Hyperworks在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實(shí)例分析

常 遠(yuǎn)，羅 丹，胡國平，盧 雷

（中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司，遼寧大連 116001）

Hyperworks在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實(shí)例分析

常 遠(yuǎn)，羅 丹，胡國平，盧 雷

（中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司，遼寧大連 116001）

文章以實(shí)例介紹了Hyperworks二次開發(fā)軟件PrimeShip-HULL在實(shí)船中的應(yīng)用，通過實(shí)例來闡述基于散貨船油船協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（HCSR）的貨艙艙段分析的基本流程，并將其計算結(jié)果與同一船舶CSR有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比，探索并總結(jié)出此軟件在應(yīng)用過程中的一些特點(diǎn)和優(yōu)勢，為廣大設(shè)計人員在Hyperworks軟件于實(shí)船設(shè)計過程中的應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

Hyperworks；二次開發(fā)；共同結(jié)構(gòu)規(guī)范；船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

Hyperworks是一款三維設(shè)計軟件，由美國Altair公司開發(fā)設(shè)計，廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、汽車、電子、能源、生命工程、重型機(jī)械、船舶制造及海洋工程領(lǐng)域，力求降低工程的設(shè)計及制造成本和設(shè)備的生命周期維護(hù)成本[1]。借助Altair的仿真和優(yōu)化技術(shù)，客戶可以開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計方案，從而在開發(fā)過程的早期階段提高可靠性，提升性能和削減成本。在船舶工程領(lǐng)域，NK船級社針對新近生效的散貨船油船協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（HCSR）對Hyperworks進(jìn)行了二次開發(fā)并應(yīng)用于實(shí)船設(shè)計，為實(shí)船的設(shè)計及開發(fā)提供了一個全新的有限元分析方法。下面將結(jié)合中船重工船舶設(shè)計研究中心設(shè)計的一型滿足HCSR的散貨船實(shí)例，介紹此軟件在應(yīng)用過程中的一些操作特點(diǎn)及需要注意的問題，希望對今后的實(shí)船設(shè)計過程有所幫助。

1 HCSR簡介

散貨船油船協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（HCSR）于2015年7月1日正式生效。之后HCSR規(guī)范將替代雙殼油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR-OT）和散貨船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范（CSR-BC）。新規(guī)范第一章介紹了規(guī)范總則，其中涉及規(guī)范適用范圍。第四章給出了用于強(qiáng)度評估和疲勞評估的涉及載荷。有限元分析包括評估船體梁縱向構(gòu)件、主要支撐構(gòu)件和艙壁的貨艙艙段分析，評估局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的詳細(xì)應(yīng)力水平的細(xì)化網(wǎng)格分析，以及評估結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞能力的精細(xì)網(wǎng)格分析。有限元分析流程圖見圖1。規(guī)范第七章詳細(xì)介紹了直接強(qiáng)度分析的方法，包括第二節(jié)的艙段結(jié)構(gòu)分析和第三節(jié)的局部結(jié)構(gòu)分析。進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)評估和載荷施加的貨艙區(qū)域包括船中貨艙區(qū)域、首部貨艙區(qū)域、尾部貨艙區(qū)域、最首貨艙、最尾貨艙，具體定義見圖2[2]。本文著重討論最尾貨艙的結(jié)構(gòu)分析的流程。

2 PrimeShip-HULL船舶設(shè)計輔助軟件

相比過去的CSR，HCSR要求對船舶進(jìn)行更加全面的結(jié)構(gòu)分析，其中包括全部貨艙段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。新要求大大延長了船舶設(shè)計周期。為了提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，NK基于Hyperworks軟件開發(fā)了船舶設(shè)計輔助軟件 PrimeShip-HULL。PrimeShip-HULL主要功能見圖3[3]。

利用PrimeShip-HULL軟件可以進(jìn)行主尺度定義、各構(gòu)件分組、肋位位置定義、艙室編輯、腐蝕余量定義、創(chuàng)建開孔、確定評估區(qū)域范圍、貨艙裝貨量定義、載荷工況定義、有限元載荷組合、求解、屈服屈曲分析、屈服屈曲結(jié)果評估和報告輸出。通過Import可以導(dǎo)入各種格式的數(shù)據(jù)文件。由Design Support工具可以導(dǎo)出yaml文件，再通過feedback重新導(dǎo)回以更新板厚及加筋尺寸。Check mesh功能可以進(jìn)行網(wǎng)格檢查。Evaluation功能是在HyperView模型上顯示計算結(jié)果，同時將評估結(jié)果顯示在表格上。根據(jù)板格及加強(qiáng)筋數(shù)，計算每個板格滿足評估值的板厚。另外附帶扶強(qiáng)材的輔助設(shè)計工具。

另外交互界面可以修改構(gòu)件材料、板厚及加筋尺寸，也能添加特殊工況。

3 PrimeShip-HULL優(yōu)勢功能

公司運(yùn)用PrimeShip-HULL對81 700 DWT單殼雙底散貨船的各個艙段進(jìn)行了有限元分析，計算的結(jié)果比較符合規(guī)范的要求。本節(jié)將根據(jù)這次實(shí)際模型重點(diǎn)介紹PrimeShip-HULL相比其他軟件的優(yōu)越之處。

3.1 艙室識別定義功能

在艙室識別定義功能下，PrimeShip-HULL跟其他計算船舶類計算軟件一樣，可以自動識別封閉的艙室，但是在定義壓載水艙為上下連接時會有不同。

對于上下壓載艙為同一個壓載艙時，上壓載艙滿水的同時，底部壓載艙也必然為滿壓載，這不滿足HCSR中對裝載工況的最大壓載工況的規(guī)定。如圖4所示，規(guī)范中規(guī)定若為最大壓載工況，目標(biāo)艙的頂壓載艙為滿艙，但是底壓載艙為空艙。在這種情況下，為了解決軟件與規(guī)范中壓載工況的沖突，達(dá)到能夠盡量模擬實(shí)際的壓載情況的效果，PrimeShip-HULL特意在軟件中設(shè)置了可以自定義壓載工況的功能。再增加一個上下壓載艙全部為空艙的工況，以達(dá)到對規(guī)范工況的盡量近似模擬。

3.2 許用屈曲利用因子

HCSR的應(yīng)用，較好的船體結(jié)構(gòu)是建立在提高對有限元計算結(jié)果的衡準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的。在不同的動靜載荷組合下，許用屈曲利用因子變化多樣，分類更加詳細(xì)，如表1所示。如此復(fù)雜的衡定標(biāo)準(zhǔn)需要有強(qiáng)大的軟件功能在后臺支持，才能提高工作效率，盡快選取出不能滿足要求的單元及其所在的工況。

有限元的后處理HyperView的自動識別功能，恰恰提供了良好的平臺，如圖5所示。不同的工況的衡準(zhǔn)在軟件的支持下變得簡單明了，有效提高了工作效率和視覺體驗(yàn)。

HCSR已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在造船領(lǐng)域。這個規(guī)范的提出對船體結(jié)構(gòu)的直接強(qiáng)度即評估方面提出了新的要求，修改了以往將標(biāo)準(zhǔn)三艙段作為直接強(qiáng)度計算的模型，需要實(shí)際模擬目標(biāo)艙及兩側(cè)艙段的真實(shí)模型，以達(dá)到更加符合和體現(xiàn)目標(biāo)艙實(shí)際裝載工況及海況的作用情況。

表1 許用屈曲利用因子

4 直接強(qiáng)度計算舉例

公司運(yùn)用HyperWorks對81 700 DWT單殼雙底散貨船的各個艙段進(jìn)行了有限元分析，包括首尾貨艙這種外型線有變化的位置。81 700 DWT散貨船共有7個貨艙，首尾貨艙都是研究的重點(diǎn)位置。故將在本文中做具體闡述，運(yùn)用HyperWorks軟件進(jìn)行直接強(qiáng)度分析的過程。

4.1 有限元前處理

有限元前處理軟件HyperMesh支持Natrans結(jié)果文件的導(dǎo)入，這一點(diǎn)方便了對HyperMesh使用不習(xí)慣的用戶。根據(jù)軟件設(shè)置的幫助按鈕，用戶可以參照并按照流程一步一步進(jìn)行，就可以完成CSR-H要求的船體結(jié)構(gòu)直接強(qiáng)度分析的計算工作。尾貨艙的位置比較特殊，前面是普通壓載艙，后面是機(jī)艙，而且尾貨艙的艙容及壓載工況都與其他貨艙有很多不同之處。所以，有些參數(shù)的設(shè)置需要做一些變化，下面將具體陳述。

在構(gòu)件的分組功能上，軟件能夠自動劃分出構(gòu)件分組，但是第7貨艙的結(jié)構(gòu)形狀變化較大，所以自動劃分不夠完全，需要手動修改，這些可以根據(jù)幫助文件實(shí)施。在構(gòu)件分組名稱上，軟件對非貨艙區(qū)域的分組增加了幾項(xiàng)要求，如表2所示。不同的分組信息將決定組內(nèi)的單元是否參加總縱強(qiáng)度，所以需要認(rèn)真劃分。

由于其他過程的參數(shù)設(shè)置較為簡單，并依據(jù)幫助文件便可以完成，這里不做一一贅述。

表2 散貨船構(gòu)件名稱及說明

4.2 有限元后處理

對于結(jié)果的查詢及校核，有限元后處理軟件HyperView是十分方便快捷的。以屈服結(jié)果為例，它可以分組查詢各個組內(nèi)單元的利用系數(shù)。點(diǎn)擊其中的一個單元欄，下面的列表中會顯示出此單元在各個加載工況下的利用系數(shù)，這樣可以針對某些工況進(jìn)行調(diào)整研究。

4.3 結(jié)果對比

以floor這一組為例，圖6列出了每個單元的屈服利用系數(shù)，超過1.0的即為不滿足設(shè)計要求，需要對提示單元進(jìn)行修改后再次計算。如圖7所示，能夠清晰地看出雙層底橫向構(gòu)件有一些位置不能滿足設(shè)計要求，針對這些位置做出了不同的修改以及多次計算，最終如圖8所示，floor的各個板格滿足了設(shè)計要求。這種簡單快捷的處理問題的方法，正是HyperView的優(yōu)勢所在。

有限元計算結(jié)果及修改原因整理在表3中。

HCSR的應(yīng)用，提高了對船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，在一些位置提高了板格屈服屈曲的能力，以尾貨艙為例，比較之前的CSR規(guī)范增加了對一些構(gòu)件強(qiáng)度的要求，做出了總結(jié)。

5 結(jié)論

HCSR的生效，促使各個船級社以及世界各地的造船廠、研究院所等單位紛紛開始積極應(yīng)對，尋求更好的軟件及問題解決方案。公司應(yīng)用NK船級社在 Hyperworks基礎(chǔ)上二次開發(fā)的PrimeShip-HULL軟件，完整地計算了81 700 DWT單殼雙底散貨船各個貨艙的直接強(qiáng)度分析工作，并對圖紙?zhí)岢隽艘恍┬薷囊庖?。對此計算結(jié)果的認(rèn)定，已經(jīng)通過了NK船級社的審查。在此次研究探討HCSR的使用過程中，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到甚至超出了預(yù)期的效果。

表3 有限元計算結(jié)果及修改原因

[1]路金花, 馬躍洲.Hyperworks在船舶設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用研究[C]//常石（上海）船舶設(shè)計有限公司MIS/S&A學(xué)術(shù)交流會議論文集, 2014.

[2]國際船級社協(xié)會.散貨船油船協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范[S].2015.

[3]NK船級社.Hyperworks版HCSR用戶手冊[Z].2014.

Example Analysis of Hyperworks in Hull Structure Design

Chang Yuan, Luo Dan, Hu Guoping, Lu Lei
(China Ship Design & Research Center Co., Ltd., Liaoning Dalian 116001, China)

In the paper, the second development software PrimeShip-HULL which is based on Hyperworks is introduced by the real example.The basic process of hull structure analysis by the real example based on HCSR is explained.The calculation results are compared to those by CSR FEM.It explores and concludes some features and advantages of the software in application, which provides helpful experience for ship designers using Hyperworks software in the application in real ship design process.

Hyperworks; secondary development; common structure rules; hull structure design

U663.2

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.007

常遠(yuǎn)（1977—），男，工程師，研究方向：船舶設(shè)計及科研。