摘要：以某運輸船艏部艙段結構為例，采用HyperWorks軟件分析其關鍵部位在典型海況下的力學特性。其中，利用二維設計軟件AutoCAD優秀的平面建模功能和前處理器HyperMesh強大的網格劃分技術進行交互化建模，分別采用有限元分析求解器OptiStruct和船舶業界常用的求解器進行準靜態分析，比較分析不同求解器的差別。其計算結果可為改進船體結構設計提供依據。
關鍵詞：艏部艙段；有限元分析； HyperWorks；AutoCAD ; HyperMesh
0 引言
Altair公司研發的HyperWorks系列產品可以解決工程優化及分析問題，已成為飛機、汽車和船舶等領域CAE應用的利器之一，得到了工業界的認可。其中的有限元前處理模塊HyperMesh網格劃分功能強大，并與主流CAD軟件有著良好的接口。結構分析模塊OptiStruct是一款基于有限元法的結構設計優化軟件，可用于線性靜態分析、模態分析、慣性釋放、頻率響應分析和屈曲分析，涵蓋了船舶結構CAE技術應用的多個方面[1]。
船體結構有限元分析是新船型開發中的主要內容之一，由于在實際的工程中，船體結構復雜，載荷形式多樣，運用簡單的經驗公式和理論計算方法已無法滿足設計要求，工程師在設計初期需要對船體結構剛度、強度和振動等力學特性有充分的認識，盡可能避免設計缺陷，因此，有必要采用有限元分析方法驗證設計方案是否滿足使用要求，提高船體結構的可靠性和安全性。
本文以某運輸船的艏部艙段結構分析為例，利用HyperWorks強大的前后處理和結構分析功能，對其進行準靜態分析，研究幾何處理、有限元建模、載荷加載等關鍵技術，為類似復雜的船體結構分析提供一種新的思路和方法。
1 艏部艙段有限元模型
1.1 AutoCAD與HyperMesh的無縫連接
針對船舶獨特的流線型和結構復雜的特點，AutoCAD作為一款優秀的平面建模軟件，具有非常強的繪圖能力，被廣泛地用于船體制圖。目前，船舶行業常用的大型商業結構分析軟件尚未很好的解決軟件與AutoCAD的接口問題，并且對于復雜的船體結構建模和修改較為繁瑣。而運用HyperMesh可以解決該技術難題，從而真正地實現了AutoCAD繪圖軟件和有限元軟件兩種不同圖形軟件之間的無縫連接，采用該方法省卻了在前處理中輸入大量船舶型值數據的工作，極大地提高了有限元前處理效率。
采用AutoCAD軟件繪制的肋骨型線圖，包含了船體肋骨型線形狀、甲板、平臺和外板縱向構件布置位置等信息。在應用時需進行適當簡化，取艏部艙段區域的肋骨型線、外板縱骨線、甲板和平臺線，刪除與計算無關的標注、水線和板縫等信息，并保證線條的連續和光順。
經過簡化處理后，將AutoCAD文件以.dxf格式導入至HyperMesh中，所有型線信息均保存完整，與AutoCAD完全一致。由于導入的模型為平面模型，尚需通過平移、投影等功能將其生成三維幾何模型，在HyperMesh中可以輕松實現幾何模型的轉換[2]。
建立幾何模型的具體過程如下：
第一步：導入AutoCAD平面模型
File>import>Geometry，選擇要導入的文件類型為DXF，點擊import。
第二步：創建肋骨型線
Tool>translate>lines，選擇平移的方向和距離，點擊translate+。
第三步：創建外板曲面
Geom>surfaces>line list，依次選擇肋骨型線，點擊create。
第四步：創建外板縱骨
Tool> project>to surface，選擇肋骨型線和外板曲面，沿船長方向，點擊project。
第五步：創建甲板、平臺
方法同第四步。
由此，完成幾何模型的建立，示意圖如圖1所示。
1.2 HyperMesh網格劃分
HyperMesh網格劃分功能非常強大，可以采用自適應自動網格劃分和手工劃分相結合的方法快速建立高質量的單元網格。網格劃分是有限元前處理的主要工作，因此，網格質量的優劣直接影響到有限元分析結果的準確性。
本文選取艏部三個整艙作為分析對象，該艙段結構的主要板材結構，如甲板板、內底板、外底板、舷側板、艙壁、平臺以及強框架結構、縱桁和艙口圍板等，均使用板殼單元，應盡可能避免三節點的板殼單元，特別是在高應力區域和開孔周圍、肘板連接處等應力變化梯度大的區域；骨材、T型材面板和加強筋等則使用梁單元，并考慮偏心的影響，其中，球扁鋼由等效角鋼代替。
在有限元模型中，對艏部艙段結構進行了適當的簡化，忽略了局部小開口。最大網格尺寸，船寬方向以1/2縱骨間距為基準，船長方向以1/2肋距為基準，局部進行細化。在形狀較為復雜、應力變化梯度較大的部位、應力集中區域，如大開口艙口角隅處，為了較好地反映數據變化規律，需要采用比較密集的網格；而在結構相對簡單、變形不大，應力變化梯度較小的部位，如主橫艙壁，為減小模型規模，應劃分相對稀疏的網格。經過這樣處理，即保證了網格劃分的準確性，又提高了分析效率。
在建立模型之后，利用check elems面板檢查單元的連續性、重復性和網格質量。對于板殼單元，需檢查內角、長寬比、扭曲角、翹曲度、弦高比和雅可比[3]。以雅克比為例，四節點板殼單元的雅可比小于0.85的單元數僅為總單元數的4%，單元質量良好。雅克比分布如圖2所示。
第一步：創建板殼單元
2D>automesh/spline/skin創建板殼單元。
第二步：創建梁單元
Properties>HyperBeam，選中standard section，定義剖面類型和尺寸；
1D>line mesh，單元類型為bar2，定義梁單元的偏置方向，在offsets中輸入偏置距離。
第三步：創建整個模型
Tool>reflect，選中所有單元并復制，在中線面上指定一個基點，點擊reflect。
第四步：檢查單元連續性
Tool>edges，設定容差，重合相關節點。
第五步：檢查單元質量
Tool>check elms，分別采用1-d和2-d檢查梁單元和板殼單元的質量和重復單元。
第六步：調整單元質量
F6>cleanup，紅色為不合格，黃色為警告，直接拖拽節點調整單元質量。
艏部艙段結構有限元模型如圖3所示。該模型共有127235個單元，83662個節點。
2.1載荷和約束
船舶在航行中分別承受著靜水浮力、波浪壓力、設備貨物載荷和慣性載荷等作用力。該船由于艏部大外飄等因素引起的砰擊現象較為嚴重，因此，在船體艙段有限元分析中，必須考慮總縱外載荷和砰擊載荷的聯合作用，對艙段兩端剖面施加靜水彎矩、波浪彎矩和砰擊振動彎矩，使得中艙段承受實際的波浪載荷作用。載荷作用點應選擇在兩端剖面的形心處，通過在兩端剖面建立MPC，定義剛性面和獨立點，將端面彎矩和位移約束均施加在MPC的獨立點上。邊界條件施加表如表1所示。
第一步：創建RBE2型MPC
1D>rigids，端面形心為獨立點，模型兩端的縱向構件節點為非獨立點，按照表1要求，選中自由度dof1、dof3、dof5和dof6。
第二步：創建位移約束
Analysis>constraints，約束節點為獨立點，按表1要求，選中自由度。
第三步：創建靜水彎矩、波浪彎矩和砰擊振動彎矩
Analysis>moments，作用節點為獨立點，作用方向為船寬方向，輸入彎矩值。
第四步：創建靜水浮力和水動壓力
Analysis>pressures，選中equation，定義載荷方程。
第五步：創建設備貨物載荷
1D>rigids，設備貨物重心為獨立點，基座面板為非獨立點；
Analysis>forces，定義方向和載荷大小。
第六步：創建慣性載荷
新建Load Collector，在Card image中選中GRAV，進入卡片設置，輸入載荷參數。
2.2 OptiStruct計算與分析
由于該船后端橫截面處的中垂波浪彎矩大于中拱波浪彎矩，且砰擊振動中垂彎矩為砰擊振動中拱彎矩的3倍，可知，中垂狀態為最危險工況，計算中選取中垂狀態為計算工況，將HyperMesh建立的有限元模型導入至求解器OptiStruct進行計算，采用后處理器HyperView查看艏部艙段的應力和變形。計算結果如圖4~圖5所示。
計算結果表明：艏部艙段結構的最大Von Mises應力值為258MPa，最大變形量為11mm，滿足規范要求，結構設計合理。高應力值主要集中出現在艙庫縱艙壁與主橫艙壁、主甲板的交接處。經分析可知，由于艙庫縱艙壁直接終止于主橫艙壁，而主橫艙壁尾側受到艙室空間的限制，無法設置垂向扶強材，從而致使剖面模數突變，艙庫縱艙壁上端與甲板縱桁相連接的單元應力值最高。為減小該處結構的應力水平，可采取增加垂向扶強材和板厚的加強措施。
2.3 行業通用求解器計算與分析
使用船舶業界常用有限元分析軟件進行船體結構性能評估。在HyperMesh中，直接定義其分析控制參數，生成求解器輸入文件，再調用求解器進行結構靜力分析，查看艏部艙段的應力和變形。計算結果如圖6~圖7所示。
通過以上兩種不同軟件進行有限元計算，比較分析兩者的區別。可得到如下結論：采用OptiStruct和行業通用軟件兩種求解器進行艏部艙段結構線性靜力分析得到的應力和變形的大小、分布規律基本相同，計算時間無太大差別，主要區別體現在建模效率上。由于HyperMesh可以直接導入AutoCAD繪制的平面模型，避免了建模中的差錯和修改，簡略了建模的時間和精力，使整個建模效率大為提高，可見，HyperMesh具有極為明顯的優勢。
3 結論
（1）采用HyperWorks軟件對船舶艏部艙段的結構強度和變形進行仿真分析，得到了艏部結構應力和變形分布，較為真實地反映了船體的實際受力情況，其分析結果可用于指導船體結構設計。
（2）Altair HyperWorks為船舶行業提供了一個完整的、功能強大的、創新的、架構開放的CAE技術平臺，幫助船舶工程師對船體結構進行仿真分析和創新設計，提高產品的可靠性，縮短開發周期，大大提高了設計效率。
（3）HyperMesh作為一款針對有限元主流求解器的高性能前后處理軟件，提供了交互化建模功能和CAD/CAE軟件接口，尤其適合于結構復雜的船舶有限元網格劃分。
4 參考文獻
[1]張勝蘭，鄭東黎，郝琪等.基于HyperWorks的結構優化設計技術 [M].北京：機械工業出版，2008.
[2]方海挺，顧沖時.AutoCAD和有限元軟件的聯合建模及計算 [J].水利與建筑工程學報,2005,3(3).
[3]于開平，周傳月，譚惠豐等.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學出版社，2005.
關鍵詞：艏部艙段；有限元分析； HyperWorks；AutoCAD ; HyperMesh
0 引言
Altair公司研發的HyperWorks系列產品可以解決工程優化及分析問題，已成為飛機、汽車和船舶等領域CAE應用的利器之一，得到了工業界的認可。其中的有限元前處理模塊HyperMesh網格劃分功能強大，并與主流CAD軟件有著良好的接口。結構分析模塊OptiStruct是一款基于有限元法的結構設計優化軟件，可用于線性靜態分析、模態分析、慣性釋放、頻率響應分析和屈曲分析，涵蓋了船舶結構CAE技術應用的多個方面[1]。
船體結構有限元分析是新船型開發中的主要內容之一，由于在實際的工程中，船體結構復雜，載荷形式多樣，運用簡單的經驗公式和理論計算方法已無法滿足設計要求，工程師在設計初期需要對船體結構剛度、強度和振動等力學特性有充分的認識，盡可能避免設計缺陷，因此，有必要采用有限元分析方法驗證設計方案是否滿足使用要求，提高船體結構的可靠性和安全性。
本文以某運輸船的艏部艙段結構分析為例，利用HyperWorks強大的前后處理和結構分析功能，對其進行準靜態分析，研究幾何處理、有限元建模、載荷加載等關鍵技術，為類似復雜的船體結構分析提供一種新的思路和方法。
1 艏部艙段有限元模型
1.1 AutoCAD與HyperMesh的無縫連接
針對船舶獨特的流線型和結構復雜的特點，AutoCAD作為一款優秀的平面建模軟件，具有非常強的繪圖能力，被廣泛地用于船體制圖。目前，船舶行業常用的大型商業結構分析軟件尚未很好的解決軟件與AutoCAD的接口問題，并且對于復雜的船體結構建模和修改較為繁瑣。而運用HyperMesh可以解決該技術難題，從而真正地實現了AutoCAD繪圖軟件和有限元軟件兩種不同圖形軟件之間的無縫連接，采用該方法省卻了在前處理中輸入大量船舶型值數據的工作，極大地提高了有限元前處理效率。
采用AutoCAD軟件繪制的肋骨型線圖，包含了船體肋骨型線形狀、甲板、平臺和外板縱向構件布置位置等信息。在應用時需進行適當簡化，取艏部艙段區域的肋骨型線、外板縱骨線、甲板和平臺線，刪除與計算無關的標注、水線和板縫等信息，并保證線條的連續和光順。
經過簡化處理后，將AutoCAD文件以.dxf格式導入至HyperMesh中，所有型線信息均保存完整，與AutoCAD完全一致。由于導入的模型為平面模型，尚需通過平移、投影等功能將其生成三維幾何模型，在HyperMesh中可以輕松實現幾何模型的轉換[2]。
建立幾何模型的具體過程如下：
第一步：導入AutoCAD平面模型
File>import>Geometry，選擇要導入的文件類型為DXF，點擊import。
第二步：創建肋骨型線
Tool>translate>lines，選擇平移的方向和距離，點擊translate+。
第三步：創建外板曲面
Geom>surfaces>line list，依次選擇肋骨型線，點擊create。
第四步：創建外板縱骨
Tool> project>to surface，選擇肋骨型線和外板曲面，沿船長方向，點擊project。
第五步：創建甲板、平臺
方法同第四步。
由此，完成幾何模型的建立，示意圖如圖1所示。
圖1 幾何模型示意圖
1.2 HyperMesh網格劃分
HyperMesh網格劃分功能非常強大，可以采用自適應自動網格劃分和手工劃分相結合的方法快速建立高質量的單元網格。網格劃分是有限元前處理的主要工作，因此，網格質量的優劣直接影響到有限元分析結果的準確性。
本文選取艏部三個整艙作為分析對象，該艙段結構的主要板材結構，如甲板板、內底板、外底板、舷側板、艙壁、平臺以及強框架結構、縱桁和艙口圍板等，均使用板殼單元，應盡可能避免三節點的板殼單元，特別是在高應力區域和開孔周圍、肘板連接處等應力變化梯度大的區域；骨材、T型材面板和加強筋等則使用梁單元，并考慮偏心的影響，其中，球扁鋼由等效角鋼代替。
在有限元模型中，對艏部艙段結構進行了適當的簡化，忽略了局部小開口。最大網格尺寸，船寬方向以1/2縱骨間距為基準，船長方向以1/2肋距為基準，局部進行細化。在形狀較為復雜、應力變化梯度較大的部位、應力集中區域，如大開口艙口角隅處，為了較好地反映數據變化規律，需要采用比較密集的網格；而在結構相對簡單、變形不大，應力變化梯度較小的部位，如主橫艙壁，為減小模型規模，應劃分相對稀疏的網格。經過這樣處理，即保證了網格劃分的準確性，又提高了分析效率。
在建立模型之后，利用check elems面板檢查單元的連續性、重復性和網格質量。對于板殼單元，需檢查內角、長寬比、扭曲角、翹曲度、弦高比和雅可比[3]。以雅克比為例，四節點板殼單元的雅可比小于0.85的單元數僅為總單元數的4%，單元質量良好。雅克比分布如圖2所示。
圖2 板殼單元的雅克比分布
第一步：創建板殼單元
2D>automesh/spline/skin創建板殼單元。
第二步：創建梁單元
Properties>HyperBeam，選中standard section，定義剖面類型和尺寸；
1D>line mesh，單元類型為bar2，定義梁單元的偏置方向，在offsets中輸入偏置距離。
第三步：創建整個模型
Tool>reflect，選中所有單元并復制，在中線面上指定一個基點，點擊reflect。
第四步：檢查單元連續性
Tool>edges，設定容差，重合相關節點。
第五步：檢查單元質量
Tool>check elms，分別采用1-d和2-d檢查梁單元和板殼單元的質量和重復單元。
第六步：調整單元質量
F6>cleanup，紅色為不合格，黃色為警告，直接拖拽節點調整單元質量。
艏部艙段結構有限元模型如圖3所示。該模型共有127235個單元，83662個節點。
圖3 艏部艙段結構有限元模型
2.1載荷和約束
船舶在航行中分別承受著靜水浮力、波浪壓力、設備貨物載荷和慣性載荷等作用力。該船由于艏部大外飄等因素引起的砰擊現象較為嚴重，因此，在船體艙段有限元分析中，必須考慮總縱外載荷和砰擊載荷的聯合作用，對艙段兩端剖面施加靜水彎矩、波浪彎矩和砰擊振動彎矩，使得中艙段承受實際的波浪載荷作用。載荷作用點應選擇在兩端剖面的形心處，通過在兩端剖面建立MPC，定義剛性面和獨立點，將端面彎矩和位移約束均施加在MPC的獨立點上。邊界條件施加表如表1所示。
表1 邊界條件施加表
第一步：創建RBE2型MPC
1D>rigids，端面形心為獨立點，模型兩端的縱向構件節點為非獨立點，按照表1要求，選中自由度dof1、dof3、dof5和dof6。
第二步：創建位移約束
Analysis>constraints，約束節點為獨立點，按表1要求，選中自由度。
第三步：創建靜水彎矩、波浪彎矩和砰擊振動彎矩
Analysis>moments，作用節點為獨立點，作用方向為船寬方向，輸入彎矩值。
第四步：創建靜水浮力和水動壓力
Analysis>pressures，選中equation，定義載荷方程。
第五步：創建設備貨物載荷
1D>rigids，設備貨物重心為獨立點，基座面板為非獨立點；
Analysis>forces，定義方向和載荷大小。
第六步：創建慣性載荷
新建Load Collector，在Card image中選中GRAV，進入卡片設置，輸入載荷參數。
2.2 OptiStruct計算與分析
由于該船后端橫截面處的中垂波浪彎矩大于中拱波浪彎矩，且砰擊振動中垂彎矩為砰擊振動中拱彎矩的3倍，可知，中垂狀態為最危險工況，計算中選取中垂狀態為計算工況，將HyperMesh建立的有限元模型導入至求解器OptiStruct進行計算，采用后處理器HyperView查看艏部艙段的應力和變形。計算結果如圖4~圖5所示。
圖4 Von Mises應力云圖（OptiStruct）
圖4 Von Mises應力云圖（OptiStruct）
計算結果表明：艏部艙段結構的最大Von Mises應力值為258MPa，最大變形量為11mm，滿足規范要求，結構設計合理。高應力值主要集中出現在艙庫縱艙壁與主橫艙壁、主甲板的交接處。經分析可知，由于艙庫縱艙壁直接終止于主橫艙壁，而主橫艙壁尾側受到艙室空間的限制，無法設置垂向扶強材，從而致使剖面模數突變，艙庫縱艙壁上端與甲板縱桁相連接的單元應力值最高。為減小該處結構的應力水平，可采取增加垂向扶強材和板厚的加強措施。
2.3 行業通用求解器計算與分析
使用船舶業界常用有限元分析軟件進行船體結構性能評估。在HyperMesh中，直接定義其分析控制參數，生成求解器輸入文件，再調用求解器進行結構靜力分析，查看艏部艙段的應力和變形。計算結果如圖6~圖7所示。
圖6 Von Mises應力云圖
圖7 變形云圖
通過以上兩種不同軟件進行有限元計算，比較分析兩者的區別。可得到如下結論：采用OptiStruct和行業通用軟件兩種求解器進行艏部艙段結構線性靜力分析得到的應力和變形的大小、分布規律基本相同，計算時間無太大差別，主要區別體現在建模效率上。由于HyperMesh可以直接導入AutoCAD繪制的平面模型，避免了建模中的差錯和修改，簡略了建模的時間和精力，使整個建模效率大為提高，可見，HyperMesh具有極為明顯的優勢。
3 結論
（1）采用HyperWorks軟件對船舶艏部艙段的結構強度和變形進行仿真分析，得到了艏部結構應力和變形分布，較為真實地反映了船體的實際受力情況，其分析結果可用于指導船體結構設計。
（2）Altair HyperWorks為船舶行業提供了一個完整的、功能強大的、創新的、架構開放的CAE技術平臺，幫助船舶工程師對船體結構進行仿真分析和創新設計，提高產品的可靠性，縮短開發周期，大大提高了設計效率。
（3）HyperMesh作為一款針對有限元主流求解器的高性能前后處理軟件，提供了交互化建模功能和CAD/CAE軟件接口，尤其適合于結構復雜的船舶有限元網格劃分。
4 參考文獻
[1]張勝蘭，鄭東黎，郝琪等.基于HyperWorks的結構優化設計技術 [M].北京：機械工業出版，2008.
[2]方海挺，顧沖時.AutoCAD和有限元軟件的聯合建模及計算 [J].水利與建筑工程學報,2005,3(3).
[3]于開平，周傳月，譚惠豐等.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學出版社，2005.
浙公網安備: 33028102000314號