指导性文件GD004-2025
中国船级社
基于非线性有限元方法的邮轮船体梁极限 强度评估指南
2025
2025年4月1日生效
说明
为保证船体结构以及船上人员的安全，需要对邮轮的船体梁极限强度特别是碰撞/搁浅后的残存强度进行评估，以确定结构设计的安全余量.由于邮轮具有多层连续甲板的结构特点，与其他船型相比，甲板之间的剪切强度相对不足，船体梁在弯曲过程中由于剪切变形的存在，不满足平截面假定；此外，邮轮上层建筑各层甲板参与总纵强度的有效性难以确定.基于理想单元的Smith方法不适用于邮轮船体梁极限承载能力的计算评估，因此有必要开展适用于大型邮轮极限强度评估的一般性方法和分析工具研究.
非线性有限元分析是目前最先进的结构分析方法之一，可以模拟材料的非线性以及屈曲大变形的失效模式，因此该方法被认为是目前评估船体梁极限强度有效和合适的工具.虽然非线性有限元是一种强大的数值分析工具，但应用不当可能会产生不可靠且不一致的结果.CCS对船体梁极限强度非线性有限元方法进行了研究，具体包括：
轮的局限性： （1）研究Smith方法在船体梁极限强度计算方面的理论基础及其应用于邮
（2）研究船体梁极限强度相关的影响因素，包括侧向载荷、有限元模型范围、单元类型、网格尺寸、边界条件、初始缺陷等：
（3）研究基于舱段或整船真实边界条件的局部非线性子模型方法，在减小非线性计算模型网格数量的同时准确考虑计算区域以外结构的边界效应，准确计及邮轮上层建筑纵向构件的有效性.
根据上述研究成果制定了该指南，涵盖了使用非线性有限元分析的主要技术问题，给出了船体梁极限强度非线性有限元计算方法的详细规定和一般性的使用建议.该方法不仅适用于邮轮船体梁的极限强度计算，也适用于其他船型或局部板架结构的极限强度计算.
目录
第1章通则 1.1一般规定 3 31.2符号及名词术语定义 3第2章有限元建模及计算. 1.3适用范围 .5 .32.1一般规定 .52.2分析模型 2.3单元类型 .62.4网格质量及大小 7 72.5材料特性 2.6加筋板的初始几何缺陷.. .82.7载荷 11 ..82.8边界条件 2.9整体模型与局部模型的分析步骤 .132.10碰撞和搁浅损伤范围 14 .15第3章船体梁极限强度校核 2.11极限承载能力的计算. .173.1一般规定. .18 .183.2船体梁极限强度衡准 .18附录A：非线性有限元方法及使用建议 3.3船体梁残存强度衡准. .18 19A.1一般规定 .19A.2非线性有限元的载荷增量迭代求解 A.3选代算法的选取 19 .19A.4非线性分析类型的选择 .19A.5载荷工况与重启动分析技术 20
第1章通则
1.1一般规定
1.1.1本指南提供了邮轮船体梁极限强度评估的非线性有限元方法，适用于评估完整的船体梁极限强度和破损后（碰撞/搁浅）船体梁的残存强度.一般性的规定和使用建议也适用于其他船型或局部板架结构的极限强度计算.
1.1.2可采用基于一个横框架间距或舱段的局部模型进行船体梁极限强度和船体梁残存强度计算， 采用局部模型时需要适当考虑分析模型范围之外的结构对分析结果的影响.
1.2名词术语定义
1.2.1结构非线性：有限元数值分析中离散结构的刚度用其刚度矩阵K来表征，当结构处于静力平衡时，K将外部节点载荷矢量f与节点位移矢量u联系起来，可用公式表示为：f=Ku.当结构的刚度随载荷变化而变化时，该结构就被称为非线性结构.非线性的来源有 材料非线性，边界非线性和几何非线性.
1.2.2材料非线性：高应变时，材料发生屈服，部分应变不可恢复，载荷与响应呈非线性关系.
1.2.3边界非线性：在分析过程中边界条件发生变化，例如撞击、接触等，即产生边界非线性间题.
1.2.4几何非线性：几何非线性发生在梁和壳等具有大位移和大转角结构中，大变形使结构形状 发生变化，从而引起所施加的载荷效应和结构刚度随结构瞬时几何形状而发生改变.
1.2.5增量迭代求解：求解非线性方程组追踪平衡路径的有效方法为增量选代法，该方法将总载荷分解为一系列较小的增量步，对于每个载荷增量，通过执行多次选代，在数值公差范围内收敛移之间的非线性关系.
1.2.6载荷-位移曲线：在分析各种结构极限承载能力时，通常会绘制作用在结构上的主要载荷与适当选择的结构变形之间的关系，这类曲线通常称为载荷-位移/缩短（P-4）曲线.典型船体梁垂向弯矩与转角9的P-4曲线如图1.2.6所示.
图1.2.6船体梁垂向弯矩-转角曲线
1.2.7坐标系
本指南采用右手坐标系，规定如下：
（1）X方向为船体的纵向，向船首方向为正： (2）Y方向为船体的横向，向左舷为正：（3）Z方向为船体的垂向，向上为正：
（4）坐标原点定义为船舶中纵剖面、规范船长1尾端和基线的相交处.
1.3应提交以下图纸和技术文件：
（1）所使用的图纸/资料及清单：（2）分析计算报告以及必要的电子数据文件，包括：②有限元结构模型及其相关属性的图形或详细描述，包括坐标系、模型范围、单元 ①所使用的通用有限元软件介绍：类型、网格划分、节点数量、单元数量等：③材料特性、初始几何缺陷与边界条件的详细描述：④侧向载荷的详细描述（如有时）： ③船体梁构件失效顺序的详细描述：③碰撞和搁浅损伤范围假定的详细描述：③到达极限状态时和垮塌失效后的结构模型变形和应力云图（基于Von-Mises应力准则：③船体梁中部剖面的载荷-位移曲线，应包含明显的载荷下降段.
