基于 PCL 的集裝箱船屈服強度校核工具開發

劉 俊，黃 銘

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心 船海協創中心，上海 200240；3. 合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

基于 PCL 的集裝箱船屈服強度校核工具開發

劉 俊1,2，黃 銘3

(1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發裝備協同創新中心 船海協創中心，上海 200240；3. 合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

為了保障集裝箱船船體結構的安全，在設計階段常常需要根據規范要求進行直接分析并進行整體和局部強度的校核。由于船舶運行的載荷和必須考慮的工況復雜，同時各種工況下船體結構不同部位和不同構件的校核許用水平不一，無法直接借助通用軟件的后處理功能直觀判斷構件是否滿足要求。本文基于 PCL 語言，針對中國船級社集裝箱船屈服強度校核要求，經過二次開發實現了許用應力以及衡準值的自動計算，并通過云圖、三色圖以及報告直觀輸出校核結果，該工具有助于對設計結果的快速反饋。

集裝箱船；PCL；直接計算；強度校核

0 引 言

集裝箱船是三大主力船型之一，以其裝卸快捷、航速高、貨物安全性好等特點，受到了國際運輸市場的青睞。集裝箱船裝載標準規格的集裝箱，通常采用垂向直壁式結構，貨艙口幾乎和貨艙等寬，這種開口顯著削弱了船的抗彎、抗扭和橫向強度，為了保障船體結構的安全，在設計階段常常需要根據規范要求進行直接分析，并進行整體和局部強度的校核。由于船舶運行的載荷和工況復雜，同時各種工況下船體結構的應力許用水平因其部位和構件類型的不同而各異，盡管現有通用軟件后處理功能很強大，應力以及變形都可以直觀顯示，但無法快速判斷構件是否滿足強度要求。

MSC. PATRAN & NASTRAN 是船舶結構分析領域的基準軟件，國際船級社協會的大部分成員認可采用

Nastran 軟件作為船舶分析的驗證軟件[1]。眾多研究者利用該軟件高度的集成能力和良好的適用性，采用PCL 語言進行了二次自主開發，宋亞玲等[2]實現了扣除腐蝕余量、荷載計算、施加疲勞荷載、提取結果及分析的自動化，唐旭東[3]利用 PCL 語言編寫程序來計算船體剖面慣性矩、剖面模數及中和軸位置等剖面特性，馮國慶等[4–5]初步實現散貨船以及艦船強度評估的自動化，劉玉川等[6]開發了中國船級社有限元直接計算軟件 CSR-DSA.，這些成果集成在 PATRAN 中，擴展了軟件的功能，增加了分析以及前后處理的效率。

為了滿足快速分析反饋需要，本文采用 PCL 語言，基于中國船級社（CCS）《集裝箱船結構強度直接計算指南》（后文簡稱 CCS 指南），在 MSC. PATRAN 進行二次開發，不需要手動定義許用應力，實現了集裝箱船整船以及艙段直接有限元分析屈服強度的快速自動校核。

1 PCL 語言簡介

PCL 為 Patran Command Language 的縮寫，類似 C語言和 Fortran 語言，包含一般高級語言具有的大部分數據類型，提供了大量的函數。運用 PCL 語言可以對Patran 進行二次開發，如根據需要創建用戶界面和數據庫、為設計或者優化創建參數化模型、在 MSC.Patran中集成商業或者用戶開發的分析代碼、顯示用戶定義圖形、讀寫 MSC.Patran 數據庫、創建新的或者改進MSC.Patran 功能、分析文件的數據庫管理以及排除單調、重復的流程等。用戶完成開發后，可以通過在“init.pcl”文件中加入相關語句實現開發功能的自動調用[7]。

2 集裝箱船校核要求及本系統功能

2.1 集裝箱船校核要求

CCS 指南分別對集裝箱船整船以及艙段直接分析的校核作了相關規定。

集裝箱船整船分析的計算工況一般由靜水工況和最大垂向波浪彎矩（LC1）、最大水平波浪彎矩（LC2）、L/2 處最大扭矩（LC3）、3L/8 處最大扭矩（LC4）、5L/8 處最大扭矩（LC5）等波浪載荷工況組合而成，一共 5 個。屈服強度分析的許用應力要求見表 1[8]。表中 σe與 τ 分別為 Vonmises 等效應力和剪應力。

集裝箱船艙段分析考慮中間 1 個 40 ft 箱位空艙、船舶橫傾中間 1 個 40 ft 箱位空艙、船舶橫傾、船舶縱蕩 4 種情況，各種情況下根據需要分別考慮不同貨艙內和艙蓋上的集裝箱載荷作用，組合之后一共是 9 個計算工況。艙段分析的屈服強度校核遠較整體分析繁瑣，不同工況下分別有等效應力、剪應力、船長/船寬/型深單主應力等不同校核量要求，而應力許用值的大小與構件種類、計算工況、材料屈服強度以及校核量等因素都相關[8]，相較整船校核復雜很多，具體要求如表 2所示。表中，σL為船長方向正應力；σW為船寬或船深方向正應力；τ 為腹板總高度（或總深度）內的平均剪應力；κ 為高強度鋼系數。

表1 整船分析許用應力Tab.1 Allowable stresses of global analysis

表2 艙段分析船體構件各工況下的許用應力Tab.2 Allowable stresses of cargo tank structural strength analysis

由表 1 和表 2 可知，依據 CCS 指南對集裝箱船進行結構屈服強度校核時，應力許用值大小需要依據多

種因素確定，直接計算完成之后，雖可借助后處理功能直觀看到結構的應力分布，卻無法快速判斷構件是否滿足屈服強度要求，手工校核繁瑣而且容易出錯。

2.2 構件衡準值的定義及系統功能

定義構件衡準值 R 為有限元應力計算值和許用值比值，即：

可以知道，當 R ＜ 1 時，構件滿足屈服強度要求，所以衡準值 R 的大小直接反映構件是否滿足屈服強度要求。本文開發系統基于 CCS 集裝箱船強度指南，實現了衡準值 R 的云圖和三色圖直觀顯示以及報告的輸出、查看功能。其中衡準三色圖中，R 大于 1.2 的單元顯示為黑色，R 在 1.0 ～ 1.2 之間顯示為紅色，R 在 0.8 ～1.0 之間顯示為綠色，R 小于 0.8 顯示為淺藍色，通過三色圖可以快速找到不滿足規范要求的構件（黑色和紅色顯示單元）。另外，衡準結果還可通過報告形式輸出，并能選擇只輸出衡準值大于某一過濾值的結果，同時報告中會給出相應單元的位置坐標及屬性名稱，便于定位需要加強的構件。

與馮國慶、劉玉川[4–6]等的工作不同，本軟件系統不需要手動定義許用應力，而是直接從數據庫讀取設計階段的材料屈服強度設計值，根據所選擇的校核工況、構件名稱、應力校核量的類型等條件，按照指南要求（見表 1 和表 2）自動計算許用應力，進而通過與計算應力對比得到衡準值；此外，衡準結果可分別以云圖、三色圖和報告 3 種方式輸出，使用者能迅速判斷結構是否滿足屈服強度要求，從而對設計進行快速反饋。軟件使用簡單方便、反饋直觀。

3 程序組成及界面

本系統核心部分包括有限元分析校核量的提取、相應構件許用應力值的計算、衡準值計算、衡準結果圖形和報告輸出。其主要界面及相互之間關系分別如圖 1 和圖 2 所示。

校核時，首先在“設置”“條件”界面選擇船級社，船型，有限元模型范圍以及有限元分析采用的應力單位等校核條件，合成工況 LC1G-3G 的結果；然后進入“創建”界面，根據需要選擇創建對象，創建對象可以是“云圖”、“三色圖”或是“報告”，確定具體校核計算工況、校核量，校核構件以及是否考慮應力集中等，根據要求創建云圖、三色圖或報告；另外，可進入“查看”“報告”界面，查看創建的報告或是其他文本文件。

圖1 系統主要界面Fig.1 Main interfaces of the strength assessment system

圖2 系統主要界面之間的關系Fig.2 Relationship between the main interfaces

在操作過程中，如果發現條件設置有誤，可隨時返回條件設置界面重新設置。

4 示 例

采用本系統對某集裝箱船進行強度校核，其中工況 3 下外底板部位船長方向正應力云圖如圖 3 所示，得到的衡準值云圖和三色圖以及輸出報告（定義只輸出 R ＞ 0.9 的單元信息）如圖 4 ～ 圖 6 所示。與手動校核結果對比表明，使用本系統快速準確。

圖3 外底板船長方向正應力云圖Fig.3 Nephogram of σLof outer bottom

圖4 外底板船長方向正應力衡準云圖Fig.4 Nephogram of RσLof outer bottom

圖5 外底板船長方向正應力衡準三色圖Fig.5 Three color diagram of RσLof outer bottom

圖6 外底板船長方向正應力衡準報告Fig.6 Report of RσLof outer bottom

5 結 語

本系統根據中國船級社指南對 MSC.Patran 進行二次開發，從數據庫讀取設計階段的構件材料屈服強度值，可直接根據設置自動計算構件應力許用值，結合集裝箱船直接分析的數值結果，從而得到衡準水平并以云圖、三色圖或是報告的形式輸出。借助本系統，可快速直觀進行屈服強度校核并及時對設計方案提出反饋意見和建議。

[1]袁曉兵. MSC助力數字化造船[J]. 中國制造業信息化, 2005, 34(7): 57–59. YUAN Xiao-bing. MSC boost digital shipbuilding[J]. Design and Manufacturing Engineering, 2005, 34(7): 57–59.

[2]宋亞玲, 吳劍國, 林勇. 基于熱點應力法的船舶結構疲勞分析系統開發[J]. 船舶, 2012, 23(3): 34–39. SONG Ya-ling, WU Jian-guo, LIN Yong. Development of huh structure fatigue analysis system by hot spot stress method[J]. Ship & Boat, 2012, 23(3): 34–39.

[3]唐旭東. 利用PCL語言查看船體剖面特性[J]. 船舶, 2011, 22(3): 27–29. TANG Xu-dong. Examination on hull section characteristics with PCL language[J]. Ship & Boat, 2011, 22(3): 27–29.

[4]馮國慶, 趙南, 任慧龍, 等. 基于PCL的散貨船直接強度評估系統開發[J]. 船海工程, 2011, 40(2): 5–8. FENG Guo-qing, ZHAO Nan, REN Hui-long, et al. Development of direct strength assessment system for bulk carrier based on patran command language[J]. Ship & Ocean Engineering, 2011, 40(2): 5–8.

[5]馮國慶, 任慧龍, 李輝, 等. 基于PCL的艦船結構強度評估系統開發[J]. 艦船科學技術, 2010, 32(5): 18–23. FENG Guo-qing, REN Hui-long, LI Hui, et al. Development of the structural strength assessment system for warships based on patran command language[J]. Ship Science and Technology, 2010, 32(5): 18–23.

[6]劉玉川, 金立明, 王麗榮, 等. 中國船級社有限元直接計算軟件CSR-DSA[J]. 計算機輔助工程, 2010, 19(2): 13–15. LIU Yu-chuan, JIN Li-ming, WANG Li-rong, et al. Direct finite element computation software CSR-DSA of China classification society[J]. Computer Aided Engineering, 2010, 19(2): 13–15.

[7]MSC. PCL and customization for MSC. Patran v9.0[Z]. Beijing: MSC, 2001.

[8]中國船級社. 集裝箱船結構強度直接計算指南(2005)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

Developing of strength assessment system of container ship based on Patran command language

LIU Jun1,2, HUANG Ming3
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, CISSE, Shanghai 200240, China; 3. School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Strength assessments of the hull structure using finite element FE analysis are usually required during design process to ensure the structural safety of the Container Ship. Since allowable stresses are depended on many factors, such as the scope of the FE model, material yield strength, load cases, position of the component and the kind of the stress etc, it is difficult to judge if the stresses level of the structural components meet the strengthen criterion, although the stresses distribution can be displayed with the Postprocessor module of the software. Based on the MSC.Patran, a tool has been developed to calculate the allowable stresses and assessment results, moreover to output the nephogram, three color diagram and report of assessment values with PCL, and it is helpful to obtain the feedback to designer after structure analysis conveniently and rapidly.

container ship；PCL；direct calculation；strength assessment

U 661.4

A

1672 – 7619(2016)11 – 0061 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.012

2016 – 03 – 02；

2016 – 04 – 13

劉俊(1971 – )，女，博士，副教授，從事計算結構力學以及巖土工程數值方法研究。