運(yùn)用AVL—EXCITE進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度校核的研究

張博宇++孫聰

[摘 要]為了對(duì)船體結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，必須要用到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件。本文探討了運(yùn)用AVL-EXCITE軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核的原理和方法，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)措施，使得船體結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度的前提下進(jìn)行優(yōu)化。

中圖分類號(hào)：U6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）11-0038-01

引言

當(dāng)前，各類型船舶的結(jié)構(gòu)主要是依照各國船舶檢驗(yàn)部門、船級(jí)社頒發(fā)的相應(yīng)的入級(jí)與建造規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算的。但是為保證船體結(jié)構(gòu)的安全性，各國規(guī)范所要求的條目繁多，從而使得設(shè)計(jì)的過程中的計(jì)算量十分龐大，很大程度上降低了設(shè)計(jì)工作的效率。同時(shí)，船舶檢驗(yàn)在對(duì)于船舶進(jìn)行入級(jí)審查時(shí)，也必須按照規(guī)范的要求進(jìn)行逐條進(jìn)行檢驗(yàn)船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理，因此工作流程是相當(dāng)繁瑣與復(fù)雜的。另一方面，船舶作為一種在海上航行的結(jié)構(gòu)物，需要面對(duì)復(fù)雜的海洋環(huán)境，船體強(qiáng)度比較要全方位加強(qiáng)。因此，船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度顯得尤為重要。但是從另一個(gè)角度講，為了提高船舶的經(jīng)濟(jì)性與機(jī)動(dòng)性，船體結(jié)構(gòu)在加強(qiáng)同時(shí)重量必須盡可能的輕，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸盡可能的小。因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化是十分必要且亟待研究的。另外結(jié)構(gòu)優(yōu)化從解決減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量擴(kuò)展到降低應(yīng)力水平、優(yōu)化結(jié)構(gòu)剛度、增加強(qiáng)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(jié)構(gòu)分析軟件。這些軟件功能強(qiáng)大，但仍有各自的缺點(diǎn)和操作繁瑣的特點(diǎn)。為了能針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)分析選取適宜的軟件，本文探討了如何運(yùn)用AVL-EXCITE進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)。

1 多體動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)

本文主要部分為AVL-EXCITE程序中多體動(dòng)力學(xué)模型的建立與分析。AVL-EXCITE是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)專用的多體動(dòng)力學(xué)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(jié)構(gòu)模型建立船體軸系數(shù)值分析模型。方便起見，建立3個(gè)坐標(biāo)系來構(gòu)建系統(tǒng)模型，即全局坐標(biāo)系（X，Y，Z），用于描述各彈性體全局運(yùn)動(dòng)，為靜止坐標(biāo)系；當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系（X′，Y′，Z′），隨各體全局運(yùn)動(dòng)一起運(yùn)動(dòng)；局部坐標(biāo)系（X′′，Y′′，Z′′），為子結(jié)構(gòu)單元bi的坐標(biāo)系。

子結(jié)構(gòu)bi承受內(nèi)、外力/力矩作用，子結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)服從動(dòng)量定理和角動(dòng)量定理。

其中，為已知力/力矩，為約束力/力矩，為坐標(biāo)變換產(chǎn)生的非線性項(xiàng)，為位移向量，為質(zhì)量矩陣，為剛度矩陣，為阻尼矩陣.

其中，和為結(jié)構(gòu)阻尼和頻率的函數(shù)。各體全局運(yùn)動(dòng)可用向量和角速度表示.

其中，為不同坐標(biāo)系下動(dòng)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(biāo)變換產(chǎn)生的非線性項(xiàng)。

其中，、為常數(shù)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(dòng)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(duì)于彈性體直接接觸的區(qū)域，要定義接觸表面粗糙度及接觸區(qū)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(shù)學(xué)模型，建立起船體系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)數(shù)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(dòng)力分析的邊界條件，進(jìn)行迭代求解，從而解決了連接體與彈性體之間的耦合關(guān)系。

2 計(jì)算資料

該船為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)，單甲板、單底，混合骨架型式，機(jī)動(dòng)甲板船。主甲板結(jié)構(gòu)、船底結(jié)構(gòu)為混合骨架式，舷側(cè)結(jié)構(gòu)、縱橫艙壁為橫骨架式。共有175個(gè)肋位，間距625mm，3道縱艙壁，間距為8米，6道橫艙壁，甲板結(jié)構(gòu)中設(shè)有甲板縱桁、縱骨和強(qiáng)橫梁，縱橫艙壁上設(shè)有扶強(qiáng)材，船體內(nèi)部設(shè)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(gòu)件的有限元網(wǎng)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(cè)、縱橫艙壁、尾封板以及甲板縱桁、強(qiáng)橫梁腹板等強(qiáng)構(gòu)件采用四節(jié)點(diǎn)殼單元，甲板縱骨、縱橫艙壁上的扶強(qiáng)材以及起支撐作用的柱子、斜撐等構(gòu)件采用桿單元模型。模型的端部和底部所有節(jié)點(diǎn)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(gòu)件，本文定義三種工況進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4 結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力結(jié)果

從中看出甲板在裝載185m橋梁構(gòu)件時(shí)，距離船中左右4000mm、 Fr1～Fr6和Fr170～Fr175處甲板縱桁和甲板橫梁應(yīng)力過大，這是因?yàn)闃蛄簶?gòu)件在甲板兩端部的載荷過大，而且橋梁構(gòu)件過長在裝載時(shí)，在甲板上的落腳點(diǎn)為一個(gè)點(diǎn)，該落腳點(diǎn)沒有在甲板縱桁和橫梁交叉的部位或者底部沒有設(shè)置柱子作為支撐，甲板沒有足夠的強(qiáng)度抵抗上部的集中載荷，故產(chǎn)生了應(yīng)力集中，應(yīng)力過大。

4.2 加強(qiáng)方案

針對(duì)上述甲板縱桁和甲板橫梁不滿足強(qiáng)度要求而且出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，筆者設(shè)計(jì)一種加強(qiáng)方案，使得艏艉兩端集中載荷位于強(qiáng)構(gòu)件上，具體方案：在Fr2、Fr3、Fr6、Fr170、Fr173和Fr174兩旁縱艙壁之間加設(shè)強(qiáng)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(qiáng)橫梁和縱桁交叉部位設(shè)置支柱作為支撐，柱子尺寸為，艏艉結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案如圖9所示。

4.3 優(yōu)化結(jié)果

從中可以看出甲板應(yīng)用筆者設(shè)計(jì)的加強(qiáng)方案后，位于甲板兩端的集中力得到有效分配，沒有產(chǎn)生應(yīng)力集中，甲板縱桁和橫梁應(yīng)力分別降低了133.4MPa和110.4MPa，低于規(guī)范中許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。該加強(qiáng)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(jié)論

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、校核、優(yōu)化系統(tǒng)開發(fā)呈現(xiàn)大型化、自動(dòng)化、復(fù)雜化的趨勢，也正因?yàn)槿绱?，才使得船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、校核、優(yōu)化軟件系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大。本實(shí)例證明，不同于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析軟件，AVL-EXCITE也可以滿足船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算分析要求，為各大船廠和科研機(jī)構(gòu)提供了另一種分析工具。

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