引言

Altair公司研發(fā)的HyperWorks系列產(chǎn)品可以解決工程優(yōu)化及分析問(wèn)題,已成為飛機(jī)、汽車和船舶等領(lǐng)域CAE應(yīng)用的利器之一,得到了工業(yè)界的認(rèn)可。其中的有限元前處理模塊HyperMesh網(wǎng)格劃分功能強(qiáng)大,并與主流CAD軟件有著良好的接口。結(jié)構(gòu)分析模塊OptiStruct是一款基于有限元法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件,可用于線性靜態(tài)分析、模態(tài)分析、慣性釋放、頻率響應(yīng)分析和屈曲分析,涵蓋了船舶結(jié)構(gòu)CAE技術(shù)應(yīng)用的多個(gè)方面。

船體結(jié)構(gòu)有限元分析是新船型開(kāi)發(fā)中的主要內(nèi)容之一,由于在實(shí)際的工程中,船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,載荷形式多樣,運(yùn)用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式和理論計(jì)算方法已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求,工程師在設(shè)計(jì)初期需要對(duì)船體結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和振動(dòng)等力學(xué)特性有充分的認(rèn)識(shí),盡可能避免設(shè)計(jì)缺陷,因此,有必要采用有限元分析方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否滿足使用要求,提高船體結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。

本文以某運(yùn)輸船的艏部艙段結(jié)構(gòu)分析為例,利用HyperWorks強(qiáng)大的前后處理和結(jié)構(gòu)分析功能,對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析,研究幾何處理、有限元建模、載荷加載等關(guān)鍵技術(shù),為類似復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)分析提供一種新的思路和方法。

1 艏部艙段有限元模型

1.1 AutoCAD與HyperMesh的無(wú)縫連接

針對(duì)船舶獨(dú)特的流線型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn),AutoCAD作為一款優(yōu)秀的平面建模軟件,具有非常強(qiáng)的繪圖能力,被廣泛地用于船體制圖。目前,船舶行業(yè)常用的大型商業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件尚未很好的解決軟件與AutoCAD的接口問(wèn)題,并且對(duì)于復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)建模和修改較為繁瑣。而運(yùn)用HyperMesh可以解決該技術(shù)難題,從而真正地實(shí)現(xiàn)了AutoCAD繪圖軟件和有限元軟件兩種不同圖形軟件之間的無(wú)縫連接,采用該方法省卻了在前處理中輸入大量船舶型值數(shù)據(jù)的工作,極大地提高了有限元前處理效率。

采用AutoCAD軟件繪制的肋骨型線圖,包含了船體肋骨型線形狀、甲板、平臺(tái)和外板縱向構(gòu)件布置位置等信息。在應(yīng)用時(shí)需進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,取艏部艙段區(qū)域的肋骨型線、外板縱骨線、甲板和平臺(tái)線,刪除與計(jì)算無(wú)關(guān)的標(biāo)注、水線和板縫等信息,并保證線條的連續(xù)和光順。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理后,將AutoCAD文件以.dxf格式導(dǎo)入至HyperMesh中,所有型線信息均保存完整,與AutoCAD完全一致。由于導(dǎo)入的模型為平面模型,尚需通過(guò)平移、投影等功能將其生成三維幾何模型,在HyperMesh中可以輕松實(shí)現(xiàn)幾何模型的轉(zhuǎn)換。

建立幾何模型的具體過(guò)程如下:

第一步:導(dǎo)入AutoCAD平面模型

File>Import>Geometry,選擇要導(dǎo)入的文件類型為DXF,點(diǎn)擊import。

第二步:創(chuàng)建肋骨型線

Tool>translate>lines,選擇平移的方向和距離,點(diǎn)擊translate+。

第三步:創(chuàng)建外板曲面

Geom>surfaces>line list,依次選擇肋骨型線,點(diǎn)擊create。

第四步:創(chuàng)建外板縱骨

Tool> project>to surface,選擇肋骨型線和外板曲面,沿船長(zhǎng)方向,點(diǎn)擊project。

第五步:創(chuàng)建甲板、平臺(tái)

方法同第四步。

由此,完成幾何模型的建立,示意圖如圖1所示。

圖1 幾何模型示意圖

在艏部區(qū)域,由于船體甲板并非完全是平面,有時(shí)為梁拱曲面、或帶昂勢(shì)的梁拱曲面,且外板縱骨并不一定是完全等間距布置等因素,使得在有限元前處理中直接建立幾何模型,非常棘手。而采用聯(lián)合AutoCAD與HyperMesh各自優(yōu)勢(shì)的方法建立艏部艙段幾何模型簡(jiǎn)便許多,該方法特別適合于復(fù)雜船體結(jié)構(gòu),且?guī)缀文Ｐ唾|(zhì)量高,將為下一步劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格提供了良好條件。

1.2 HyperMesh網(wǎng)格劃分

HyperMesh網(wǎng)格劃分功能非常強(qiáng)大,可以采用自適應(yīng)自動(dòng)網(wǎng)格劃分和手工劃分相結(jié)合的方法快速建立高質(zhì)量的單元網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分是有限元前處理的主要工作,因此,網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文選取艏部三個(gè)整艙作為分析對(duì)象,該艙段結(jié)構(gòu)的主要板材結(jié)構(gòu),如甲板板、內(nèi)底板、外底板、舷側(cè)板、艙壁、平臺(tái)以及強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)、縱桁和艙口圍板等,均使用板殼單元,應(yīng)盡可能避免三節(jié)點(diǎn)的板殼單元,特別是在高應(yīng)力區(qū)域和開(kāi)孔周圍、肘板連接處等應(yīng)力變化梯度大的區(qū)域;骨材、T型材面板和加強(qiáng)筋等則使用梁?jiǎn)卧?并考慮偏心的影響,其中,球扁鋼由等效角鋼代替。

在有限元模型中,對(duì)艏部艙段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,忽略了局部小開(kāi)口。最大網(wǎng)格尺寸,船寬方向以1/2縱骨間距為基準(zhǔn),船長(zhǎng)方向以1/2肋距為基準(zhǔn),局部進(jìn)行細(xì)化。在形狀較為復(fù)雜、應(yīng)力變化梯度較大的部位、應(yīng)力集中區(qū)域,如大開(kāi)口艙口角隅處,為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律,需要采用比較密集的網(wǎng)格;而在結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、變形不大,應(yīng)力變化梯度較小的部位,如主橫艙壁,為減小模型規(guī)模,應(yīng)劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)這樣處理,即保證了網(wǎng)格劃分的準(zhǔn)確性,又提高了分析效率。

在建立模型之后,利用check elems面板檢查單元的連續(xù)性、重復(fù)性和網(wǎng)格質(zhì)量。對(duì)于板殼單元,需檢查內(nèi)角、長(zhǎng)寬比、扭曲角、翹曲度、弦高比和雅可比。以雅克比為例,四節(jié)點(diǎn)板殼單元的雅可比小于0.85的單元數(shù)僅為總單元數(shù)的4%,單元質(zhì)量良好。雅克比分布如圖2所示。

圖2板殼單元的雅克比分布

網(wǎng)格劃分的具體過(guò)程如下:

第一步:創(chuàng)建板殼單元

2D>automesh/spline/skin創(chuàng)建板殼單元。

第二步:創(chuàng)建梁?jiǎn)卧?/span>

Properties>HyperBeam,選中standard section,定義剖面類型和尺寸;

1D>line mesh,單元類型為bar2,定義梁?jiǎn)卧钠梅较?在offsets中輸入偏置距離。

第三步:創(chuàng)建整個(gè)模型

Tool>reflect,選中所有單元并復(fù)制,在中線面上指定一個(gè)基點(diǎn),點(diǎn)擊reflect。

第四步:檢查單元連續(xù)性

Tool>edges,設(shè)定容差,重合相關(guān)節(jié)點(diǎn)。

第五步:檢查單元質(zhì)量

Tool>check elms,分別采用1-d和2-d檢查梁?jiǎn)卧桶鍤卧馁|(zhì)量和重復(fù)單元。

第六步:調(diào)整單元質(zhì)量

F6>cleanup,紅色為不合格,黃色為警告,直接拖拽節(jié)點(diǎn)調(diào)整單元質(zhì)量。

艏部艙段結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。該模型共有127235個(gè)單元,83662個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 艏部艙段結(jié)構(gòu)有限元模型

2 有限元分析

2.1載荷和約束

船舶在航行中分別承受著靜水浮力、波浪壓力、設(shè)備貨物載荷和慣性載荷等作用力。該船由于艏部大外飄等因素引起的砰擊現(xiàn)象較為嚴(yán)重,因此,在船體艙段有限元分析中,必須考慮總縱外載荷和砰擊載荷的聯(lián)合作用,對(duì)艙段兩端剖面施加靜水彎矩、波浪彎矩和砰擊振動(dòng)彎矩,使得中艙段承受實(shí)際的波浪載荷作用。載荷作用點(diǎn)應(yīng)選擇在兩端剖面的形心處,通過(guò)在兩端剖面建立MPC,定義剛性面和獨(dú)立點(diǎn),將端面彎矩和位移約束均施加在MPC的獨(dú)立點(diǎn)上。邊界條件施加表如表1所示。

表1 邊界條件施加表

施加載荷和約束的具體過(guò)程為:

第一步:創(chuàng)建RBE2型MPC

1D>rigids,端面形心為獨(dú)立點(diǎn),模型兩端的縱向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)為非獨(dú)立點(diǎn),按照表1要求,選中自由度dof1、dof3、dof5和dof6。

第二步:創(chuàng)建位移約束

Analysis>constraints,約束節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立點(diǎn),按表1要求,選中自由度。

第三步:創(chuàng)建靜水彎矩、波浪彎矩和砰擊振動(dòng)彎矩

Analysis>moments,作用節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立點(diǎn),作用方向?yàn)榇瑢挿较?輸入彎矩值。

第四步:創(chuàng)建靜水浮力和水動(dòng)壓力

Analysis>pressures,選中equation,定義載荷方程。

第五步:創(chuàng)建設(shè)備貨物載荷

1D>rigids,設(shè)備貨物重心為獨(dú)立點(diǎn),基座面板為非獨(dú)立點(diǎn);

Analysis>forces,定義方向和載荷大小。

第六步:創(chuàng)建慣性載荷

新建Load Collector,在Card image中選中GRAV,進(jìn)入卡片設(shè)置,輸入載荷參數(shù)。

2.2 OptiStruct計(jì)算與分析

由于該船后端橫截面處的中垂波浪彎矩大于中拱波浪彎矩,且砰擊振動(dòng)中垂彎矩為砰擊振動(dòng)中拱彎矩的3倍,可知,中垂?fàn)顟B(tài)為最危險(xiǎn)工況,計(jì)算中選取中垂?fàn)顟B(tài)為計(jì)算工況,將HyperMesh建立的有限元模型導(dǎo)入至求解器OptiStruct進(jìn)行計(jì)算,采用后處理器HyperView查看艏部艙段的應(yīng)力和變形。計(jì)算結(jié)果如圖4~圖5所示。

圖4 Von Mises應(yīng)力云圖(OptiStruct)

圖4 Von Mises應(yīng)力云圖(OptiStruct)

由于載荷施加需要,將前后端面均定義為剛性域,增加了實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度,因此,前后艙段的應(yīng)力水平不能反映結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力狀態(tài),可不予考慮,重點(diǎn)分析中艙段的力學(xué)特性。

計(jì)算結(jié)果表明:艏部艙段結(jié)構(gòu)的最大Von Mises應(yīng)力值為258MPa,最大變形量為11mm,滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。高應(yīng)力值主要集中出現(xiàn)在艙庫(kù)縱艙壁與主橫艙壁、主甲板的交接處。經(jīng)分析可知,由于艙庫(kù)縱艙壁直接終止于主橫艙壁,而主橫艙壁尾側(cè)受到艙室空間的限制,無(wú)法設(shè)置垂向扶強(qiáng)材,從而致使剖面模數(shù)突變,艙庫(kù)縱艙壁上端與甲板縱桁相連接的單元應(yīng)力值最高。為減小該處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平,可采取增加垂向扶強(qiáng)材和板厚的加強(qiáng)措施。

2.3 行業(yè)通用求解器計(jì)算與分析

使用船舶業(yè)界常用有限元分析軟件進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)性能評(píng)估。在HyperMesh中,直接定義其分析控制參數(shù),生成求解器輸入文件,再調(diào)用求解器進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析,查看艏部艙段的應(yīng)力和變形。計(jì)算結(jié)果如圖6~圖7所示。

圖6 Von Mises應(yīng)力云圖

圖7變形云圖

2.4 兩種計(jì)算軟件的比較分析

通過(guò)以上兩種不同軟件進(jìn)行有限元計(jì)算,比較分析兩者的區(qū)別?？傻玫饺缦陆Y(jié)論:采用OptiStruct和行業(yè)通用軟件兩種求解器進(jìn)行艏部艙段結(jié)構(gòu)線性靜力分析得到的應(yīng)力和變形的大小、分布規(guī)律基本相同,計(jì)算時(shí)間無(wú)太大差別,主要區(qū)別體現(xiàn)在建模效率上。由于HyperMesh可以直接導(dǎo)入AutoCAD繪制的平面模型,避免了建模中的差錯(cuò)和修改,簡(jiǎn)略了建模的時(shí)間和精力,使整個(gè)建模效率大為提高,可見(jiàn),HyperMesh具有極為明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

(1)采用HyperWorks軟件對(duì)船舶艏部艙段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形進(jìn)行仿真分析,得到了艏部結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分布,較為真實(shí)地反映了船體的實(shí)際受力情況,其分析結(jié)果可用于指導(dǎo)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)Altair HyperWorks為船舶行業(yè)提供了一個(gè)完整的、功能強(qiáng)大的、創(chuàng)新的、架構(gòu)開(kāi)放的CAE技術(shù)平臺(tái),幫助船舶工程師對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析和創(chuàng)新設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品的可靠性,縮短開(kāi)發(fā)周期,大大提高了設(shè)計(jì)效率。

(3)HyperMesh作為一款針對(duì)有限元主流求解器的高性能前后處理軟件,提供了交互化建模功能和CAD/CAE軟件接口,尤其適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的船舶有限元網(wǎng)格劃分。