船舶与海洋工程产品设计的领航员 - 文章

船舶与海洋工程产品设计的领航员

作者：安世亚太(ANSYS-CHINA) 邓文彬

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21世纪是一个海洋的世纪，海洋中生物资源、矿产资源和油气资源的开发利用，航运业的发展以及现代海军的建设，都离不开船舶与海洋工业的发展。种种迹象表明，中国的船舶工业正处在蓬勃发展的黄金时代，不久的将来中国完全有可能成为世界第一的造船大国。随着造船工业的高速发展，传统的船舶与海洋平台设计分析方法面临着巨大挑战，而浮体结构的耐波性计算和校核显得尤为突出。

近年来，通用有限元软件ANSYS、NASTRAN在整船结构模态、静强度分析中得到广泛应用。但是，随着船舶海洋工程浮体向着深海恶劣海域发展以及对其结构设计经济性更高要求，对浮体在波浪中的运动分析显得尤为重要。浮体运动分析从最初Froude对横摇运动的研究，发展到了无航速、有航速时船舶的摇荡三维流体动力学计算。为了方便船舶设计人员的研究计算，出现了一些基于三维势流理论的流体动力学专业图形软件。

此类软件的典型代表是ANSYS公司提供的AQWA & ASAS，它是世界上三大船级社（美国船级社、英国劳氏船级社、挪威船级社）计算三维流体动力学及结构有限元分析的重要工具。

AQWA 是一套集成模块，主要用于结构－流体动力学特性的评估及相关分析，包括从桅、桁到FPSO，从停泊系统到救生系统，从TLP 到半潜水系统，从渔船到大型船舶，从民船到军船等。ASAS是完全集成的模块化船舶与近海结构有限元分析软件，主要用于满足近海结构和舰船工程师的特殊需要。ASAS 具有强大的解决大规模工程问题的能力，包括线性和非线性分析。专门的集成模块大大提高了ASAS 的性能，它全面求解船舶与海洋结构问题的功能超过了通用的结构分析软件。

完整的流体分析功能

ASAS包含衍射/辐射(包括浅水效应)——AQWA-LINE；具有随机波的频域——AQWA-FER；具有随机波包括慢漂流的时域——AQWADRIFT；具有宽大波的非线性时域——AQWA-NAUT；包括停泊线的静动稳定性——AQWA-LIBRIUM；TLPs 缆索安装和拖拉分析——AQWA-TETHER ；简化的三维水弹性分析——AQWA-SOLAR；大型钢铁结构下水的轨迹分析——AQWA-LAUNCH；耦合缆索动力学分析——AQWA Cable Dynamics；所有的模块集成于强大的前后处理器——AQWA-GS(图形超级用户界面)。

全面的船舶与海洋结构分析能力

◎出众的大型结构求解能力(64Gb files)(high speed sparse solver)；
◎ 包含波加载程序ASAS -WAVE（定义随机波、规则波、水流以及风载等）；
◎完全的流体动力载荷（波、风）和弹性结构的耦合分析；
◎线性和非线性有限元分析；
◎提供梁、加强板或混凝土结构的规范校核；
◎来自AQWA的压力/运动载荷传递；
◎MS-EXCEL和Mathcad接口。

全面的校核和验证

AQWA & ASAS已经开发了近30年。最初，因为北部海域开始成为巨大的产油区，它被用于预测大型管套结构的下水和浮起。实际的下水试验证明，AQWA能够以非常高的精度预测套管的运动。这使得LAUNCH/FLOAT程序成为了事实上的分析标准，此后该程序又融合了其他第三方软件（包括Exxon、DNV和Bureau Veritas），功能得到了扩展并成为更通用的程序，接着又推出了AQWA-FER、AQWA-NAUT和AQWA-DRIFT。这些程序通过试验和其他比较得到了广泛验证。

AQWA-FER、AQWA-LINE和AQWA-LIBRIUM已被挪威海事管理局批准用于停泊分析。连同23个其他国际机构，AQWA被用于NTNF研究项目中的FPS2000比较试验，结果根据授权来使用。

典型应用案例

成立于1994的美国OPE公司，专门致力于海洋石油、天然气项目的咨询、设计、安装和评估。随着业务的扩大，传统的设计分析系统已经不能满足它的需要。OPE公司在认真对比了AQWA与其他同类软件的功能后，相中了AQWA。主要把它应用于：

·海洋平台及管线的安装管理
·管线的设计和安装
·海洋平台的整个设计与规划
·油轮的运输分析

OPE公司最新设计的海洋平台

OPE公司最新设计的海洋平台极具有挑战性，它只用了两根直径很小的粱支撑着一个庞大的工作平台。整个海洋平台所处的环境也十分恶劣。由于整个分析过程采用了AQWA，它模拟了洋流、波浪、风载的作用，因此计算校核的结果是令人满意的。

ABS船级社设计的FPSO

美国ABS船级社是世界四大船级社之一，是AQWA&ASAS的最大使用者之一，在休斯顿有超过2/3的部门正在使用该软件。左图是ABS船级社设计的FPSO。该设计最大的挑战是该船需要经常停留在恶劣的深海中作业。台风和巨浪其是其致命的隐形杀手。利用AQWA仿真分析软件，在设计初期，我们评估了整船的结构强度和耐波性。并且AQWA&ASAS与ABS自行开发的SafeHull软件紧密结合在一起，利用AQWA计算得到的整船的压力载荷，对整船的疲劳寿命进行了评估。计算结果符合ABS的设计规范。

德国REPOWER公司设计的大型风力发电机组

德国REPOWER公司是世界上最大的风力发电机组生产设计公司之一。右图是该公司设计的大型风力发电机组，它安装在海洋中，海洋中的风力经常能达到10级以上，通过风载荷的作用，巨大的涡轮叶片快速的旋转，产生的电能通过海底电缆传输到岸边的蓄电装置设备，然后再输送到城市各家各户。该设计最大的挑战是，涡轮叶片所受的风载工况复杂多变，而且风能量巨大，同时风力发电机组的桩基也受到多变海况的影响。ASAS恰好是解决此类问题的最好工具。它含有波载荷程序，可以定义各种水流、风载荷，不需要专门的CFD分析软件，就能得到涡轮叶片上的压力载荷。由压力载荷就能很快计算出涡轮叶片的强度和疲劳寿命。该设计方案最终通过了船级社的验证，成为了世界上最早安装在海洋中的风力发电机组之一。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/27/2006)


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