虛擬仿真技術(shù)在溢油回收裝置結(jié)構(gòu)性能評估和輕量化設(shè)計中的應(yīng)用

胡社來，肖 蜜，鄭 余，黃曉瓊，嚴(yán) 睿，萬應(yīng)兵，桂 馨，廖遠(yuǎn)燦

(1. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430060；2. 華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

虛擬仿真技術(shù)在溢油回收裝置結(jié)構(gòu)性能評估和輕量化設(shè)計中的應(yīng)用

胡社來1，肖 蜜2，鄭 余1，黃曉瓊1，嚴(yán) 睿1，萬應(yīng)兵2，桂 馨2，廖遠(yuǎn)燦2

(1. 武昌船舶重工集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430060；2. 華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

針對傳統(tǒng)設(shè)計方法依靠經(jīng)驗開展設(shè)計的缺陷，提出了基于虛擬仿真技術(shù)的結(jié)構(gòu)性能評估和優(yōu)化設(shè)計方法。針對某溢油回收船溢油回收裝置，利用虛擬仿真技術(shù)對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評估，并利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)開展溢油回收裝置結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計，實現(xiàn)以仿真來驅(qū)動設(shè)計，以期為虛擬仿真技術(shù)在船舶設(shè)計特別是溢油回收船溢油回收裝置設(shè)計中的應(yīng)用提供參考。

虛擬仿真；溢油回收裝置；性能評估；輕量化設(shè)計

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對石油等資源的需求大幅增長[1]，密集的海上石油運輸使船舶溢油事故的風(fēng)險日益增加[2]。例如，近年來“蓬萊19-3”油田溢油事故，美國墨西哥灣和大連新港“7.16”原油泄露[3-5]等事故不僅對海洋生態(tài)環(huán)境造成重大污染，更對漁業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)、酒店業(yè)等造成重大經(jīng)濟(jì)損失。嚴(yán)重的溢油事故給我們敲響了警鐘，水上溢油應(yīng)急系統(tǒng)已經(jīng)受到世界各國的關(guān)注。作為溢油應(yīng)急系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，溢油回收船可在最短時間內(nèi)迅速趕到溢油污染事故現(xiàn)場，進(jìn)行不同粘度和不同厚度的溢油回收和儲存。作為溢油回收船的重要組成部分，溢油回收裝置的設(shè)計將直接影響溢油回收船的回收功能。

目前，國外溢油回收裝置的主要類型有美國Slickbar和Marco溢油回收裝置、芬蘭勞模（Lamor）溢油回收裝置（見圖1）、挪威法蘭克蒙（Framo）溢油回收裝置（見圖2）、英國維克馬（Vikoma）溢油回收裝置（見圖3）和荷蘭Vos溢油回收裝置（見圖4）等[4,6]。國內(nèi)的溢油回收裝置與國外發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距，目前國內(nèi)的溢油回收裝置主要有青島光明溢油回收裝置、青島華海溢油回收裝置。

圖 1 Lamor側(cè)掛式

圖 2 Framo堰式

圖 3 Vikoma Lp3000

圖 4 Vos船攜式Fig. 4 Vos ship carrying type

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，依托理論力學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機技術(shù)的結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)得到了巨大發(fā)展，有限元分析技術(shù)成為了一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛且實用高效的數(shù)值分析方法，其實用性、方便性、有效性得到了廣泛認(rèn)可。近年來，在船舶領(lǐng)域的有限元虛擬仿真技術(shù)成為了廣泛研究的熱點[7]。

利用虛擬仿真技術(shù)對溢油回收船溢油回收裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能仿真與優(yōu)化對溢油回收裝置的結(jié)構(gòu)性能、壽命和可靠性提升等具有極其重要的意義。因此本文擬對某溢油回收船溢油回收裝置的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真與優(yōu)化，以實現(xiàn)仿真驅(qū)動設(shè)計，從而對溢油回收裝置的設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 虛擬仿真技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

1.1 虛擬仿真技術(shù)

有限元分析是一種高效的數(shù)值分析方法，在虛擬仿真方面得到了快速發(fā)展，它是利用數(shù)學(xué)近似方法對真實物理系統(tǒng)（模型和載荷工況）進(jìn)行模擬，還利用有限數(shù)量且簡單而又相互作用的元素（即單元）去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時，首先需要創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的有限元模型，包括模型網(wǎng)格離散、材料屬性定義、載荷和邊界約束施加，然后可對有限元模型進(jìn)行強度、剛度、模態(tài)等結(jié)構(gòu)特性仿真分析。在此基礎(chǔ)上，按照優(yōu)化算法在設(shè)計域內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化求解，最終得到滿足迭代終止條件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。因此，有限元分析是結(jié)構(gòu)性能仿真與優(yōu)化的基礎(chǔ)。

虛擬仿真是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能仿真與優(yōu)化的主要手段，利用虛擬仿真技術(shù)指導(dǎo)船舶設(shè)計可以提高船舶設(shè)計質(zhì)量，降低研發(fā)成本，加快研發(fā)周期。相比傳統(tǒng)的設(shè)計理念，虛擬仿真技術(shù)能夠在產(chǎn)品概念設(shè)計階段對產(chǎn)品性能進(jìn)行評估，圖5列出了基于虛擬仿真的產(chǎn)品設(shè)計流程。

圖 5 虛擬仿真設(shè)計流程圖Fig. 5 Flowchart of the virtual simulation design

如今，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在船舶建造前期論證評估、船舶建造設(shè)計方案評估、船舶生產(chǎn)方案比較和船舶建造過程等各個階段[8-10]。挪威UD公司在所有新船型初步設(shè)計時，都會建立船的三維模型，并在虛擬環(huán)境下對整船布置、設(shè)備布局、外觀等進(jìn)行綜合評價和仿真[10]。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化經(jīng)歷了截面尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化3個階段[11]。截面尺寸優(yōu)化以結(jié)構(gòu)的尺寸大小為設(shè)計變量，其最優(yōu)解的搜索過程并不改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问?，因此很難實現(xiàn)對原結(jié)構(gòu)的較大優(yōu)化。形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化有效，以控制結(jié)構(gòu)形狀的某些邊界控制點的幾何信息為設(shè)計變量，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的內(nèi)外邊界以達(dá)到節(jié)省材料的目的。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化又稱為結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，其目的是在限定的結(jié)構(gòu)設(shè)計空間中，基于給定的結(jié)構(gòu)邊界條件和負(fù)載條件，通過一定的優(yōu)化方法，尋找滿足設(shè)計約束的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接方式，結(jié)構(gòu)內(nèi)孔洞的有無、位置和數(shù)量等[11-13]。經(jīng)過近30年發(fā)展，常用的拓?fù)鋬?yōu)化方法主要有均勻化方法、變密度法、水平集法以及漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法，其中較為成熟的變密度法已廣泛應(yīng)用于熱傳導(dǎo)、減震降噪、柔順機構(gòu)等的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計中。

基于變密度法的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的主要求解思路是將尋求最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計空間中尋求最優(yōu)的材料分布問題[14]。因此連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化過程本質(zhì)上就是有效材料的保留和無效材料的刪除過程。

變密度法的基本思想是人為假定一種工程中并不存在的密度可變材料單元，依據(jù)離散化的拓?fù)鋬?yōu)化建模思想，這種材料單元的密度設(shè)置為[0, 1]之間的連續(xù)變量。與此同時，還需人為設(shè)定材料單元的密度與材料物理屬性間的一種插值函數(shù)關(guān)系，從而使材料的這種物理屬性可以以材料單元密度函數(shù)的形式表達(dá)，目前運用較多的插值模型有SIMP插值模型[15]和RAMP插值模型[16]。本文采用效果較好的SIMP插值模型。

在SIMP材料插值模型中，人工材料單元的密度表示為：

假設(shè)材料各向同性，材料的泊松比取值為與材料密度無關(guān)的常量，建立人工材料單元密度與材料彈性模量間的關(guān)系：

基于SIMP材料插值模型，強度或剛度約束下的結(jié)構(gòu)體積最小化拓?fù)鋬?yōu)化問題可描述為：

其中：xi為材料單元的相對密度，作為整個優(yōu)化模型的設(shè)計變量；n為設(shè)計域內(nèi)單元總數(shù)；K, U和F分別為結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣、位移向量和外力向量；ui為材料單元位移列向量；k0為材料密度為“1”的單元剛度矩陣；vi為材料單元相對體積；V為設(shè)計域總體積；f為給定的體積率；xmin為最小材料單元密度，通常取為0.01，以避免有限元計算過程中剛度矩陣的奇異。

2 溢油回收裝置有限元模型建立

圖6為某溢油回收裝置示意圖，從圖中可以看出溢油回收裝置主要由導(dǎo)水板、掃油欄、支撐臂和浮筒捕捉裝置等結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)實際工作環(huán)境，以1～5級海況、4kn航速為背景對溢油回收裝置的液壓支撐臂及其支撐裝置、浮筒捕捉裝置進(jìn)行有限元建模、仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。

圖 6 溢油回收裝置示意圖Fig. 6 Schematic diagram of spilled oil recovery equipment

2.1 模型簡化和幾何清理

溢油回收裝置由于其功能特殊性和設(shè)計復(fù)雜性，擁有大量的傳動零部件，具有相當(dāng)復(fù)雜的裝配關(guān)系和結(jié)構(gòu)特征，在構(gòu)建有限元網(wǎng)格模型進(jìn)行仿真分析前，需要開展重復(fù)實體、重復(fù)曲面和非關(guān)鍵性特征的消除等高強度的幾何清理操作。以圖6中溢油回收裝置為例，執(zhí)行幾何清理操作后，特征零配件總數(shù)由167降低為54，能有效滿足可持續(xù)的高效網(wǎng)格劃分要求。幾何清理前后溢油回收裝置CAD模型的對比如圖7所示。

2.2 高質(zhì)量網(wǎng)格劃分

有限元分析中最為關(guān)鍵的一步是劃分實體網(wǎng)格（即將連續(xù)的實體離散化），網(wǎng)格質(zhì)量好壞將影響計算精度，質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂嬎?。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格面不過分扭曲、邊節(jié)點位于邊界等分點附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖 7 幾何清理前后模型對比Fig. 7 Comparison of the initial model and the model after geometric cleaning

本文對所選取的溢油回收裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終生成的網(wǎng)格模型如圖8所示，經(jīng)過Hypermesh檢測，能達(dá)到有限元分析所需計算精度和效率的網(wǎng)格質(zhì)量要求。

圖 8 局部網(wǎng)格劃分放大圖Fig. 8 Amplification of local grids

2.3 多工況載荷施加

根據(jù)溢油回收船溢油回收裝置的實際工作環(huán)境，以1～5級海況為背景，5級為極限海況，對航速為4kn運行條件下的裝置進(jìn)行仿真分析。先確定具體載荷，然后在建好的有限元模型上，根據(jù)不同的海況，施加對應(yīng)的載荷和邊界約束條件，以準(zhǔn)確模擬溢流回收裝置的工作環(huán)境。

3 仿真分析與拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

3.1 溢油回收裝置仿真分析

3.1.1 靜力學(xué)分析

在有限元模型正確建立、載荷和邊界條件正確施加、連接關(guān)系正確模擬的情況下，對溢油回收裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能仿真分析。利用Hyperworks強大的求解器Optistruct，對回收裝置進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)性能仿真，求得回收裝置不同工況下的應(yīng)力和位移分布云圖，從而對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評價。

根據(jù)上述工況和約束條件，得到5種工況下溢油回收裝置的最大位移、最大應(yīng)變和最大應(yīng)力（見表1）。圖9給出了工況5條件下溢油回收裝置的位移、應(yīng)變和應(yīng)力云圖。

3.1.2 屈曲分析

由于所選取的溢油回收裝置其液壓支撐臂為細(xì)長桿結(jié)構(gòu)（長達(dá)10 m），且主要承受軸向力，由于外部風(fēng)浪情況復(fù)雜，隨機擾動概率較高且多變，為了對溢油回收裝置進(jìn)行失穩(wěn)性研究，需要對其進(jìn)行屈曲分析，從而找到結(jié)構(gòu)的屈曲因子，得到結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)臨界載荷。

表 1 5種不同工況下仿真分析結(jié)果Tab. 1 Simulation analysis results under five working conditions

圖 9 工況5對應(yīng)的位移、應(yīng)變、應(yīng)力云圖Fig. 9 Cloud of displacement, strain and stress under working condition 5

選擇工況5（極端工況）進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖10和圖11所示。由計算結(jié)果可以看出，屈曲頻率（特征值）為3.02 Hz，即屈曲因子或安全系數(shù)為3.02，結(jié)構(gòu)的臨界屈曲載荷為3倍的結(jié)構(gòu)載荷，結(jié)構(gòu)的第1階屈曲模態(tài)完全滿足設(shè)計要求。

圖 10 屈曲因子Fig. 10 Buckling factor

圖 11 結(jié)構(gòu)變形圖Fig. 11 Structural deformation diagram

3.1.3 動力學(xué)模態(tài)分析

為了對溢油回收裝置進(jìn)行振動預(yù)測，本文基于動力學(xué)方法對溢油回收裝置進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到了回收裝置的結(jié)構(gòu)固有頻率和對應(yīng)模態(tài)振型仿真分析結(jié)果，如圖12所示。

圖 12 前4階模態(tài)振型Fig. 12 The first fourth-order modal vibration mode

由以上云圖分析可以得到，溢油回收裝置的結(jié)構(gòu)固有頻率（1階頻率）為F7=4.955 Hz，由于1階模態(tài)值約為5 Hz，因此很容易受外環(huán)境低頻振動的影響而發(fā)生共振，主要發(fā)生在液壓臂和支撐結(jié)構(gòu)連接部分的扭轉(zhuǎn)振動。

3.1.4 瞬態(tài)動力學(xué)響應(yīng)分析

瞬態(tài)響應(yīng)分析屬于時域分析，其計算結(jié)構(gòu)在隨時變化載荷作用下的響應(yīng)。使用有限元方法計算瞬態(tài)響應(yīng)實際上是在指定的時間點上計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，從而得到結(jié)構(gòu)關(guān)心點的輸出響應(yīng)。

由于溢油回收裝置的浮筒捕捉結(jié)構(gòu)在水浪作用下會產(chǎn)生一個類似正弦的結(jié)構(gòu)力，本分析將針對工況3（水浪一般情況）開展瞬態(tài)響應(yīng)分析。載荷簡化形式為F=F0sinwt，加入結(jié)構(gòu)阻尼0.2后，對關(guān)心點的位移響應(yīng)進(jìn)行仿真，分析結(jié)果如圖13和圖14所示，最大位移為3.75 mm，能滿足實際工況要求。

圖 13 動態(tài)響應(yīng)點位置Fig. 13 Location of dynamic response point

圖 14 位移響應(yīng)Fig. 14 Displacement response

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

對溢油回收裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行上述仿真分析后，發(fā)現(xiàn)回收裝置在剛度和強度方面有較大的改善余量，因此為了充分利用材料性能，在滿足結(jié)構(gòu)剛度和強度性能的前提下，對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以尋求最佳的材料布局，從而實現(xiàn)溢油回收裝置結(jié)構(gòu)輕量化[17,18]。

根據(jù)仿真結(jié)果，以結(jié)構(gòu)體積分?jǐn)?shù)最小化（減重）為目標(biāo)函數(shù)，約束強度（200 MPa）和剛度（對靜力學(xué)分析中最大點約束位移為11 mm），選取極限工況5對溢油回收裝置進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

經(jīng)過優(yōu)化迭代收斂，優(yōu)化前后相對密度云圖如圖15～圖17所示，最終溢油回收裝置的體積分?jǐn)?shù)減少35%（減重1.4 t），且對于液壓懸支撐臂和支撐座均需要利用加強筋進(jìn)行重新布局和優(yōu)化，迭代收斂后的最大位移為10.3 mm（優(yōu)化前18.125 mm，提升43%），剛度明顯提升，上述結(jié)果表明拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對于溢油回收裝置的減重和性能提升具有重要作用。

圖 15 初始密度云圖Fig. 15 Initial density cloud

圖 16 優(yōu)化后密度云圖Fig. 16 Optimized density cloud

圖 17 優(yōu)化后局部放大云圖Fig. 17 Local amplification cloud of the optimized equipment

4 結(jié) 語

隨著現(xiàn)代設(shè)計方法的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在航空航天、艦船等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。利用仿真驅(qū)動設(shè)計技術(shù)可以實現(xiàn)由面向功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計向面向性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)變。

本文在探討了基于虛擬仿真技術(shù)的結(jié)構(gòu)性能評估和優(yōu)化設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，以某溢油回收船溢油回收裝置的結(jié)構(gòu)性能仿真和輕量化設(shè)計為例，詳細(xì)介紹了虛擬仿真技術(shù)在船舶設(shè)計中的應(yīng)用，對溢油回收船溢油回收裝置的設(shè)計具有非常重要的指導(dǎo)意義。

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Application of the virtual simulation technology in the structure performance evaluation and lightweight design of a spilled oil recovery equipment

HU She-lai1, XIAO Mi2, ZHENG Yu1, HUANG Xiao-qiong1, YAN Rui1, WAN Ying-bing2, GUI Xin2, LIAO Yuan-can2
(1. Wuchang Shipbuilding Industry Group Co., LTD, Wuhan 430060, China; 2. School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

To aim at the defect that the traditional design method relies on the subjective experience, the structural performance evaluation and optimization design method based on the visual simulation technology is developed. For the spilled oil recovery equipment of a spilled oil recovery ship, the structural performance is evaluated by the virtual simulation technology, and the lightweight design of the recovery equipment is carried out by using the topology optimization technique. Finally, it is realized that the equipment design is drove by the visual simulation, which can provide a reference for the application of the virtual simulation technology in the ship design, especially the structural design of the spilled oil recovery equipment.

virtual simulation；spilled oil recovery equipment；performance evaluation；lightweight design

U662.9

A

1672-7649(2017)11-0152-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.029

2017-02-28

國家發(fā)改委2015年海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項資助項目

胡社來(1977-)，男，高級工程師，研究方向為輪機工程。