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船舶海工

概述

现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展,大型、高附加值船舶工程装备将成为世界船舶市场竞争的焦点,同时,船用设备也成为现代船舶的重要组成部分,价格约占船价的60%~70%。经过改革开放三十余年的奋斗拼搏,中国船舶制造业整体上已处于成熟期,行业运营能力高于其他制造业。中国已成为世界第三造船大国,出口市场扩大到了世界60多个国家和地区。2004年以来,我国在一系列高技术船舶的设计上实现了核心技术的突破。在今后一个时期,我国船舶的发展要从两个方面来考虑,一个方面主要是船型要不断优化,包括VLCC、集装箱船、散货船、游船等等,在国际上形成一批品牌。另一方面,要通过技术创新,不断开发,要形成一批在国际上有优势的、高附加值的船型,实现从造船大国向造船强国的历史性跨越。

近年来,用户对产品安全性和可靠性要求越来越严苛,同时对产品的研发周期以及设计成本和可靠性等都提出了更严格的要求,市场需要我们能够在更短的时间内设计出高可靠性、低成本的产品,以适应其需求。然而,传统的“设计——试验——修改——试验”思路需要大量的人力、物力和财力,而借助有限元分析方法,设计人员可以从产品设计阶段开始发现问题、优化设计、改进方案和一体化优化流程,极大的缩短了研发周期,降低研发成本,该方法也正在各行各业中扮演着重要角色。

由于船舶的运行环境十分复杂,而且其运行环境经常是高速、强水流、强气流等条件,因此,在CAE分析中需要用可靠性高的软件来计算在复杂载荷条件下结构的静、动力响应,损伤破坏和系统的寿命。此外,强大的数值运算能力和高效的求解技术,以及快速生成网格的技术,方便的前后处理技术和良好的开放性特征也尤为重要。

从应用领域来看,船舶行业在设计和CAE分析中遇到的问题主要有以下四个方面:

a.军用船舶:主要考虑船舶在战争中的生存能力,如水下爆炸的时候抗击冲击波的能力;提高舰船的隐蔽性,船载设备在爆炸载荷下的生存能力等。

b.游艇和客运船舶:对于小型的船只和游艇,主要是考虑船舶的总体强度,减低振动的影响以及制造成本;对于大型的客船,主要也是考虑船舶的强度、在风浪中的承载力以及减低振动的影响,并缩短设计周期;对于赛艇,主要是提高性能和减轻质量,会设计大量新型复合材料的设施。

c.商用货运船舶:主要是提高船舶的质量,提高承载力,尤其是近年来一些新型船舶的出现,如LNG船、LPG船,对设计要求越来越高。

d.发动机等船舶辅助设施的要求是提高能效、减轻重量、减振降噪。

如何解决上述问题就是船舶海工行业CAE分析的重点。

从船舶海工相关CAE分析来看,在船舶海工领域有许多典型的分析问题,从船舶总体到舰载设备,主要分析对象包括:
船舶总体
船载设备(如雷达、电子设备、火炮等)
动力传动系统(如曲轴)
推进器和扭矩机构

主要分析类型则包括:
结构强度
模态(湿模态)
爆炸载荷下的响应
动态冲击分析
热分析
船体搁浅损伤等

应用范围

1)船体强度
ABAQUS可以更好的提取干和湿(流体载荷)模态,为精确加载而提供的表面单元提供了辐射边界条件和无限元,能精确模拟无限域的影响;梁的附加惯性和梁的流体惯性,能精确模拟梁在载荷下的响应。

2)水动力学冲击
可以分析液体对船体的撞击,从而为设计轻快的船体提供指导。
ABAQUS/Explicit提供状态方程来模拟水动力学效应。

3)碰撞和搁浅
电子和声纳设备的设计;
碰撞分析类似于汽车的碰撞,但是由于有水的影响会更加复杂;
ABAQUS强大的土壤模型对于搁浅分析很有帮助;
失效分析:单元的失效和删除,粘着单元(模拟裂纹传播)。

4)声学分析和水下爆炸
UNDEX(水下爆炸载荷冲击船体)分析更快,更精确;
声学分析:声纳分析以及船体辐射的噪音分析。

5)疲劳分析
设备在操作或者振动条件下的失效准则;
焊点的结构和热的分析。

应用专题

船用柴油机曲轴装配过程模拟

曲轴将活塞连杆的往复运动转换成推进器主轴的旋转运动,曲轴安装的不对中将对船用柴油机整体工作性能影响很大。曲轴装配过程模拟可以分析不对中产生的原因,有效地减少导致不对中的因素。

大型曲轴通常采用半合成型(Semi Built-up),幅板和轴颈分别锻造,幅板和轴颈通过过盈配合连接在一起,幅板孔扩大可以通过加热实现。

通过ABAQUS对该装配过程进行模拟来降低由于装配过程(加热、冷却和过盈)引起的变形造成的不对中。分析流程为:首先,分析加热引起幅板的变形和应力的时间响应;其次,过盈装配过程模拟,及变形分析,热/力耦合分析,CONTACT INTERFERENCE, SHRINK;最后,自重作用下曲轴整体变形分析。
 

上面两幅图分别是加热3小时的变形情况和冷却1小时后的变形情况。


 

过盈装配导致的接触压力分布


 

上面两图曲轴装配之后的变形(放大)和塑性应变的分布

船舶结构搁浅损伤分析

船舶搁浅是一种经常发生的事故,通过ABAQUS/Explicit来模拟搁浅过程,可以为船舶提供设计和分析依据。模型的描述:船体模型规模巨大,分析只取船身中段(搁浅的部分),以板单元建立船身蒙皮、隔框和桁条等的模型,用刚体模拟锥形、钝头的岩石,接触定义:在岩石和船体蒙皮之间定义接触对。船身长度104.2米,总重22700吨,岩石和船身初始间隙0.05m,船体初速度:Vz=5m/s;Vy=1m/s,单元网格平均尺寸2.1m。

通过分析,我们可以看到实际结构破损与计算结果形式上一致,运动开始0.0743s后发生碰撞,运动开始1.1s后结构出现最大应力,最大应力发生在碰撞点附近。

UNDEX分析

海上建筑物的完整结构,如水面舰艇、潜艇、海上结构等,可能被水下爆炸(UNDEX:Underwater Explosion)影响其安全。由于这些结构涉及很高的费用以及人身的安全, 考虑其在水下爆炸的可能受到的影响的工程设计就显得非常重要。UNDEX 的基本目的是为结构受到爆炸的影响提供一个准确的评估,为保留结构失效的临界值时最小化伤害和损失提供重新设计的指导。

在ABAQUS进行UNDEX分析具有如下的优点:
 1)、总波和散射波公式以及基于压力的流体空化效应可以很轻松的考虑流体非线性的效果;
2)、不同于以往的边界元方法,整个过程都可采用直观的时间积分进行计算;
3)、无限元和无反射边界条件使得对于无限外域问题能得到精确的解;
4)、入射波加载方式可以使得计算时间大大的节省,使得计算效率增加;
5)、包含声学介质的子结构,使得对于大的结构可以方便的使用子结构分析功能;
6)、声学模型在Standard和Explicit之间的传递,使得可以方便的模拟深海潜艇受静水压下的冲击分析;
7)、增强的壳到实体的子模型和壳到实体的耦合以及流体到实体的子模型使得可以方便的对局部进行细节建模;
8)、自适应的声学网格对于大变形问题可以捕捉到精确的解;
9)、基于Geers-Hunter模型和“waveless”模型的bubble加载功能,使得考虑水下爆炸过程中bubble的影响成为可能;
10)、增强的梁单元(截面有网格)可在梁基础上考虑浸没流体而引起的附加质量以及内部机构的附加惯性的影响。


 

鱼雷噪声分析

在一定条件下,水中航行的物体会产生稳定的水动力气穴现象,并由此诱发噪声。采用ABAQUS/Standard可以模拟鱼雷发射后在水下行走造成的气穴现象,并由此产生压力场或声场。各个压力场随频率变化的云图被分析出由于气穴现象的不连续性会造成压力值得减少

潜艇下水过程

传统方式:潜艇下水传统上都是通过船坞与海的倾斜滑道实现的。

新型装置:新式下水装置由一个钢平台支撑潜艇并可以垂直在船坞中升降,当潜艇建造完成后,船坞中注满水,升降机下降把潜艇放入水中完成操作。

新式下水装置在升降过程中在高位和低位平台与地基接触时表现了非线性的力学行为,采用ABAQUS/Standard对此系统作了可行性分析。

线导鱼雷

在潮流作用、潮流和风作用以及风浪流联合作用等情形下,对系泊船舶的动力学响应分别进行了仿真研究,系泊系统的动力学行为具有强烈的非线性特征,ABAQUS对于这类的问题,具有很好的解决方案,ABAQUS/AQUA模块专门针对此类问题,可以将波浪、风载荷以及洋流拖曳力的影响考虑进去。

 系泊船舶动力学分析

在潮流作用、潮流和风作用以及风浪流联合作用等情形下,对系泊船舶的动力学响应分别进行了仿真研究,系泊系统的动力学行为具有强烈的非线性特征,ABAQUS对于这类的问题,具有很好的解决方案,ABAQUS/AQUA模块专门针对此类问题,可以将波浪、风载荷以及洋流拖曳力的影响考虑进去。

挪威船级社(DNV)ABAQUS应用简介

挪威船级社是国际知名的船舶评级机构,同时也是船舶行业著名的咨询服务提供商。DNV在船舶设计的早期就引入有限元进行分析,以保证船舶结构的安全性和可靠性,ABAQUS是其分析和模拟仿真的主要工具。DNV使用ABAQUS对船用柴油机结构进行分析,主要进行热传导和热应力分析、发动机曲轴疲劳寿命的预估、发动机装配分析等。

ABAQUS还被使用来对传动轴系结构进行分析、推进器和扭矩机构分析、齿轮箱、助推器、涡轮机分析

DDAM-For-ABAQUS

动力设计分析技术 (Dynamic Design Analysis Method, DDAM) 是船舶设计时必备的分析方法。主要用来评估船载设备在受到冲击情况下的峰值响应,据此可对船载设备的设计和安装提供建议。ABAQUS和美国海军合作推出DDAM-For-ABAQUS,采用现代的GUI界面,在ABAQUS中执行DDAM的分析,为船载设备的设计和安装提供指导性意见。

激光线加热

用火焰喷射器局部线加热是船厂热成型经常使用的方法。激光加热器提供了局部线加热的新工艺,它可以准确聚焦到加热区,容易控制。在进行有限元分析时需要考虑非线性热力耦合行为、传导、对流和辐射等热力学行为。分析过程通常需要非常细化的有限元网格,ABAQUS网格重新划分功能用来实现用户定义的方法,使激光作用的局部网格细化,而总体网格保持不变。

核动力系统工程

为美国海军的提供全部核动力设施和装备的全部三家制造商及研究室都选用ABAQUS作为分析工具,他们是:


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