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CAE/模拟仿真 |
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基于HyperWorks的油船舱段有限元和结构优化分析 |
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newmaker |
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油船船型特点是结构简单，船体钢料成本在结构成本乃至全船的造价中占有很大的比例，货油舱结构是船体结构的主要部分，对全船钢料消耗影响最大。因此，设计师在总体和结构设计中应千方百计减轻结构重量，尤其对货油舱结构设计应做深入细致的研究。
本文以某油船舱段为研究对象，利用HyperMesh建立舱段有限元分析模型并进行了舱段强度有限元分析，然后借助OptiStruet优化设计系统，对其进行了尺寸优化设计。
1 HyperWorks简介
HyperWorks为美国澳汰尔(Altair)公司的有限元结构分析与优化软件，包括HyperView、Motion-View，HyperGraph，HyperForm，0ptistruet、HyperMesh等多个功能模块，其中HyperMesh为前后处理器，OptiStuct为结构分析和优化工具，内含有限元求解器。
Altair OptiStruet是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化求解器，拥有全球先进的2008年10月24日收到优化技术，提供全面的优化方法。OptiStruct从1993年发布以来，被广泛而深人地应用到许多行业，在航空航天、汽车、机械等领域取得大量革命性的成功应用，赢得多个创新大奖。
OptiStruct采用局部逼近的方法来求解优化问题。局部近似法求解优化问题步骤如下：1)采用有限元法分析相应物理问题；2)收敛判断；3)设计灵敏度分析；4)利用灵敏度信息得到近似模型，并求解近似优化问题；5)返回第一步。
2 船型介绍
本船为钢质、单桨、单舵、尾机型、以装载成品油为主的无限航区7000t成品油轮。本船货舱区域设双层底、双舷侧，机舱区域采用双层底，燃油舱处设双壳，除双层底、甲板、货舱区域舷侧采用纵骨架式外，其它结构为横骨架式。本船已批量建造。为了减少成本，更合理地分布材料，故对其进行有限元和结构优化分析。该船主尺度如表1。表1 船型主要尺寸
 3 有限元模型的建立
模型范围要求包括船中货舱区的1／2个货舱+1个货舱+1／2个货舱，垂向范围为船体型深，横向取船宽范围，且从左舷至右舷不及型线变化，有限元模型中包括横向槽形舱壁和纵向槽形舱壁，对一道纵舱壁的油船用全宽模型。
3.1 坐标系定义
x-沿船长方向，向首为正；
y-沿横向，由纵中剖面向左为正；
z-沿垂向，向上为正。
3.2 网格划分
一般来讲，船体的外板结构，强框架、纵桁、平面舱壁的桁材、肋骨等的高腹板以及槽型舱壁和壁凳采用4节点板壳单元模拟。
有限元网格划分尺寸按以下规定：
(1)沿船体横向和垂向以纵骨间距为一个单元。
(2)沿船体纵向以肋骨间距为一个单元。
(3)船底纵桁和肋板在垂直方向布置应不少于3个板单元。舱壁最底部的单元一般情况下应尽量划分为正方形单元。
(4)槽型舱壁的每一个翼板和腹板至少应划分为一个板元。
3.3 材料和属性
计算中使用的材料参数如下：
弹性模量：206 GPa；
材料密度：7.9×103 kg／m3；
泊松比：0.3；
长度单位为：mm。
3.4 舱段有限元模型受力和约束图
载荷左右对称，故中纵剖面内节点的横向线位移为0，绕中纵剖面内两个坐标轴的角位移为0。即：δy=θx=θz=0。端面约束方面，一端独立点约束δx，δy，δz，θx，θz；另一端独立点约束δy，δz，θx，θz。表2可形象表示出来：
表2 边界条件施加表(载荷对称边界)
注：①Cons-表示对应的位移约束；
②link-面内相关点位移与独立点连接；
③BM-端面所受的总体弯矩。
模型边界约束施加完毕后，对模型施加载荷，舷外水压力，货物压力，端面弯矩，晃荡压力均根据《油船结构强度直接计算分析指南》及《钢制海船人级与建造规范》计算得出。
舱段的受力和约束图如图1所示。
图1 舱段的受力和约束
4 计算结果图
模型建立完成后，先对其进行强度校核。施加边界约束条件节点周围的单元，由于受边界条件的影响，其计算结果不能反映结构真实的受力情况，这些区域单元的计算结果不作校核。中间整舱舱段应力云图如图2所示。
根据下图2所示的计算结果，结构最大的合成应力为148 MPa，与表2相比较可知，初始设计有较大余量，有必要进行结构的优化设计。
图2 中间整舱段应力云图
表3 最大许用应力
 5 舱段的尺寸优化设计
图3 Optistruct结构优化设计流程
以结构重量最小作为目标函数，以表3的最大许用应力作为约束条件，以货油舱区的主要板材，如：内外底板，内外壳板，强力甲板等的厚度作为设计变量，借助于Optistruct系统，对该舱段进行尺寸优化。其优化流程如图3所示，优化结果如表4所示，船体典型舱段优化后的重量减轻了5.82％。表4 尺寸优化计算结果(mm)
 6 结论
本文运用现代有限元理论和方法，对某油船舱段进行了强度分析和结构优化。从整个分析过程中，可以得出如下结论：
(1)采用现代有限元方法，可以改进设计方法和设计思路，使设计流程科学化和现代化。
(2)对该油船舱段进行了尺寸优化设计，减轻了舱段的重量，更合理地分布了材料。
(3)Hyperworks系列软件在船舶方面应用较少，本文计算结果也说明该软件在船舶有限元和结构优化分析中的应用是行之有效的。
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(7/15/2010) |
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