基于HyperWorks的船舶艏部舱段结构有限元分析

基于HyperWorks的船舶艏部舱段结构有限元分析

基于HyperWorks的船舶艏部舱段

结构有限元分析

周清华冯翰林杜国和

中国舰船研究设计中心湖北武汉430064

摘要：以某运输船艏部舱段结构为例，采用HyperWorks软件分析其关键部位在典型海况下的力学特性。其中，利用二维设计软件AutoCAD优秀的平面建模功能和前处理器HyperMesh强大的网格划分技术进行交互化建模，分别采用有限元分析求解器OptiStruct 和船舶业界常用的求解器进行准静态分析，比较分析不同求解器的差别。其计算结果可为改进船体结构设计提供依据。

关键词：艏部舱段；有限元分析；HyperWorks；AutoCAD ; HyperMesh

0 引言

Altair公司研发的HyperWorks系列产品可以解决工程优化及分析问题，已成为飞机、汽车和船舶等领域CAE应用的利器之一，得到了工业界的认可。其中的有限元前处理模块HyperMesh网格划分功能强大，并与主流CAD软件有着良好的接口。结构分析模块OptiStruct是一款基于有限元法的结构设计优化软件，可用于线性静态分析、模态分析、惯性释放、频率响应分析和屈曲分析，涵盖了船舶结构CAE技术应用的多个方面[1]。

船体结构有限元分析是新船型开发中的主要内容之一，由于在实际的工程中，船体结构复杂，载荷形式多样，运用简单的经验公式和理论计算方法已无法满足设计要求，工程师在设计初期需要对船体结构刚度、强度和振动等力学特性有充分的认识，尽可能避免设计缺陷，因此，有必要采用有限元分析方法验证设计方案是否满足使用要求，提高船体结构的可靠性和安全性。

本文以某运输船的艏部舱段结构分析为例，利用HyperWorks强大的前后处理和结构分析功能，对其进行准静态分析，研究几何处理、有限元建模、载荷加载等关键技术，为类似复杂的船体结构分析提供一种新的思路和方法。

1 艏部舱段有限元模型

1.1 AutoCAD与HyperMesh的无缝连接

针对船舶独特的流线型和结构复杂的特点，AutoCAD作为一款优秀的平面建模软件，具有非常强的绘图能力，被广泛地用于船体制图。目前，船舶行业常用的大型商业结构分析软件尚未很好的解决软件与AutoCAD的接口问题，并且对于复杂的船体结构建模和修改较为繁琐。而运用HyperMesh可以解决该技术难题，从而真正地实现了AutoCAD绘图软件和有限元软件两种不同图形软件之间的无缝连接，采用该方法省却了在前处理中输入大量船舶型值数据的工作，极大地提高了有限元前处理效率。

采用AutoCAD软件绘制的肋骨型线图，包含了船体肋骨型线形状、甲板、平台和外板纵向构件布置位置等信息。在应用时需进行适当简化，取艏部舱段区域的肋骨型线、外板纵骨线、甲板和平台线，删除与计算无关的标注、水线和板缝等信息，并保证线条的连续和光顺。

经过简化处理后，将AutoCAD文件以.dxf格式导入至HyperMesh中，所有型线信息均保存完整，与AutoCAD完全一致。由于导入的模型为平面模型，尚需通过平移、投影等功能将其生成三维几何模型，在HyperMesh中可以轻松实现几何模型的转换[2]。

建立几何模型的具体过程如下：

第一步：导入AutoCAD平面模型

File>Import>Geometry，选择要导入的文件类型为DXF，点击import。

第二步：创建肋骨型线

Tool>translate>lines，选择平移的方向和距离，点击translate+。

第三步：创建外板曲面

Geom>surfaces>line list，依次选择肋骨型线，点击create。

第四步：创建外板纵骨

Tool> project>to surface，选择肋骨型线和外板曲面，沿船长方向，点击project。

第五步：创建甲板、平台

方法同第四步。

由此，完成几何模型的建立，示意图如图1所示。

图1 几何模型示意图

在艏部区域，由于船体甲板并非完全是平面，有时为梁拱曲面、或带昂势的梁拱曲面，且外板纵骨并不一定是完全等间距布置等因素，使得在有限元前处理中直接建立几何模型，非常棘手。而采用联合AutoCAD与HyperMesh各自优势的方法建立艏部舱段几何模型简便许多，该方法特别适合于复杂船体结构，且几何模型质量高，将为下一步划分高质量的网格提供了良好条件。

1.2 HyperMesh网格划分

HyperMesh网格划分功能非常强大，可以采用自适应自动网格划分和手工划分相结合的方法快速建立高质量的单元网格。网格划分是有限元前处理的主要工作，因此，网格质量的优劣直接影响到有限元分析结果的准确性。

本文选取艏部三个整舱作为分析对象，该舱段结构的主要板材结构，如甲板板、内底板、外底板、舷侧板、舱壁、平台以及强框架结构、纵桁和舱口围板等，均使用板壳单元，应尽可能避免三节点的板壳单元，特别是在高应力区域和开孔周围、肘板连接处等应力变化梯度大的区域；骨材、T型材面板和加强筋等则使用梁单元，并考虑偏心的影响，其中，球扁钢由等效角钢代替。

在有限元模型中，对艏部舱段结构进行了适当的简化，忽略了局部小开口。最大网格尺寸，船宽方向以1/2纵骨间距为基准，船长方向以1/2肋距为基准，局部进行细化。在形状较为复杂、应力变化梯度较大的部位、应力集中区域，如大开口舱口角隅处，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格；而在结构相对简单、变形不大，应力变化梯度较小的部位，如主横舱壁，为减小模型规模，应划分相对稀疏的网格。经过这样处理，即保证了网格划分的准确性，又提高了分析效率。

在建立模型之后，利用check elems面板检查单元的连续性、重复性和网格质量。对于板壳单元，需检查内角、长宽比、扭曲角、翘曲度、弦高比和雅可比[3]。以雅克比为例，四节点板壳单元的雅可比小于0.85的单元数仅为总单元数的4%，单元质量良好。雅克比分布如图2所示。

图2板壳单元的雅克比分布