ABAQUS在船舶海洋工程中的应用

ABAQUS是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件，其在船舶海工方面有着广泛的应用。

以下是ABAQUS在船舶海工方向的几点应用。

1. 船体及船载设备结构强度分析
船舶的总体强度分析在船舶的设计中是首先需要考虑的问题。

对于船舶在海上航行时遭受到的风浪载荷的抵抗能力，也是船舶在设计时需要考虑的重要因素之一。

船的结构庞大，往往是计算模拟的难点所在。

非线性有限元分析软件ABAQUS进行船体及船载设备的强度分析。

其中ABAQUS/Standard是一个通用的分析模块，它能够求解广泛的线性和非线性问题，包括结构的静态、动态、热和电响应等。

对于通常同时发生作用的几何、材料和接触非线性问题，能够采用自动控制技术处理。

此外，软件针对海洋平台分析还专门开发了模块Aqua，它包括海洋平台和立管分析，J管道拉伸模拟，基座弯曲计算和漂浮结构研究等。

稳态水流和波浪效果模拟可以实现对结构施加拉、漂浮和流体惯性加载，对于在流体表面以上的结构还可以实现风力加载。

下图是对某型舰艇进行强度分析的结果，实际计算中分别考虑了在6 级和9 级海况下船舶的抗风浪能力。

2. 舰船及其零部件模态分析
船舶的频率分析对于船舶设计来讲十分重要，在设计中一定要使得船舶的设计频率能避开船舶行驶环境中常遇到的风浪载荷的频率。

在进行船舶频率分析中存在两个难点：1）船舶的结构大，单元很多，导致求解时间很长；2）由于水的作用，导致频率的大小有偏移，从而湿模态分析就显得非常重要。

对于这两个难点，有限元在线都提供了相应的解决方案。

利用AMS（Automated Multilevel Substructure）求解器，可以解决大模型的模态提取问题。

大型结构由于零件众多，各个部件之间的接触、摩擦、过盈装配等工况都对频率有影响。

利用ABAQUS杰出的接触求解能力以及其它非线性求解能力，使得真实模拟大型结构的频率成为可能。

对于船舶湿模态提取问题，传统的方法是把附着水的质量作为附加质量点加在船体模型上进行计算，这样一来工作量较大，需要把各站的重量手工加上去，同时不能考虑水和船体的相互作用。

针对这一问题，我们可以利用声学单元来解决，利用该单元可以模拟周围水的重量、压力以及船体湿表面和附着水的粘着作用。

下图是对某型号的舰船进行湿模态分析的结果，与设计值吻合较好。

3. 爆炸载荷下的响应
军用船舶，在设计的时候就需要考虑船体以及船载的各种设备承受爆炸载荷作用下的生存能力。

舰船受到直接爆炸载荷的作用而损坏的现象已经被研究得很多了，越来越多的发现，在海战中舰船由于非接触水下爆炸而受到的破坏占到的比重越来越大。

这些非接触的爆破在空气中可能不会带来很大的影响，但由于水在爆炸中能传播很大的力，它们被证明在水下会给结构带来更大的灾害。

实船的实验耗资巨大，且由于是瞬态实验很多现象不易发觉，故而数值计算在水下爆炸（UNDEX）的分析中能起到重要的作用。

利用ABAQUS的UNDEX分析功能能够很好得解决这一问题。

UNDEX是基于连续介质力学的水下爆炸模拟功能，
下图是对某加筋结构进行的水下爆炸分析，通过对甲板中心加速度的监测和试验值对比，对结构进行优化设计，改进后的设计能起到很好的抗冲击作用。

水面舰船和水下潜艇两者受到的水下爆炸冲击，其响应是不同的。

由于水的自由表面，水面舰船存在压力波的自由表面反射和折射现象。

而水下的潜艇则由于受到水压的作用，在爆炸载荷到来之前，艇身就已经在水压的作用下有变形和应力，预应力的存在对结构承受爆炸载荷的响应有着很重要的影响。

而深水潜艇则可能同时还受到二次应力波作用（爆炸产生的应力波在海底反射，反射的应力波对潜艇进行二次打击），这样海底土壤的模型在某些情况下也需要进行模拟，下图是水面舰艇和深水潜艇模型的示意图。

利用Standard和Explicit求解器，前一个求解器求解艇受到水压作用的变形和应力分布。

后一个求解器计算水下爆炸冲击载荷对艇的冲击作用，两个求解器源码一致，数据无缝结合，是目前求解这类问题的最佳选择。

左图是某型号的潜艇在水下110 米处受到8 米远处的爆炸载荷的冲击作用下的响应问题。

通过对耐压壳上加速度和应力分布情况进行监测，可以对设计方
案进行修改，以获得最佳的设计。

图中显示潜艇模型耐压壳受静压（海水压力）和在此情况下冲击2 毫秒时的应力分布。

4. 电子设备热分析
舰船电子设备的热问题也是经常需要考虑的因素，直接影响系统的稳定运行。

通常包括如下一些热分析：稳态热传导、瞬态热传导、对流散热分析、热辐射分析、热应力分析、绝热分析、热接触分析、摩擦生热分析、热疲劳分析、完全热固耦合分析、顺序热固耦合分析、热电耦合分析，以及在电子领域的湿气分析等。

对于这些分析，多数可以直接在ABAQUS软件中选择相应分析类型进行设置并计算，对于部分分析，可以利用软件提供的二次开发子程序接口，根据实际需要设定求解参量。

5. 船舶结构搁浅损伤分析
船舶在运营时，可能会发生搁浅现象。

通过对船舶结构进行搁浅分析，可对船舶的损伤程度及损伤最可能发生的部位进行评估。

利用ABAQUS的显式动力学模块可以很好得模拟这一现象：采用板单元模拟船的外壳；梁单元模拟隔框和桁条等模型；用刚体模型来模拟锥形或者钝头的岩石；利用接触对模型，在岩石和船体的蒙皮之间定义接触对。

下图是对长104.2米、重22700吨的船进行搁浅分析的结果，模拟结果和实际情况对比，两者符合的较好。

6. 动力传动系统
船用动力系统可以在如下方面进行分析，曲柄连杆机构：连杆强度分析、曲轴孔扭曲的分析、连杆系统机构分析等；进排气系统：排气歧管裂纹分析、复合材料进气歧管强度分析、消声器的声固耦合分析等；机体系统：机体模态分析、发动机缸盖热分析、缸体缸盖热分析、缸体及轴承盖装配体应力分析、缸盖的噪声分析、发动机的密封分析等。

利用ANSA和ABAQUS 对于上述问题都能得到很好的解决，下图是某型船用柴油机曲轴通过加热、过盈装配、冷却、自重变形等过程后的整体变形图以及塑性分布图。