基于ANSYS的玻璃鋼快艇結構強度分析技術

王宇峰，周玉龍

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

如今對于快艇的速度和艇型尺度的需求越來越大，越來越多的新興材料應用于快艇，新型快艇的結構越來越復雜，結構受力條件也復雜多樣，傳統的強度校核方法很難適用于這類新型的快艇。目前有限元方法在鋼質快艇的強度校核計算上已經取得了成功，因此采用有限元方法來校核新型的快艇結構強度是切實可行的。

結構強度有限元分析過程主要包括前處理和后處理。在用有限元軟件進行船舶結構強度有限元分析時，建模及數據的輸入將耗費工作人員大部分的時間和精力［1］，所以人們提出了參數化建模的思想。然而，目前還未出現玻璃鋼快艇結構的專門的參數化有限元軟件，針對這一現狀本文開展這方面研究工作。

1 玻璃鋼快艇的艇體結構特點

在考慮快艇結構形式時，一方面要考慮艇體尺度大小，另一方面需要區分航速和主要用途［2］。本文所針對的玻璃鋼快艇是艇長在15～25 m左右的玻璃鋼滑行艇。艇底采用曲面層合板縱骨架式結構;舷側板架有兩種形式，一種為曲面層合板全肋骨形式，主要是用在艇體機艙區，另外一種為夾芯舷側板半肋骨形式，主要用在居住艙區;甲板板架有三種形式:(1)甲板板為夾芯結構，無縱骨和橫梁。(2)甲板板為夾芯結構，有縱骨和橫梁。(3)甲板板為層合板，有縱骨和橫梁。此外，在艇體的舭部折角線處還有玻璃鋼快艇特有的壓浪板塊結構和在甲板邊線處的三角板塊結構和梯形舷墻結構。

在采用玻璃鋼制作艇體的骨架梁材時，由于玻璃鋼材料彈性模量低，一般采用閉合式截面，主要采取具有彎曲和軸向壓縮穩定性好的矩形、梯形和帽形截面梁。

2 玻璃鋼快艇參數化建模分析程序

2.1 程序主要組成部分

任何一個完整的結構計算輔助分析系統都要包括前處理、計算和后處理三個主要部分。對于專用于玻璃鋼快艇的結構有限元分析程序(以后稱為Yacht－FEA)也具有以上三大部分。在ANSYS平臺上，利用ANSYS軟件二次開發語言APDL，開發玻璃鋼快艇的艇體結構參數化有限元建模分析軟件，形成高效的快艇艙段結構參數化有限元分析流程。

2.2 Yacht-FEA與ANSYS軟件的接口

接口用來完成Yacht－FEA與ANSYS的連接。啟動Yacht-FEA軟件后，首先調用searchAnsys()函數來判斷該計算機中是否安裝ANSYS軟件，并決定Yacht－FEA程序是否能夠使用。如果該計算機中安裝了ANSYS軟件則將安裝路徑賦給一個變量，之后，Yacht－FEA將通過Initial()函數來修改ANSYS的啟動文件，將ANSYS的工作路徑設在Yacht－EFA的本地路徑中。

ANSYS為用戶提供了一種批處理計算模式，其后臺計算格式為“Ansys100.exe Input Name Out Name”，其中Input Name和Out Name分別為輸入和輸出的文件名。輸入文件即為控制文件，輸出文件用于保存計算結果。因此Yacht－FEA利用VB.NET中Shell函數來實現計算程序的調用和計算文件的提交。分析完成后，Yacht－FEA將會調用deletAnsysFile()函數讓用戶決定是否刪除分析過程中產生的一系列文件(文件包括幾何模型、日志文件、錯誤日志等)。

2.3 坐標系建立和編號控制

首先建立坐標系，坐標系如圖3所示，x表示艇體縱向坐標，y表示艇體橫向坐標，z表示艇體垂向坐標，原點在基線上。

對于關鍵點的編號和控制，關鍵點編號的個位和十位為橫向方向上型值點號，編號的百位和千位為肋位號，如圖1所示。在關鍵點的基礎上建立更高級的圖元。同時在生成自動編號的圖元時，用*GET命令標記已生成線和面最大標號，方便后續點、線和面的選擇。

圖1 關鍵點編號

對于線的編號控制，在生成肋位線及肋骨相關型線的命令是使用“spline”命令，該命令無法直接定義線的編號，但是具有一定的規律性。因此，線編號的控制是根據線所在肋位用*GET命令來控制的。

2.4 關鍵點的生成和模型的建立

關鍵點是根據游艇的肋位和縱向構件交點的坐標生成的。當選中某肋位，輸入(y、z)坐標值，生成關鍵點如圖2所示(本文算例肋位有18個關鍵點)。同樣方法生成所有肋位關鍵點。

在對艇體進行建模時可將艇體的艙段分為艇底板架、舷側板架和甲板板架。艇底板架的艇底外板為層合結構。艇底的縱骨和肋板為帽形結構，其中每根縱骨在長度方向上變化不大，與縱骨不同肋板在橫向上變化較大，在艇體中心處高度最高逐漸向兩舷遞減。因此，縱骨用梁單元來描述，而肋板用板單元來描述。在艇體舭部的壓浪板塊、甲板邊線處的三角板塊和梯形舷墻對艇體強度有很大的影響，因此在建模時需要體現出來。當艇體的關鍵點輸入后，用“spline”命令調用各關鍵點，建立各個肋位的樣條曲線，由這一系列的樣條曲線以蒙皮的方式生成光滑船底板、舷側板、甲板板曲面，同時生成縱骨線。

圖2 關鍵點生成

2.5 梁截面和開孔的處理

玻璃鋼快艇的骨材是帽型結構，在ANSYS中并無6個自由度的復合材料梁單元，所以需對這種結構進行簡化處理。考慮到其芯材材料的彈性模量很小，可以簡化其結構。把材料中間的芯材省去，轉化后的型材截面積幾何屬性與原帽型截面幾何屬性相同，并編寫截面輸入生成宏程序。

根據舷側和甲板開孔的特點采用不同的開孔方法。對于舷側的開孔，由于開孔比較自由，所以采用布爾運算生成;艇體甲板的開孔主要是開在甲板縱骨和甲板橫梁之間，因此只需在有限元模型劃分好后，將開孔部分的單元刪除。這種方法雖然在實體模型上未對甲板進行開孔，但是，在有限元模型中相當于對甲板進行了開孔，這樣可以減少建模工作量。

2.6 屬性定義及網格劃分

幾何模型僅是描述空間形狀及結構定位，只有在對各種板材、骨材結構的材料屬性進行賦值并劃分網格后才能進行有限元分析。玻璃鋼游艇中使用的材料有兩類:鋪層塑料增強纖維與夾層結構中的芯材。鋪層塑料增強纖維材料屬于正交異性材料，在對該材料屬性進行設置時需要輸入3個主方向的彈性模量、剪切模量和泊松比。芯材主要是使用PVC材料，屬于各向同性材料。

為了準確地表達玻璃鋼結構性質，軟件中需要輸入大量的參數來建立層合結構模型，其中包括每一層的厚度、材料號和纖維方向(主方向)，因此鋪層設置的前提是所有的材料參數已經設定完成。鋪層結構是通過單元實常數來模擬，所以進行鋪層設置之前需要選好單元類型，如果結構中帶有夾層還應該打開相應的單元選項。游艇結構中凡鋪層不一樣的地方都應該為其設定獨立的單元實常數。函數sidelayers()用來定義舷側鋪層的實常數。

ANSYS有限元網格劃分是進行數值模擬分析至關重要的一步，它直接影響著后續數值計算分析結果的準確性。本程序通過限定單元邊長的方法實現對單元大小的控制。

2.7 約束與載荷

整個艙段結構相當于1個空間梁，空間梁有6個自由度，即3個位移與3個轉角，分別為ux、uy、uz、Rotx、Roty、和 Rotz。它們在總體坐標系 XYZ 下的符號如圖3所示。

圖3 自由度方向

(1)當整個艙段在前后艙壁為自由支持時

在前艙壁處:ux=uy=uz=0

在后艙壁處:uy=uz=0

(2)當整個艙段在前后艙壁處為剛性固定時

在前艙壁處:ux=uy=uz=0

在后艙壁處:uy=uz=0

由于載荷及模型的橫向對稱性，只需要建立半寬模型，所以要在中縱剖面處施加對稱約束。在有限元分析過程中約束可以加在幾何模型上或者有限元模型上，本程序將約束施加在線及關鍵點上。

3 界面設計及應用實例

使用VB.NET平臺編制圖形界面，實現模型參數的界面化輸入。應用該系統對玻璃鋼快艇艙段強度進行分析，將會大幅度減少工程技術人員的工作量，提高計算分析的效率。圖4和圖5是Yacht-FEA有限元分析程序的2個主要界面。

圖4 艙段分析界面

圖5 結構描述界面

為驗證Yacht－FEA系統的實用性和可靠性，本文對某玻璃鋼游艇［2］開孔艙段進行結構強度有限元分析。圖6為開孔艙段有限元模型，得到的網格形狀也較為理想。

圖6 開孔艙段有限元模型圖

圖7和圖8為艙段的位移和應力圖。應力最大處在艙段的中部6號肋位舭部折角線處，最大值為143.7 MPa。算例采用的材料抗彎曲強度為290 MPa。該玻璃鋼快艇是國內某游艇公司2008年的產品，經過2年多的使用，結構狀態良好。

4 結語

本文運用ANSYS的參數化技術，對玻璃鋼快艇的幾何尺寸、材料屬性、載荷和邊界條件等設計參數進行有限元的參數化建模。同時針對強度分析所關心的內容，在后處理中采用批處理的方法實現一鍵式查看結果，從而使玻璃鋼艙段的有限元分析更加快捷。該方法不僅克服了常規有限元分析周期長、程序代碼利用率低的缺點，同時能夠保證程序的可靠性和穩定性。

圖7 開孔艙段的變形圖

圖8 開孔艙段的應力圖

［1］陳德人.參數化設計模型與方法［J］.浙江大學學報(自然科學版)，1995，29(2):170 － 182.

［2］劉雪松，周玉龍.夾層結構玻璃鋼游艇整船結構強度有限元分析［J］.中國艦船研究，2010，(2):45－48.