船舶结构设计
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发布时间：2022-05-14 08:39
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时间：2023-10-11 20:03
船舶结构设计是在满足船舶功能及总体性能要求的前提下，通过结构设计使船舶在寿命期间强度、刚度、稳定性等均能满足使用的要求。船舶结构设计的内容决定了其设计计算任务的繁重。随着世界船舶市场对高技术含量、高附加值船舶需求的加大，各国船舶业间的能力竞争日趋激烈。现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展。为了缩短船舶产品研制开发周期、降低开发费用，提高船舶结构设计计算效率已提上日程。
技术的推动和需求的牵引使计算数值仿真技术得以迅速发展，在船舶结构设计中，以有限元为核心的CAE（Computer Aid Engineering）技术——计算辅助工程技术，越来越受到重视，各种各样的仿真方法和仿真工具正逐步得到应用。CAE技术已成为船舶结构设计中不可或缺的有力工具，是解决大量工程优化问题的基础。为适应船舶工业的迅速发展，解决实际工程问题，迫切需要开展CAE在船舶结构设计中的应用及开发。
二 船舶结构设计的特点及CAE发展的现状
船舶经常运营于高速、强水流、强气流等环境条件下，船舶设计结构不仅要考虑船舶总纵强度、局部强度、结构稳定性，还需要考虑振动、冲击、噪声等。由此可见，船舶结构设计是一门技术含量高、设计难度大的学科领域。船舶结构设计的困难的另一个重要方面是由于船舶体积庞大，在很多场合下无法象汽车、飞机等一样做整体试验。传统船舶结构设计是通过母型船改进，结合经验开展简化结构的定性分析计算完成，其结构设计、计算和分析包含大量的经验成分。船舶结构试验开展的困难，加大了船舶结构设计对数值仿真技术的依赖性，CAE技术成为船舶结构设计的重要工具。
CAE从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。但传统的CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术。CAE起始于20世纪50年代中期，而真正的CAE软件诞生于70年代初期，到80年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件。近40年来，CAE技术结合迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，从低效检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，取得了巨大的发展与成就。在日趋全球化的市场氛围中，企业间的竞争将表现为产品性能和制造成本的竞争。而CAE在产品研发及创新设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要条件。利用CAE软件，可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，并对其未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计；在实现创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究开发周期。CAE与CAD／CAM等软件一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主要信息技术之一。
CAE软件技术的发展，促使CAE在各行各业得到了极为广泛的应用。目前，CAE软件已在国外广泛应用于核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。CAE在船舶行业也正迅速发展，目前各大舰船科研院所均引进CAE软件开展日常设计研究工作、各大船级社均采用CAE有限元软件进行自行规范计算的设计与研究。
三 CAE技术在船舶结构设计中的应用
目前CAE技术在船舶结构设计中已使用非常广泛，已渗透到船舶结构设计计算中的每一个领域，下面分别介绍CAE在船舶结构各计算领域中的应用。
3.1 强度
强度是船舶结构设计首先要考虑的问题。船舶结构强度计算主要包含全船总纵强度计算和局部强度计算。总纵强度是校核船体的纵弯曲计算波浪条件下船体各横剖面内纵向结构构件的应力,并将它与许用应力进行比较以判定船体的强度。传统的船舶总纵强度计算常常仅对典型横剖面进行计算,通常需要进行多次近似计算才可以得到最终结果,而采用全船有限元建模的方式,船舶总纵强度的计算变得较为容易。图1是某船在六级海况总纵强度中垂状态计算结果。在全船有限元模型CAE计算下，全船的每一个模剖面任意构件的应力情况都可以在计算结果中反映。目前由于全船总纵强度有限元计算需要耗费大量机时进行三维模型的建立,要开展全船总纵强度CAE计算需要较长周期，但如果全船三维CAD模型已经存在,船舶CAE计算将变得十分方便。
船体结构局部强度计算主要包括对底部结构强度计算、舷部结构强度计算、球鼻首结构强度计算、甲板结构强度计算、舱壁结构强度计算、主要设备基座强度计算等。传统计算方法对船舶局部结构的计算通常建立在简化的梁系结构和板架结构来计算，计算模型也通常是平面模型，空间复杂结构常常无法完成计算。而运用CAE技术任意复杂的船舶局部结构，其强度问题都能迎刃而解，并且计算结果非常详实。图2为船舶底部结构局部强度有限元计算结果。
图1 全船总纵强度计算 图2 底部结构强度有限元计算
运用CAE技术进行船舶结构强度计算目前应用非常广泛，CAE已成为实际船舶结构强度计算的不可缺少的工具。
3.2 刚度
在船舶结构强度满足的条件下,船舶结构设计的另一个重要指标就是刚度，即在预定的载荷下船舶结构的变形必须在许用的范围内。如规范规定全船在波浪下的静变形不大于船长的五百分之一。图3是对典型船舶双臂尾轴架结构刚度CAE计算结果。
利用先进CAE计算软件,可以真实的反映结构的实际承载情况,能考虑传统方法不能计算的复杂结构的变形问题,而且结果更准确可靠。
图3双臂尾轴架结构刚度计算 图4 甲板板架板架结构稳定计算
3.3 稳定性
船舶结构的稳定性分析，即船舶结构的失稳计算,属于船舶结构计算的重要组成部分。船舶结构稳定性计算常常包括对支柱结构的失稳欧拉力的校核计算、甲板纵骨带板结构失稳欧拉应力计算和甲板板架、底部板架结构失稳计算。图4是对典型甲板架板架结构稳定计算结果。传统计算方法对结构失稳计算通常仅能对支柱、简单板架结构进行计算。运用CAE方法可以快捷的计算复杂结构的失稳问题。
3.4 振动
船舶结构的振动计算对于船舶结构设计十分重要。规范要求，船舶总振动固有频率应避开主机频率、轴频、螺旋浆叶频等,尾部板及板架结构振动固有频率要避开螺旋浆激励频率；机舱区板及板架要避开主机频率。
图5 某舰总振动计算
图6 船舶尾部振动计算
船舶结构总振动传统计算方法是将全船简化为二十站变截面的空心梁，然后用经验公式计算得附连水质量附加到总船质量上进行振动计算。这样计算方法能在相当简化的程度上得出计算结果，但会把实船会遇到的横向总振动、扩张收缩等的振动形态给忽略掉。全船CAE振动计算能精确的建立全船有限元模型，并根据船体外板的空间形状考虑水对总振动的影响，而不必用人工经验公式计算的方式加附连水质量。全船CAE计算的结果可以全面的仿真全船在水中振动的情况。图5为某船总振动模态。
船舶尾部结构振动是船舶结构振动的一个难题，该问题不但涉及到船舶结构本身的固有频率，还涉及到船体结构与周围流场的流固耦合振动，要详细研究船舶尾部结构振动问题，传统方法仅能做定性分析，CAE技术为其提供技术解决方案。图8为某船尾部振动计算结果。文献[4]也利用SESAM有限元程序船舶尾部振动进行响应预报。
尾轴架结构的振动问题也是船舶局部振动经常要面对的问题，传统计算方法也只能对其做相当的简化求出近似的结果。文献[5]运用有限元法建立尾轴架结构的真实实体模型,并进行了详细的干湿模态计算。
3.5 冲击
船舶抗冲击性是目前越来越受相关专业人员重视的学科领域，对于军舰来说尤为重要，因为舰船结构抗冲击性是舰船生命力的重要保障。设计军舰结构时，舰船结构不但要经受强大的风浪载荷，还需要考虑舰船结构承受炸药爆炸的冲击载荷。该领域分两大类研究范畴：舰船结构抗水下非接触爆炸计算研究和舰船结构抵御接触爆炸穿甲研究，统称舰船结构抗冲击研究。舰船抗冲击性在传统方法中无法计算。近些年来,随着计算硬件的发展及CAE技术的发展，从船局部结构到整舰的CAE抗冲击评估计算逐步可以在微机上开展。文献[6]运用MSC.DYTRAN对加筋板架爆炸载荷下动态响应进行了数值分析，文献[7]对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了MSC.DYTRAN数值模拟。图7为某舰整舰水下爆炸冲击计算有限元模型。图8为某柴油机基座抗冲击计算结果。
图7整舰水下爆炸冲击计算
图8 某柴油机基座抗冲击性计算
整舰结构抗冲击CAE计算规模一般较大，有限元模型的网格质量、单元选择、材料选择、外载荷的施加方法及计算算法的选择对计算结果有重要影响。整舰CAE计算仍是技术含量很高的领域，亟需投入大量力量去研究和开发。
3.6 噪声
舰船结构的噪声主要包含舰船舱室内噪声研究和舰船结构水下噪声研究。船舶噪声的治理一直以来和舰船结构振动密不可分，但又与船舶结构振动很不相同。船舶结构振动常常只需要解决低频问题，而船舶结构噪声问题常常频段范围很宽，从几赫兹到几十万赫兹。CAE技术中的有限元法显得力不从心，因为声学问题如果要用有限元的方法来进行计算，随着频率的加大，网格的密度要非常之大，就算是简单的结构其计算模型也非常巨大，以致于现有的计算机无法完成计算。故在噪声领域有限元法常用于低频、中低频的计算，中高频以上问题需要采用其它CAE技术，包括统计能量法、边界元技术、无限元技术等。图9为运用AUTOSEA软件，对简化的全舰船结构进行声幅射计算的例子。
图9 全舰声幅射计算
四 船舶结构CAE技术应用的特点
CAE技术正应用到船舶结构设计算的每一个领域。CAE在船舶结构设计中有如下几个优点：
1. 可视性 采用CAE进行船舶结构计算，可以从图像上看到分析结构的大小、材料、边界条件、载荷条件等，大多数CAE软件均提供了良好的人机交互环境。
2. 真实性 运用CAE技术对船舶结构建模能反映船舶结构的真实几何情况。无论是板架结构还是实体结构，无论是简单平面结构还是复杂空间结构，CAE的建模功能都能根据问题的需要，作适当简化，建模反映结构的真实情况，为精确计算打下基础。
3. 详实性 运用CAE工具进行船舶结构计算，可以根据模型参数情况、加载的条件及计算参数的设定，详实求得计算结果。根据设计人员的需要求得任意部位需要的计算结果，可根据设计人员提供参数的准确程度,详实反映结构物理情况。
4. 强数值运算能力 目前通用的CAE软件，都采用多种高效的数值计算方法，大量线性、非线性问题均有解决方案。不同CAE软件常常是功能侧重点不一样,如MSC.NASTRAN和ANSYS在有限元线性力学领域十分成熟；ABAQUS软件则在有限元非线性接触、摩擦领域有特长；ANSYS-LSDYNA、MSC.DYTRAN由于采用显示动力学算法，强于冲击穿甲相关计算；SYSNOISE则是声-振分析专业工程软件，它拥有声场有限元、无限元、直接 /间接边界元法等多种声学解决方案；AUTOSEA软件是基于统计能量分析方法的结构振动、声学设计工具；HYPERMESH强于网格划分，并是目前很适合于做结构力学优化设计的软件。
尽管运用CAE技术开展船舶结构设计计算有上述优点,但目前仍有以下问题:
1. 如何快速建模是船舶结构CAE设计的一个重要任务。由于船舶行业自身特点,船舶结构二维CAD设计在相当长一段时内还将存在,并在工程中发挥重要作用。目前从二维CAD图纸设计到三维CAE模型的生成,需要花费大量时间。
2. CAE目前使用难度仍然较大。由于有大量CAE软件的存在，并且各CAE软件均有很强的专业背景，要想使用好特定的CAE软件，设计使用人员必须具备相当的相关领域的专业知识。CAE软件目前仍停留在少数专业人员的使用范畴内。
3. 修改设计CAE计算工作量较大。由于CAE的计算过程复杂，做一次设计修改相当于重新开始做一次CAE计算。很多情况下网格划分、边界条件的定义等都要重新进行。对于一个小规模问题，重新计算工作量增加不明显，如果对一个大规模计算，则需要耗费大量机时。
4. 目前船舶结构CAE计算尚不存在质量控制标准。虽然CAE在船舶行业的应用已有很长时间，并且大量任务已采用CAE分析计算，但CAE建模的简化程度、网格的质量、边界条件的设定、外载荷加载方式都和具体分析计算的人员的经验有很大关系，其计算结果的准确程度也很不一样。常常出现不同人员对同一问题进行计算而得到不同结果的现象。
五 总结及展望
随着船舶结构设计技术的深入开展船舶强度、刚度、稳定性、振动、冲击和噪声各领域的CAE应用将越来越广泛和深入。CAE不仅可以解决船舶结构传统经典力学问题，新兴的学科领域如爆炸冲击领域问题也有解决方案；CAE不仅在现有结构的力学计算上发挥巨大作用,在船舶结构设计创新,新材料、新结构形式的使用上也将发挥不可替代的作用。
展望未来船舶结构设计中CAE技术将有如下特点：
1. 船舶结构CAE计算领域更加扩大。在船舶结构CAE计算将在更加精确的基础上扩大计算的学科领域，如流体与固体的耦合计算、振动与声学的耦合计算、高速冲击下的结构力学与热力学计算等。
2. CAD设计与CAE计算更紧密结合。由船舶结构二维、三维图纸设计方案均能方便的转化为CAE分析的几何模型。
3. CAE软件操作的更简便实用化。CAE技术将成为更大范围内工程技术人员的实用工具，而不仅仅停留在少数专业人员手中。更人性化、智能化的CAE工具将帮助大多数船舶结构设计技术人员解决日常设计问题。
4. 特定问题CAE计算参数化。产品的型号系列化一直以来是设计人员的工作内容，在船舶结构设计中有很多领域都需要对结构相似的类似问题进行计算,特定问题CAE参数化将大大方便设计人员的结构优化设计工作。
5. 船舶结构CAE计算的规范化。针对不同的船舶结构设计计算领域，将制定规范标准化CAE计算过程，使CAE船舶结构设计计算的正确性有保障。
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时间：2023-10-11 20:04
