基于ANSYS的玻璃鋼快艇結(jié)構(gòu)強度分析技術(shù)

王宇峰，周玉龍

(江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

如今對于快艇的速度和艇型尺度的需求越來越大，越來越多的新興材料應(yīng)用于快艇，新型快艇的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)受力條件也復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的強度校核方法很難適用于這類新型的快艇。目前有限元方法在鋼質(zhì)快艇的強度校核計算上已經(jīng)取得了成功，因此采用有限元方法來校核新型的快艇結(jié)構(gòu)強度是切實可行的。

結(jié)構(gòu)強度有限元分析過程主要包括前處理和后處理。在用有限元軟件進行船舶結(jié)構(gòu)強度有限元分析時，建模及數(shù)據(jù)的輸入將耗費工作人員大部分的時間和精力［1］，所以人們提出了參數(shù)化建模的思想。然而，目前還未出現(xiàn)玻璃鋼快艇結(jié)構(gòu)的專門的參數(shù)化有限元軟件，針對這一現(xiàn)狀本文開展這方面研究工作。

1 玻璃鋼快艇的艇體結(jié)構(gòu)特點

在考慮快艇結(jié)構(gòu)形式時，一方面要考慮艇體尺度大小，另一方面需要區(qū)分航速和主要用途［2］。本文所針對的玻璃鋼快艇是艇長在15～25 m左右的玻璃鋼滑行艇。艇底采用曲面層合板縱骨架式結(jié)構(gòu);舷側(cè)板架有兩種形式，一種為曲面層合板全肋骨形式，主要是用在艇體機艙區(qū)，另外一種為夾芯舷側(cè)板半肋骨形式，主要用在居住艙區(qū);甲板板架有三種形式:(1)甲板板為夾芯結(jié)構(gòu)，無縱骨和橫梁。(2)甲板板為夾芯結(jié)構(gòu)，有縱骨和橫梁。(3)甲板板為層合板，有縱骨和橫梁。此外，在艇體的舭部折角線處還有玻璃鋼快艇特有的壓浪板塊結(jié)構(gòu)和在甲板邊線處的三角板塊結(jié)構(gòu)和梯形舷墻結(jié)構(gòu)。

在采用玻璃鋼制作艇體的骨架梁材時，由于玻璃鋼材料彈性模量低，一般采用閉合式截面，主要采取具有彎曲和軸向壓縮穩(wěn)定性好的矩形、梯形和帽形截面梁。

2 玻璃鋼快艇參數(shù)化建模分析程序

2.1 程序主要組成部分

任何一個完整的結(jié)構(gòu)計算輔助分析系統(tǒng)都要包括前處理、計算和后處理三個主要部分。對于專用于玻璃鋼快艇的結(jié)構(gòu)有限元分析程序(以后稱為Yacht－FEA)也具有以上三大部分。在ANSYS平臺上，利用ANSYS軟件二次開發(fā)語言APDL，開發(fā)玻璃鋼快艇的艇體結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元建模分析軟件，形成高效的快艇艙段結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析流程。

2.2 Yacht-FEA與ANSYS軟件的接口

接口用來完成Yacht－FEA與ANSYS的連接。啟動Yacht-FEA軟件后，首先調(diào)用searchAnsys()函數(shù)來判斷該計算機中是否安裝ANSYS軟件，并決定Yacht－FEA程序是否能夠使用。如果該計算機中安裝了ANSYS軟件則將安裝路徑賦給一個變量，之后，Yacht－FEA將通過Initial()函數(shù)來修改ANSYS的啟動文件，將ANSYS的工作路徑設(shè)在Yacht－EFA的本地路徑中。

ANSYS為用戶提供了一種批處理計算模式，其后臺計算格式為“Ansys100.exe Input Name Out Name”，其中Input Name和Out Name分別為輸入和輸出的文件名。輸入文件即為控制文件，輸出文件用于保存計算結(jié)果。因此Yacht－FEA利用VB.NET中Shell函數(shù)來實現(xiàn)計算程序的調(diào)用和計算文件的提交。分析完成后，Yacht－FEA將會調(diào)用deletAnsysFile()函數(shù)讓用戶決定是否刪除分析過程中產(chǎn)生的一系列文件(文件包括幾何模型、日志文件、錯誤日志等)。

2.3 坐標系建立和編號控制

首先建立坐標系，坐標系如圖3所示，x表示艇體縱向坐標，y表示艇體橫向坐標，z表示艇體垂向坐標，原點在基線上。

對于關(guān)鍵點的編號和控制，關(guān)鍵點編號的個位和十位為橫向方向上型值點號，編號的百位和千位為肋位號，如圖1所示。在關(guān)鍵點的基礎(chǔ)上建立更高級的圖元。同時在生成自動編號的圖元時，用*GET命令標記已生成線和面最大標號，方便后續(xù)點、線和面的選擇。

圖1 關(guān)鍵點編號

對于線的編號控制，在生成肋位線及肋骨相關(guān)型線的命令是使用“spline”命令，該命令無法直接定義線的編號，但是具有一定的規(guī)律性。因此，線編號的控制是根據(jù)線所在肋位用*GET命令來控制的。

2.4 關(guān)鍵點的生成和模型的建立

關(guān)鍵點是根據(jù)游艇的肋位和縱向構(gòu)件交點的坐標生成的。當選中某肋位，輸入(y、z)坐標值，生成關(guān)鍵點如圖2所示(本文算例肋位有18個關(guān)鍵點)。同樣方法生成所有肋位關(guān)鍵點。

在對艇體進行建模時可將艇體的艙段分為艇底板架、舷側(cè)板架和甲板板架。艇底板架的艇底外板為層合結(jié)構(gòu)。艇底的縱骨和肋板為帽形結(jié)構(gòu)，其中每根縱骨在長度方向上變化不大，與縱骨不同肋板在橫向上變化較大，在艇體中心處高度最高逐漸向兩舷遞減。因此，縱骨用梁單元來描述，而肋板用板單元來描述。在艇體舭部的壓浪板塊、甲板邊線處的三角板塊和梯形舷墻對艇體強度有很大的影響，因此在建模時需要體現(xiàn)出來。當艇體的關(guān)鍵點輸入后，用“spline”命令調(diào)用各關(guān)鍵點，建立各個肋位的樣條曲線，由這一系列的樣條曲線以蒙皮的方式生成光滑船底板、舷側(cè)板、甲板板曲面，同時生成縱骨線。

圖2 關(guān)鍵點生成

2.5 梁截面和開孔的處理

玻璃鋼快艇的骨材是帽型結(jié)構(gòu)，在ANSYS中并無6個自由度的復(fù)合材料梁單元，所以需對這種結(jié)構(gòu)進行簡化處理?？紤]到其芯材材料的彈性模量很小，可以簡化其結(jié)構(gòu)。把材料中間的芯材省去，轉(zhuǎn)化后的型材截面積幾何屬性與原帽型截面幾何屬性相同，并編寫截面輸入生成宏程序。

根據(jù)舷側(cè)和甲板開孔的特點采用不同的開孔方法。對于舷側(cè)的開孔，由于開孔比較自由，所以采用布爾運算生成;艇體甲板的開孔主要是開在甲板縱骨和甲板橫梁之間，因此只需在有限元模型劃分好后，將開孔部分的單元刪除。這種方法雖然在實體模型上未對甲板進行開孔，但是，在有限元模型中相當于對甲板進行了開孔，這樣可以減少建模工作量。

2.6 屬性定義及網(wǎng)格劃分

幾何模型僅是描述空間形狀及結(jié)構(gòu)定位，只有在對各種板材、骨材結(jié)構(gòu)的材料屬性進行賦值并劃分網(wǎng)格后才能進行有限元分析。玻璃鋼游艇中使用的材料有兩類:鋪層塑料增強纖維與夾層結(jié)構(gòu)中的芯材。鋪層塑料增強纖維材料屬于正交異性材料，在對該材料屬性進行設(shè)置時需要輸入3個主方向的彈性模量、剪切模量和泊松比。芯材主要是使用PVC材料，屬于各向同性材料。

為了準確地表達玻璃鋼結(jié)構(gòu)性質(zhì)，軟件中需要輸入大量的參數(shù)來建立層合結(jié)構(gòu)模型，其中包括每一層的厚度、材料號和纖維方向(主方向)，因此鋪層設(shè)置的前提是所有的材料參數(shù)已經(jīng)設(shè)定完成。鋪層結(jié)構(gòu)是通過單元實常數(shù)來模擬，所以進行鋪層設(shè)置之前需要選好單元類型，如果結(jié)構(gòu)中帶有夾層還應(yīng)該打開相應(yīng)的單元選項。游艇結(jié)構(gòu)中凡鋪層不一樣的地方都應(yīng)該為其設(shè)定獨立的單元實常數(shù)。函數(shù)sidelayers()用來定義舷側(cè)鋪層的實常數(shù)。

ANSYS有限元網(wǎng)格劃分是進行數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響著后續(xù)數(shù)值計算分析結(jié)果的準確性。本程序通過限定單元邊長的方法實現(xiàn)對單元大小的控制。

2.7 約束與載荷

整個艙段結(jié)構(gòu)相當于1個空間梁，空間梁有6個自由度，即3個位移與3個轉(zhuǎn)角，分別為ux、uy、uz、Rotx、Roty、和 Rotz。它們在總體坐標系 XYZ 下的符號如圖3所示。

圖3 自由度方向

(1)當整個艙段在前后艙壁為自由支持時

在前艙壁處:ux=uy=uz=0

在后艙壁處:uy=uz=0

(2)當整個艙段在前后艙壁處為剛性固定時

在前艙壁處:ux=uy=uz=0

在后艙壁處:uy=uz=0

由于載荷及模型的橫向?qū)ΨQ性，只需要建立半寬模型，所以要在中縱剖面處施加對稱約束。在有限元分析過程中約束可以加在幾何模型上或者有限元模型上，本程序?qū)⒓s束施加在線及關(guān)鍵點上。

3 界面設(shè)計及應(yīng)用實例

使用VB.NET平臺編制圖形界面，實現(xiàn)模型參數(shù)的界面化輸入。應(yīng)用該系統(tǒng)對玻璃鋼快艇艙段強度進行分析，將會大幅度減少工程技術(shù)人員的工作量，提高計算分析的效率。圖4和圖5是Yacht-FEA有限元分析程序的2個主要界面。

圖4 艙段分析界面

圖5 結(jié)構(gòu)描述界面

為驗證Yacht－FEA系統(tǒng)的實用性和可靠性，本文對某玻璃鋼游艇［2］開孔艙段進行結(jié)構(gòu)強度有限元分析。圖6為開孔艙段有限元模型，得到的網(wǎng)格形狀也較為理想。

圖6 開孔艙段有限元模型圖

圖7和圖8為艙段的位移和應(yīng)力圖。應(yīng)力最大處在艙段的中部6號肋位舭部折角線處，最大值為143.7 MPa。算例采用的材料抗彎曲強度為290 MPa。該玻璃鋼快艇是國內(nèi)某游艇公司2008年的產(chǎn)品，經(jīng)過2年多的使用，結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

4 結(jié)語

本文運用ANSYS的參數(shù)化技術(shù)，對玻璃鋼快艇的幾何尺寸、材料屬性、載荷和邊界條件等設(shè)計參數(shù)進行有限元的參數(shù)化建模。同時針對強度分析所關(guān)心的內(nèi)容，在后處理中采用批處理的方法實現(xiàn)一鍵式查看結(jié)果，從而使玻璃鋼艙段的有限元分析更加快捷。該方法不僅克服了常規(guī)有限元分析周期長、程序代碼利用率低的缺點，同時能夠保證程序的可靠性和穩(wěn)定性。

圖7 開孔艙段的變形圖

圖8 開孔艙段的應(yīng)力圖

［1］陳德人.參數(shù)化設(shè)計模型與方法［J］.浙江大學學報(自然科學版)，1995，29(2):170 － 182.

［2］劉雪松，周玉龍.夾層結(jié)構(gòu)玻璃鋼游艇整船結(jié)構(gòu)強度有限元分析［J］.中國艦船研究，2010，(2):45－48.