水面艦船結構力學性能虛擬測試初步研究

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(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇現代造船技術有限公司,江蘇 鎮江 212003；3.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；4.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001)

1 艦船虛擬試驗測試

船舶在實際航行過程中，在波浪中受到的波浪載荷、船舶機艙結構承受的主機激振力、艉部結構受到的螺旋槳的脈動作用力，都是隨時間變化的載荷。由于時間變量的存在，結構位移和應力不僅是空間坐標的函數，而且也是時間坐標的函數，這就增加了求解動力問題控制方程的難度。

利用虛擬試驗技術進行結構動力分析測試，在建模與仿真試驗的環境下，一方面可以求出結構的動態特性，主要指求出結構的固有頻率和振型；另一方面可以求出結構對隨時間變化的載荷的響應，亦即結構在動載荷作用下的運動規律及應力。艦船虛擬試驗測試總體界面框架見圖1。

圖1 總體界面框架

1.1 船體結構強度虛擬測試技術

結構強度虛擬測試的目的是建立虛擬的海洋環境，模擬船舶在水中航行，實現船舶運動及波浪載荷動態顯示[1]。建立樣船結構有限元模型的信息數據庫，并用有限元軟件進行信號數據的運算、分析和處理，使其結構應力的測試結果能夠實時輸出。測試軟件使用時，可以利用外界輸入設備改變海洋風浪、船舶行駛速度等，系統經過后臺數據的分析計算后得出船體對當前狀態的結構響應，并且能在計算機屏幕上時實地顯示出來，見圖2。其核心技術包括了數字化建模、數字化海洋環境模擬和船體結構響應數字化仿真三個方面。其中，考慮到船舶在航行過程中會受到風浪，拍擊，振動等復雜的海洋環境的影響，因此要以實船為原型，盡可能地模擬實船的實際結構，把人為的誤差降到最低，最終通過建模與仿真的方法建立虛擬樣船。

圖2 結構強度測試測點布置

1.2 船體疲勞強度虛擬測試

船體結構疲勞壽命虛擬測試技術通過綜合運用虛擬試驗技術、船舶結構理論以及疲勞理論來實現在計算機上模擬實船海上試驗。其基本思想是通過對被測樣船及其工作環境進行仿真建模，測試出樣船在虛擬環境中的疲勞應力，并對該試驗數據進行疲勞分析，進而獲得樣機的疲勞損傷結果[2]。根據這種思想，可以通過如圖3所示的技術方案在計算機上實現船舶結構疲勞壽命的虛擬測試。首先，建立海洋環境數據庫與被測樣機的有限元模型(虛擬樣機)；然后，根據測試需要，選擇海況，并將該海況下的疲勞載荷作用于虛擬樣機，進行應力響應分析，測試樣機在虛擬海況下的疲勞應力時間歷經；最后，對所測得的應力結果進行疲勞分析，給出虛擬樣機的損傷結果和壽命。其中，需要突破的關鍵技術有：①虛擬海況的建立；②虛擬樣機的建立；③應力時歷的模擬；④航向的模擬。

圖3 船體結構疲勞虛擬測試技術方案流程

1.3 船體結構振動虛擬測試

船舶在運行中會受到主機、螺旋槳、波浪等外界激振力的作用而產生不同程度的振動，因此，通過船體振動虛擬測試技術檢測船體結構的振動特性并準確地獲取振動的固有頻率和振動響應，采取相應的減振措施，可以避免共振，降低破壞。

實船總振動激振試驗的目的在于確定船體總振動的固有頻率(包括垂向、水平、扭轉)和固有振型及阻尼特性[3]。本項目基于實船振動試驗，把動力分析的有限元技術與模態分析技術相結合，在虛擬測試平臺上建立虛擬測試模型，通過選擇激勵點和測點并對激勵點進行正弦激勵掃描輸入激勵，然后輸出激勵點和測點響應信號以獲得船體結構系統頻響函數的離散數據，再利用模態參數識別技術對離散數據進行頻域模態參數識別，從而得到船體結構總振動的固有頻率和振型。

2 艦船結構靜強度規范虛擬測試

艦船結構靜強度規范虛擬測試采用船體XML文檔解析技術完成了TRIBON軟件與虛擬測試系統的船體數據轉換，并設計了XML文檔與測試系統數據庫的接口，使艦船測試模型數據能夠正確導入虛擬測試系統；將VB+OpenGL三維動態查看模塊集成進來，實現了測試對象的三維可視化；利用Windows Shell技術實現了艦船總體性能虛擬測試和結構性能虛擬測試子系統的集成及測試數據(如數值型波浪環境數據)的交互。在總縱強度、局部強度的虛擬測試模塊中按照“測試環境-測試對象-測試項目”的測試流程，系統實現了對基于規范的船體結構靜強度數字化測試與驗證。

2.1 測試對象獲取

測試系統使用的三維電子樣船模型來源于Tribon系統輸出到船體XML文檔的結構數據信息(包括船體各個分段、板架、開孔、剖面等及相關的屬性信息、拓撲信息和幾何數據的建模特征等)。通過將XML文件里表達的建模數據利用解析工具進行解析，按一系列自定義的數據命令格式寫入并存儲至系統內部，即可用基于VB6.0編寫相關程序來讀取必要的結構數據進行基于軍規的強度校核和軍規知識庫的測試，見圖4。

圖4測試模型獲取

2.2 三維電子樣船顯示

通過解析XML文件導入虛擬測試應用程序的船體模型可以實現某一視角的三維顯示(見圖5)，用戶可以從任何有利位置查看模型、干涉檢驗、進行工程分析、提取相關數據、輸出模型創建動畫等，因此將VB+OpenGL三維動態查看模塊集成到虛擬測試系統，不僅可以實現測試對象的三維可視化，更有利于對測試模型的結構特征進行分析。

圖5 測試模型三維顯示

2.3 總縱強度規范測試

1)載荷計算部分為結構靜強度軍規校核提供了外部波浪載荷數據，載荷計算依據“坦谷波”理論，計算出靜水狀態下的剪力曲線和彎矩曲線，波浪載荷的剪力曲線和彎矩曲線、靜水和波浪的合成剪力曲線和彎矩曲線、砰擊彎矩曲線，實現了剪力和彎矩的程序化自動計算[4]。

2)通過輸入肋位號，選擇校核剖面，即可依據輸入的肋位號實現剖面數據的自動提取，并將剖面模數計算結果輸出到表格。

3)依據規范要求，歐拉應力的計算要將剖面中的構件分為三種類型：縱骨架式板、T型材面板、縱骨，每種構件類型都對應著不同的計算公式。整個剖面的所有構件的總縱彎曲應力的校核即可依據歐拉應力校核結果和載荷計算部分的彎矩值來完成。

4)極限強度的計算是根據船體剖面中距中和軸最遠處的剛性構件(通常為上纖維)達到材料屈服極限(中拱)或構件的臨界應力(中垂)時的總縱彎矩值來進行測試。其它構件的極限彎曲應力則按照各自距中和軸的距離和上纖維距中和軸的距離的比值來確定。得出極限彎矩之后，再結合砰擊彎矩，靜水彎矩，波浪彎矩，按照極限強度校核準則，進行極限強度的校核。剪切強度即可通過計算構件剪切應力來進行強度分析，如果校核的構件為板的話，還要計算剪切歐拉應力，以判斷其是否失穩。

2.4 局部強度規范測試

以甲板局部強度虛擬測試為例，介紹基于規范的局部強度虛擬測試流程[5-6]。

1)首先，利用XML解析方法和特征識別技術抽取出甲板板架的全部結構信息后存入系統內部自定義的數據類型數組中，將甲板或平臺局部測試模型的三維信息通過矩陣轉換輸出到VB6.0圖片框進行二維顯示，其XML的樹型結構層次信息也依次在左邊Treeview控件中列出。

2)對于甲板板格的計算存在4種載荷形式：

飛濺水作用的載荷、主甲板遮蔽部分以及不考慮破損壓頭的下層甲板和平臺的計算載荷、保證艦艇不沉性的甲板的計算載荷和液艙結構的計算載荷。通過輸入計算截面的肋位號，程序自動判斷測試部位的載荷計算類型，并將全船載荷值輸出到表格框。

3)甲板板及平臺板按四周剛性固定且承受均布載荷的絕對剛性板計算，計算時需要根據骨材間距和骨材跨距來對板格進行劃分。甲板及平臺縱骨按剛性固定在甲板橫梁上承受均布載荷的梁計算。

4)根據上述流程的測試結果，程序會自動生成相應的doc格式的測試報告，表明結構強度的合格區域和危險區域，以便于結構型式的改進和完善。

3 測試案例

以某型艦船的電子模型為船體結構數據來源,見表1，選取主甲板板架的#12、#25、#40、#65、#80和#95肋位的局部強度測試結果,見表2、3。將上述測試結果與甲板局部強度計算書進行對比，結果基本一致，結構的測試應力均達到了許用應力的要求。

表1 船體結構主要參數

表2 甲板板強度測試案例

表3 甲板骨材強度測試案例

4 結論

艦船總體虛擬測試系統是一個集成了海洋環境數據庫技術、動態海況顯示技術、測試對象的三維顯示技術，功能上包含了艦船總體性能虛擬測試和結構性能虛擬測試的綜合應用系統。通過對整個測試系統的不斷調試和改進，目前在整個測試過程中，各個功能模塊均能穩定運行，對比人工測試方法大大縮短了時間，提高了工作效率和準確性。

[1] 李洛東.船體結構強度虛擬測試技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.

[2] 馮 觀.船舶疲勞強度虛擬測試方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.

[3] 張紅星.船體自由振動虛擬測試技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.

[4] 李 坤,何吾興,張家新,等.排水型水面船舶總縱強度虛擬測試系統初步研究[C]∥第二屆信息、電子與計算機工程國際學術會議(ICIECS2010),山東:淄博,2010,11.

[5] 朱 錫.水面艦艇結構[M].大連:大連海事大學出版社, 2000.

[6] GJB/Z-199-99,水面艦艇結構設計計算方法[S].北京:中國人民解放軍總裝備部批準,1999.