惯性释放在直接计算船体结构强度中的应用分析

惯性释放在直接计算船体结构强度中的应用分析
作者：李冠华
来源：《科学与信息化》2019年第12期
摘要文章在阐述惯性释放内涵的基础上，以某大型海洋平台组块全船模型直接计算为例，在有限元分析模型的依托下就惯性释放在船体结构强度计算中的应用问题进行分析，旨在能够更好地确保船体的运行安全。

关键词船体结构；强度；惯性释放；计算应用
航行中的船舶结构一般处于一种全自由的状态，变形状态十分复杂，且如果结构是弯曲的，需要在两端和轴周围地区增加类似简支的约束比较合理，但是结构如果是扭转变形，则是需要在端面的剪力周围采取措施进行约束处理。

但是自由航行的船舶不能够应用有限元静力方法进行分析，也无法为相关人员评估船舶的航行情况提供重要参考支持。

在船舶结构直接计算中，外载荷、货物压力、摇晃荷载、波浪弯矩、扭矩、剪力的计算都依赖相关经验公式，在具体计算操作中往往无法得到一个平衡的外载荷力系。

针对这个问题需要相关人员结合船体结构类型，应用一种不受约束限制的静力分析方法（惯性释放）来计算船体结构强度，进而为船舶的稳定运行提供重要支持。

1 惯性释放概述
惯性释放概括的说是借助结构的惯性（质量）力来平衡外力，采用惯性释放功能进行静力分析时，需要对一个或多个节点进行6个自由度的约束（虚支座）。

从实际使用情况来看，惯性释放是MSC的一种高级选项设置，在具体使用的过程中能够模拟非约束系统静态响应操作。

在设计这道程序的时候需要在外力作用下对每一个节点进行加速度处理，之后将加速度之后的力量转变为一种惯性力量，施加到对应的节点上，打造一个平衡力学体系，之后通过应用相应的计算方法会获得描述点相对于支座来将运动的范围[1]。

在船体结构计算中引入惯性释放的方式能够在一定程度上减少支座、约束点反作用力对变形和应力基本形态的影响，并使得端面剪力被计算到相应的模型中，从而帮助相关人员更好的评估和分析船舶结构。

零部件的内部结构设计复杂，惯性释放以其直观的界面能够让人们更好地了解零部件的内部结构，具体操作表现如下：在应有惯性释放方法的时候能够充分明确SUPORT的位置，并在相应的参数中设置INREL-1；第二种方法比较适合应用在软件供应商，能够让MSC和NASTRAM自动旋转SUPORT的位置。

2 船体结构强度的直接计算
2.1 有限元模型
有限元分析方式主要是将船体的各个结构看作是一个统一的模型，在该模型的作用下来对船体的整体结构进行分析。

在对船体结构进行分析的过程中，船体结构各点的使用数量往往会受到限制，这些被限制的点被称作是结构分析有限元。

在船舶结构的直接计算中，外荷载的计算依赖于以往的公式，因而不管是应用全船的计算模型还是应用船舱阶段的计算模型都很难达到平衡的荷载力系，在船舶复杂空间结构的作用下所涉及的有限元模型比较复杂，单位空间计算庞大，为此，在计算分析的时候需要采取有效方式来控制荷载的计算误差，设定科学合理的边界条件。

在具体操作中将应用总体物力模型得到的方程在满足要求的点上进行应用，之后会出现一个使用线性方程组解答的计算模型。

采用直接计算方式分析船体强度结构的时候需要充分参考有限元的结果信息。

有限元分析模型包含整体模型和部分模型两种类型。

2.2 模型建立要素
模型的建立需要加强对船体工况、使用满载和压载情况的计算，另外，还需要考虑船体顶推形态条件，结合船舶的运行情况选取相对应的荷载计算方式。

计算模型在打造的时候不仅要控制好模型和外力均衡协调关系，还需要在惯性释放作用下应用有限元计算方式来或其去船体的应力[2]。

3 惯性释放在船体结构强度直接计算中的具体应用
3.1 某观光潜艇惯性释放计算
观光潜艇耐压壳体及其观察窗在都会受到外力挤压，在忽略重力、水深、水压的变坏下，潜艇观光受到的外力会综合形成一个平衡的力系。

某观光潜艇惯性释放计算一般会采取以下两种方式：第一，在开头和结尾两端的肋骨位置上，以圆柱壳上的节点打造一个多点约束单元——MPC。

第二，惯性释放。

在不额外施加边界条件的情况下，虚支座一般会在中间肋骨的最低点上。

通过这两种方式得到的耐压壳体板单元形心在中心的位置上，在比较分析这两种结果会发现耐压壳体的最大应力分布相同，但是位移结果不同。

3.2 推船全船结构强度直接计算
通过打造三维化的立体有限元分析模型来计算出船体结构所包含的各个零件类型，有限元分析模型建构过程中所包含的内容如下所示：第一，板壳单元。

在板壳单元的作用下对船体外壳板、甲板、平台等进行模拟。

在具体实践操作中，板壳单元大多采用的是四边形单元，且在连接或者变化较大的时候会应用三角形单元进行过渡处理。

第二，梁单元。

梁单元模拟腹板高度是比250mm要小的骨材。

第三，质量点单元。

板单元大小以纵骨间距为基本标准，边长大小被控制在1：2的范围内。

板结构的开孔如果比单元尺寸小，在具体计算分析的时候可以被忽略。

3.3 荷载和边界条件
荷载边界的计算考虑了重力、顶推力。

其中，采取惯性力的方式来衡量钢材料的重量，加速度为g=9.81m/s2，在操作的时候会以惯性力的方式来增加钢材料的重量。

船体上的其他设备、施工人员、栏杆、管线等在使用的时候被基本判断为船体运行所需要的一种基本作用力，在使用的过程中要能够承载整个船只甲板的荷载重量。

根据波面的形状，以静水压力的方式来增加船只额外的中作用力，并通过模拟操作来使得试验结果更加趋近于顶推力载荷系数，由此得到三个方向的顶推力数值。

在模型的打造中，会根据两边舷侧外板的开孔大小来打造独立的节点，且节点和独立点刚性存在密切关联，在具体操作中可以将峰值大小以集中力的形式来安排在独立节点上[3]。

3.4 计算工况分析
考虑推船在静水、中拱波浪、中垂波浪舷外水条件、船舶自航和顶推状态，对以下几种工况类型进行计算，具体如表一所示。

3.5 计算结果分析
在计算分析的过程中除了要计算出时间的长短，还需要检查类似支座的周围应力是否出现了异常的情况下，通过全面的分析来了解推船在全自由状态的应力分布。

经过惯性释放得到的位移代表了自由状态下各个节点和虚支座的位移，且支座位移选取位置的不同最终所能够得到的位移结果也是不同的，但是从总体上不会影响应力的计算结果。

在进行船体结构强度计算的时候相关人员往往会观察应力的状态变化，而如果应力在船舶行业的过程中会随着波浪的变动发生变动，那么位移结果的计算最终将不具备现实研究意义[4]。

4 结束语
综上所述，惯性释放是用结构的惯性或者质量来平衡外力的操作，惯性释放在船舶结构强度直接计算分析中有着十分重要的作用，通过应用惯性释放能够有效评估和分析船舶的强度。

从实际应用情况来看，惯性释放的应用能够在一定程度上消除边界条件对应力计算结果的不利影响。

同时实现对全船有限元分析的自动调整和平衡，使得船舶结构符合实际应力状态的要求。

参考文献
[1] 吴仲华.惯性释放原理在船体结构设计中的应用[J].舰船科学技术，2016，（6）：1-3.
[2] 刘锐.海上过驳平台关键结构强度及振动特性研究[D].镇江：江苏科技大学，2016.
[3] 谭慧娟，宋健，丁宇翔.80m趸船结构强度有限元分析[J].江苏船舶，2016，33（1）：9-12.
[4] 陈攀.散货船锚机基座及支撑船体结构强度计算分析[J].船舶与海洋工程，2016，32（5）：55-60.。