方案 | 船舶行業(yè)仿真應(yīng)用方案

2018-01-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

船舶工業(yè)被稱為是建設(shè)“海洋強(qiáng)國”的重要基石。近日,全球最權(quán)威的航運(yùn)造船機(jī)構(gòu)公布的數(shù)據(jù)顯示,2017年,中國在全球造船三大指標(biāo)上全面領(lǐng)先,完工量、新接訂單量和手持訂單量都位居世界第一位,并且系列高端船型都已經(jīng)成功交付。

近年來,伴隨我國船舶工業(yè)的飛速發(fā)展,船舶設(shè)計(jì)進(jìn)入了創(chuàng)新為主流的時(shí)代,新的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)提出新的要求。傳統(tǒng)的、基于工程回歸分析和經(jīng)驗(yàn)的船舶設(shè)計(jì)方法越來越無能為力。新型船舶大量出現(xiàn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及多種型線設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化需要進(jìn)行大量船模實(shí)驗(yàn),因此,如何減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),減小費(fèi)用開支,縮短周期是船舶設(shè)計(jì)急需解決的問題。本文為大家分享CAE仿真技術(shù)在解決船舶總體設(shè)計(jì)與研發(fā)過程中部分常見工程問題。

船舶工業(yè)是為航運(yùn)業(yè)、海洋開發(fā)及國防建設(shè)提供技術(shù)裝備的綜合性產(chǎn)業(yè)。中國造船業(yè)在全球市場(chǎng)上所占的比重一直處于較高水平,中國已經(jīng)成為全球重要的造船中心之一。船舶從用途上分類,可分為軍用船舶和民用船舶兩大類。在軍船的研發(fā)過程中常涉及到強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)與噪聲、抗爆性、疲勞、總體性能、快速性、操縱性與耐波性、穩(wěn)性等多方面的技術(shù)問題,民船的設(shè)計(jì)往往更偏向于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、載重量和快速性等方面,所以民船設(shè)計(jì)的主要技術(shù)問題集中于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與水動(dòng)力性能方面。

主要應(yīng)用領(lǐng)域

船體的強(qiáng)度、剛度分析

船體強(qiáng)度問題包括總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及抗爆強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)屈曲等。總縱強(qiáng)度是研究船體整體變形規(guī)律和抵抗破壞的能力。集裝箱船等大開口船舶,因船體扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較低,需要計(jì)算扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。組成船體的各部分結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)及其組成的構(gòu)件還會(huì)因局部載荷和(或)船體梁應(yīng)力而發(fā)生變形或受到破壞,這類強(qiáng)度問題通常稱為局部強(qiáng)度。此外,結(jié)構(gòu)的營運(yùn)和耐久性要求使船上結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和疲勞強(qiáng)度變得尤為突出。艦船還需要計(jì)算在遭受接觸爆炸或非接觸爆炸后的船體抗爆強(qiáng)度。ANSYS Mechanical軟件可以幫助解決在正常工況下,結(jié)構(gòu)零部件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性校核問題。下圖是船體整體和局部板架模擬強(qiáng)度分析的案例。

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船體的動(dòng)力學(xué)分析

在船舶設(shè)計(jì)階段,需要進(jìn)行振動(dòng)預(yù)報(bào)(計(jì)算振動(dòng)模態(tài)與響應(yīng))和結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì),并對(duì)局部結(jié)構(gòu)采取必要的減振降噪措施,避免船上出現(xiàn)有害振動(dòng)及其伴隨的噪聲。船舶振動(dòng)包括總振動(dòng)和局部振動(dòng)。船體總振動(dòng)是船舶總體振動(dòng)形態(tài)的一種主要反映和描述方式,船體局部振動(dòng)是船上各種局部構(gòu)件的振動(dòng),比如船體的自由振動(dòng)、機(jī)械設(shè)備引起的船體受迫振動(dòng)以及機(jī)座的減振設(shè)計(jì)等問題。ANSYS Mechanical動(dòng)力學(xué)分析包含模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析和隨機(jī)振動(dòng)分析,能模擬船體的自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備的減振設(shè)計(jì)。下圖是船舶尾部的自由振動(dòng)分析和某基座的諧響應(yīng)分析案例。

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船舶的噪聲分析

船舶噪聲來源主要有(1)艙室噪聲。艙室噪聲是由船舶的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲共同引起的。除空氣聲源艙室和鄰近艙室中的艙室噪聲主要由空氣噪聲決定外,其它艙室的艙室噪聲主要由結(jié)構(gòu)噪聲決定。(2)水下輻射噪聲。船舶在海上航行時(shí)引起的水下輻射噪聲主要由機(jī)械設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動(dòng)壓力作用在艉部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水下噪聲和水動(dòng)力噪聲組成。(3)自噪聲。自噪聲是指聲納接收換能器所接收到的其載體產(chǎn)生的噪聲和聲納設(shè)備本身產(chǎn)生噪聲的總和。借助ANSYS Mechanical軟件聲振耦合分析功能,適用于計(jì)算船體設(shè)備的振動(dòng)引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問題,通過合理地優(yōu)化船舶總體結(jié)構(gòu)與各部件,達(dá)到減振降噪的目的。下圖是水下某艦艇聲輻射分析案例。

船舶的抗爆性分析

艦船抗爆抗沖擊性能已成為衡量其戰(zhàn)技術(shù)性能的重要指標(biāo),抗爆抗沖擊性能的好壞將影響到艦艇服役后特別是在戰(zhàn)斗條件下艦艇的生命力。艦船抗沖擊分析的目的是對(duì)船體結(jié)構(gòu)、重要設(shè)備及作戰(zhàn)人員采取必要的抗沖擊措施,努力提高全艦的抗沖擊能力,以滿足艦船戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的要求。ANSYS LS-DYNA或ANSYS AUTODYN軟件是顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件,是進(jìn)行船舶抗爆炸和抗沖擊問題的有力研究工具。模擬船體在短時(shí)間高峰值載荷作用下的時(shí)間歷程響應(yīng),包括材料的變形、失效以及斷裂等,為結(jié)構(gòu)抗爆性問題提供完備的解決方案。下圖是沖擊、碰撞或水下爆炸作用下艦艇局部抗爆性分析的案例。

船舶的疲勞耐久性分析

船舶和海洋結(jié)構(gòu)物受到波浪、慣性、撞擊載荷等交變載荷作用,造成結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。疲勞破壞是船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)的主要破壞形式。疲勞仿真的目的是計(jì)算疲勞壽命以及找出疲勞破壞的熱點(diǎn)區(qū)域,以最大程度地提高整個(gè)船體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。ANSYS nCode Designlife高級(jí)疲勞分析和設(shè)計(jì)軟件可分析船體與零部件由于反復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的高、低周疲勞問題及板架焊縫疲勞問題,比如船體結(jié)構(gòu)整體或局部疲勞分析、焊縫疲勞分析等。下圖是水下某艦艇聲輻射分析案例。下圖分別是船體與某焊縫疲勞分析案例。

船舶的流體阻力分析

在船舶行業(yè),ANSYS CFD能準(zhǔn)確捕捉復(fù)雜流動(dòng)形態(tài)及結(jié)構(gòu);流動(dòng)區(qū)域平均物理量(速度及壓力)的預(yù)報(bào)已達(dá)到較高精度;固壁邊界的水動(dòng)力系數(shù)(摩擦阻力和粘壓阻力系數(shù))的預(yù)報(bào)已達(dá)到一定精度,可用于初步設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用問題;自由表面流動(dòng)的計(jì)算進(jìn)步較快,波形的預(yù)報(bào)達(dá)到一定的精度。ANSYS流體動(dòng)力學(xué)有兩款軟件ANSYS Fluent和ANSYS CFX,均具有完善的流體動(dòng)力學(xué)分析功能。CFD分析的長處是它允許對(duì)更寬范圍的備選船型方案進(jìn)行測(cè)試。比較理想的做法是,它適合用來選擇有希望的備選設(shè)計(jì)方案作進(jìn)一步的水池試驗(yàn)。同時(shí)也指明對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)的部位和方法,比如,顯示出船身上的壓力分布的細(xì)節(jié)。下圖分別是潛艇外流場(chǎng)阻力分析、船舶6自由度運(yùn)動(dòng)分析以及潛艇指揮塔圍殼尾跡流模擬。

船舶的動(dòng)力與推進(jìn)分析

通過優(yōu)化船型,可以減小船舶阻力,而改善螺旋槳的推進(jìn)性能則明顯可以增加船舶的推進(jìn)效率,可以增加船舶的速度,對(duì)推進(jìn)效率的研究是船舶今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)時(shí),槳葉的背面壓力降低形成吸力面,如果背部的壓力下降到水的汽化壓強(qiáng)以下,導(dǎo)致此處水激烈汽化,形成氣泡,稱為空泡。空泡的產(chǎn)生、消滅會(huì)在瞬間產(chǎn)生很大的沖擊力,造成螺旋槳激烈地振動(dòng)和剝蝕損傷。ANSYS CFD不但能提供普通勢(shì)流方法能提供的結(jié)果,如水動(dòng)力性能、槳葉表面的負(fù)荷分布等,還能提供螺旋槳流動(dòng)所特有的一些重要現(xiàn)象與特征,如槳葉邊界層流動(dòng)、流動(dòng)的分離現(xiàn)象、槳葉所受的粘性力以及梢渦的形成與結(jié)構(gòu)、螺旋槳尾流場(chǎng)等,不但能從定性上而且能從定量上預(yù)報(bào)螺旋槳粘流場(chǎng),為螺旋槳噪聲、振動(dòng)提供基礎(chǔ)依據(jù)。下圖是水下船舶螺旋槳推進(jìn)性能分析案例。

船舶的穩(wěn)性與耐波性分析

船舶在水中運(yùn)行時(shí),受波浪、海流和風(fēng)的聯(lián)合作用,船舶發(fā)生搖動(dòng),影響船員的舒適度和船用設(shè)備的運(yùn)行。當(dāng)船舶靠岸時(shí),需要用錨鏈?zhǔn)蛊涔潭ㄔ诖a頭,錨鏈的強(qiáng)度與系泊穩(wěn)性也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)問題。ANSYS AQWA致力于水中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性和耐波性評(píng)估,可模擬船舶在各種波浪方向、浪角、相位、頻率下船舶的橫搖、縱搖、首搖、垂蕩(升沉)、橫蕩和縱蕩運(yùn)動(dòng)幅度;在隨機(jī)波浪下以及風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下船舶的搖蕩運(yùn)行響應(yīng);集成的纜索動(dòng)力學(xué)模塊能解決船舶系泊設(shè)計(jì)的問題,比如船舶系泊狀態(tài)的穩(wěn)定性與耐波性;特種船舶海上作業(yè)的模擬;以及計(jì)算船舶受到的波浪載荷,并能傳遞給結(jié)構(gòu)分析軟件,進(jìn)行強(qiáng)度分析評(píng)估。下圖是船舶耐波性與系泊分析案例。

舶通信設(shè)備的電磁場(chǎng)分析

船舶工作在江河以及海洋中,與外界一般通過電磁通信設(shè)備進(jìn)行交流。因此電磁輻射強(qiáng)度的計(jì)算既影響通信質(zhì)量的好壞,也關(guān)系到船員的身體健康問題。一般來說,如果不是主動(dòng)發(fā)射電磁波和聲波,那么電磁輻射水平越低越好。采用ANSYS HFSS 和ANSYS Maxwell軟件模擬船舶通信設(shè)備電磁輻射以及電、磁傳導(dǎo)與感應(yīng)等分析。為天線布置、電磁兼容以及船舶消磁等提供依據(jù)。下圖是某艦船電磁場(chǎng)分析案例。

船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

全參數(shù)化設(shè)計(jì)使船舶在仿真分析中,能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)參數(shù)快速得到新的結(jié)果。DesignXplorer是功能強(qiáng)大而方便易用的多目標(biāo)優(yōu)化模塊。實(shí)際工程需要多個(gè)優(yōu)化目標(biāo),工程中需要產(chǎn)品的總體性能較好,而不是某一項(xiàng)指標(biāo)最好。產(chǎn)品多項(xiàng)指標(biāo)皆趨向于最好,而不能某項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最好而無視其它需要。

ANSYS DesignXplorer 可針對(duì)零件或組合件做最佳化設(shè)計(jì),它根據(jù)DOE 方法,定出需要求解的設(shè)計(jì)重點(diǎn),使用最有效率的方式得到最佳化結(jié)果。ANSYS DesignXplorer 結(jié)合了傳統(tǒng)與非傳統(tǒng)的最佳化方法,使用者可以同時(shí)考慮多個(gè)設(shè)計(jì)方案,修改現(xiàn)有產(chǎn)品,或是針對(duì)新條件快速得到最佳化方案。ANSYS DesignXplorer 分析結(jié)果的圖形與數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式讓使用者一目了然,馬上得知影響產(chǎn)品性能的重要因子。下圖是某船用基座阻尼減振降噪優(yōu)化分析案例。

船舶多物理場(chǎng)耦合分析

在船舶設(shè)計(jì)過程中,需要綜合考慮船舶結(jié)構(gòu)、熱、流體和聲等多個(gè)學(xué)科。多場(chǎng)耦合分析有利于提升船舶的綜合性能。應(yīng)用實(shí)例:水下艦艇耐壓能力、機(jī)動(dòng)性、聲隱身性能綜合研究;內(nèi)燃機(jī)綜合設(shè)計(jì)等。ANSYS Workbench是世界領(lǐng)先的設(shè)計(jì)仿真集成平臺(tái)。豐富的軟件接口、參數(shù)化的建模工具、數(shù)據(jù)傳遞與數(shù)據(jù)管理、流程化的分析是其主要的特色。良好的軟件集成性使其能實(shí)現(xiàn)同一界面實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合:流-固耦合、聲-振耦合、熱-固耦合、電磁-熱耦合以及其他類型的耦合等。下圖是某船舶管路流-固-熱耦合分析案例。