運用AVL—EXCITE進行船體結構局部強度校核的研究

張博宇++孫聰

[摘 要]為了對船體結構局部強度進行加強設計，必須要用到相應的結構計算分析軟件。本文探討了運用AVL-EXCITE軟件進行強度校核的原理和方法，通過對計算結果的分析，進行有針對性的加強措施，使得船體結構在滿足強度的前提下進行優化。

中圖分類號：U6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）11-0038-01

引言

當前，各類型船舶的結構主要是依照各國船舶檢驗部門、船級社頒發的相應的入級與建造規范進行設計與計算的。但是為保證船體結構的安全性，各國規范所要求的條目繁多，從而使得設計的過程中的計算量十分龐大，很大程度上降低了設計工作的效率。同時，船舶檢驗在對于船舶進行入級審查時，也必須按照規范的要求進行逐條進行檢驗船舶結構的設計是否合理，因此工作流程是相當繁瑣與復雜的。另一方面，船舶作為一種在海上航行的結構物，需要面對復雜的海洋環境，船體強度比較要全方位加強。因此，船體結構強度顯得尤為重要。但是從另一個角度講，為了提高船舶的經濟性與機動性，船體結構在加強同時重量必須盡可能的輕，結構構件尺寸盡可能的小。因此結構優化是十分必要且亟待研究的。另外結構優化從解決減輕結構質量擴展到降低應力水平、優化結構剛度、增加強度性能和提高安全壽命等諸多方面。

目前各大船廠主要用的是ANSYS， ABAQUS， FEMAP+NX NASTRAN等結構分析軟件。這些軟件功能強大，但仍有各自的缺點和操作繁瑣的特點。為了能針對不同的結構分析選取適宜的軟件，本文探討了如何運用AVL-EXCITE進行船體結構分析和設計。

1 多體動力學理論基礎

本文主要部分為AVL-EXCITE程序中多體動力學模型的建立與分析。AVL-EXCITE是發動機設計專用的多體動力學分析程序，它建立的多體模型包括彈性體和非線性連接單元。

鑒于求解問題的大型化，在AVL-EXCITE中采用子結構模型建立船體軸系數值分析模型。方便起見，建立3個坐標系來構建系統模型，即全局坐標系（X，Y，Z），用于描述各彈性體全局運動，為靜止坐標系；當地坐標系（X′，Y′，Z′），隨各體全局運動一起運動；局部坐標系（X′′，Y′′，Z′′），為子結構單元bi的坐標系。

子結構bi承受內、外力/力矩作用，子結構運動服從動量定理和角動量定理。

其中，為已知力/力矩，為約束力/力矩，為坐標變換產生的非線性項，為位移向量，為質量矩陣，為剛度矩陣，為阻尼矩陣.

其中，和為結構阻尼和頻率的函數。各體全局運動可用向量和角速度表示.

其中，為不同坐標系下動量方程，為作用在體上外載之和，為作用在體上約束載荷之和，為坐標變換產生的非線性項。

其中，、為常數矩陣，為已知外力矩，為約束力矩。方程（1—4）為非封閉方程，只有已知連接件傳遞的力和力矩，上述方程才為封閉方程。

連接件的作用是在彈性件之間傳遞力和力矩，典型的連接件有主軸承等.

其中，為潤滑油膜厚度，m；為油膜壓力，Pa；為流體動力角速度，rad/s；為潤滑油粘度，Pa.s；為周向方向；為寬度方向。

對于彈性體直接接觸的區域，要定義接觸表面粗糙度及接觸區彈性模量.

其中，為船體表面粗糙度，μm；為軸瓦表面粗糙度，μm.

分別為船體和軸承材料的泊松比；分別為船體和軸承材料的彈性模量，N/mm2。

通過上述數學模型，建立起船體系統多體動力學數值分析模型。連接體的作用力和力矩作為彈性體的約束力和力矩，而彈性體的作用力及變形作為連接體流體動力分析的邊界條件，進行迭代求解，從而解決了連接體與彈性體之間的耦合關系。

2 計算資料

該船為鋼質全焊接結構，單甲板、單底，混合骨架型式，機動甲板船。主甲板結構、船底結構為混合骨架式，舷側結構、縱橫艙壁為橫骨架式。共有175個肋位，間距625mm，3道縱艙壁，間距為8米，6道橫艙壁，甲板結構中設有甲板縱桁、縱骨和強橫梁，縱橫艙壁上設有扶強材，船體內部設有大量柱子和撐桿做支撐.

3 建立船體模型

3.1 概況

本文采用110m總長，14000t駁船為例。船體構件的有限元網格沿船體縱向按肋距劃分，沿船體橫向肋骨間距劃分。模型中甲板、舷側、縱橫艙壁、尾封板以及甲板縱桁、強橫梁腹板等強構件采用四節點殼單元，甲板縱骨、縱橫艙壁上的扶強材以及起支撐作用的柱子、斜撐等構件采用桿單元模型。模型的端部和底部所有節點剛性固定。

3.2 工況定義

擬定該船裝載三種不同長度和重量的橋梁構件，本文定義三種工況進行強度校核。

4 結果分析

4.1 應力結果

從中看出甲板在裝載185m橋梁構件時，距離船中左右4000mm、 Fr1～Fr6和Fr170～Fr175處甲板縱桁和甲板橫梁應力過大，這是因為橋梁構件在甲板兩端部的載荷過大，而且橋梁構件過長在裝載時，在甲板上的落腳點為一個點，該落腳點沒有在甲板縱桁和橫梁交叉的部位或者底部沒有設置柱子作為支撐，甲板沒有足夠的強度抵抗上部的集中載荷，故產生了應力集中，應力過大。

4.2 加強方案

針對上述甲板縱桁和甲板橫梁不滿足強度要求而且出現應力集中情況，筆者設計一種加強方案，使得艏艉兩端集中載荷位于強構件上，具體方案：在Fr2、Fr3、Fr6、Fr170、Fr173和Fr174兩旁縱艙壁之間加設強橫梁，T型材尺寸為，考慮艏艉受集中載荷大，在Fr2、Fr3和Fr173、Fr174所加的甲板強橫梁和縱桁交叉部位設置支柱作為支撐，柱子尺寸為，艏艉結構加強方案如圖9所示。

4.3 優化結果

從中可以看出甲板應用筆者設計的加強方案后，位于甲板兩端的集中力得到有效分配，沒有產生應力集中，甲板縱桁和橫梁應力分別降低了133.4MPa和110.4MPa，低于規范中許用應力，滿足規范要求。該加強方案使用材料少、施工方便可行、效果明顯，建議采取該方案施工。

5 結論

船舶結構設計、校核、優化系統開發呈現大型化、自動化、復雜化的趨勢，也正因為如此，才使得船舶結構設計、校核、優化軟件系統功能越來越強大。本實例證明，不同于傳統的結構分析軟件，AVL-EXCITE也可以滿足船體結構強度的計算分析要求，為各大船廠和科研機構提供了另一種分析工具。

參考文獻

[1] 張少雄，楊永謙.船體結構強度直接計算中慣性釋放的應用[J].中國艦船研究，2006（02）：58-61.

[2] 趙開龍，張大偉，姚志廣.自升式平臺主船體結構有限元分析[J].中國造船，2009，250-254.

[3] 中國船級社.鋼制海船入級規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[4] 中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊：船體分冊[S].北京：國防工業出版社，1999.