回路搜索算法及其应用 155
6.2.5 船体曲面建模 161
6.2.6 建立船体结构有限元模型 165
6.3 舱室与载况定义 166
6.3.1 舱室板类与载荷类 166
6.3.2 舱室类与舱室状态类 167
6.3.3 载况类 168
6.4 船体结构有限元前处理模型 169
6.5 船体结构屈服强度评估 170
6.5.1 应力提取与存储 171
6.5.2 单元的分组显示 173
6.5.3 组合工况及其应用 176
6.5.4 材料利用系数图 176
6.6 船体结构屈曲强度评估 177
6.6.1 板格模型的建立 178
6.6.2 板格应力的提取 179
6.6.3 屈曲利用因子图 180
6.7 船体结构参数化有限元软件的数据结构 181
6.8 小结 181
参考文献 182
第7章 海洋平台总体设计软件开发 183
7.1 海洋平台设计中的特殊性 183
7.2 海洋平台主结构参数化建模 185
7.2.1 主结构草图 185
7.2.2 主结构参数化模型 194
7.3 参数化分舱及舱室数据结构定义 196
7.3.1 舱室的参数化模型 197
7.3.2 特殊舱室的定义 202
7.3.3 舱室模型的数据结构 202
7.3.4 舱容要素的计算方法 203
7.4 三维参数化总布置设计 204
7.5 波浪载荷计算 207
7.5.1 波浪载荷数据结构 207
7.5.2 线性波理论 208
7.5.3 五阶Stokes波理论 209
7.5.4 基于Morison方程的载荷计算 214
7.6 基于三维浮体模型的静水力特性计算 215
7.6.1 静水力曲线计算 217
7.6.2 稳性插值曲线计算 219
7.6.3 进水角曲线计算 228
7.6.4 浮体参数化模型 234
7.7 海洋平台自由浮态计算方法 235
7.7.1 目标函数 236
7.7.2 优化策略 237
7.7.3 算例分析 239
7.8 海洋平台完整稳性计算 241
7.8.1 假定风力矩方向角下静稳性曲线计算 241
7.8.2 任意风力矩方向角静稳性校核 242
7.9 海洋平台破舱稳性计算关键问题 243
7.10 海洋平台的载况与工况 245
7.10.1 舱室状态与设备状态定义 245
7.10.2 载况与工况定义 246
7.11 海洋平台参数化总体设计模型 247
7.11.1 参数化模型的构成 247
7.11.2 参数化模型的参数驱动机制 248
7.11.3 总体设计软件的核心数据结构 249
7.12 小结 250
参考文献 251
第8章 船舶浮态与船体变形耦合分析及其软件开发 252
8.1 船体结构变形与浮态精确计算的意义与必要性 252
8.2 浮态与船体变形耦合迭代求解方法 255
8.2.1 迭代求解方法基本流程 256
8.2.2 迭代求解方法数值算例 259
8.2.3 迭代求解方法的收敛性与效率分析 260
8.3 浮态与船体变形耦合有限元分析法 262
8.3.1 计入结构变形的浮态平衡方程及其离散化 262
8.3.2 计入浮力的单元刚度矩阵 263
8.3.3 总体刚度矩阵及总体平衡方程 269
8.3.4 应用及程序设计基本流程 270
8.3.5 浮力单元的确定及修正算法 271
8.3.6 应用数值算例 273
8.3.7 算法的正确性验证 275
8.4 浮态与船体变形耦合作用对船舶设计的影响 281
8.4.1 15000t下水工作船 281
8.4.2 75000DWT原油船 283
8.4.3 浮态与船体变形耦合作用对船舶设计的影响分析 284
8.5 小结 285
参考文献 285
第9章 船舶与海洋平台结构优化设计方法与软件开发 288
9.1 结构尺寸优化设计方法及程序实现 288
9.1.1 空间杆梁结构尺寸优化设计基本原理 289
9.1.2 空间杆梁结构尺寸优化模型 289
9.1.3 空间杆梁结构尺寸优化模型的求解过程 290
9.1.4 结构尺寸优化算例分析 291
9.2 船体结构形状优化设计方法 292
9.2.1 船体结构形状优化设计方法概述 293
9.2.2 网格变换的基本原理 296
9.2.3 网格变换的基本流程 302
9.2.4 结构应力变化连续性分析 304
9.2.5 基于网格变换法的结构形状优化设计 308
9.2.6 基于网格变换法结构形状优化的特点 311
9.3 船舶内壳板形状优化设计方法 311
9.3.1 船舶内壳板形状优化的意义 312
9.3.2 船舶内壳板形状优化设计模型 313
9.3.3 船舶内壳板形状优化模型求解 316
9.3.4 船舶内壳板形状优化设计工程算例 318
9.3.5 船舶内壳板形状优化特点与适用范围分析 322
9.4 小结 323
参考文献 324
第10章 总结与展望 326
附录1 本书中相关工程实例资料 334
附录2 五阶Stokes波理论相关公式 341
附录3 程序函数定义及说明 343