方案 | 船舶行業仿真應用方案

2018-01-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

船舶工業被稱為是建設“海洋強國”的重要基石。近日,全球最權威的航運造船機構公布的數據顯示,2017年,中國在全球造船三大指標上全面領先,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成功交付。

近年來,伴隨我國船舶工業的飛速發展,船舶設計進入了創新為主流的時代,新的設計規范對研發設計提出新的要求。傳統的、基于工程回歸分析和經驗的船舶設計方法越來越無能為力。新型船舶大量出現,結構設計以及多種型線設計方案的優化需要進行大量船模實驗,因此,如何減少實驗次數,減小費用開支,縮短周期是船舶設計急需解決的問題。本文為大家分享CAE仿真技術在解決船舶總體設計與研發過程中部分常見工程問題。

船舶工業是為航運業、海洋開發及國防建設提供技術裝備的綜合性產業。中國造船業在全球市場上所占的比重一直處于較高水平,中國已經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。在軍船的研發過程中常涉及到強度、剛度、振動與噪聲、抗爆性、疲勞、總體性能、快速性、操縱性與耐波性、穩性等多方面的技術問題,民船的設計往往更偏向于提高結構強度、載重量和快速性等方面,所以民船設計的主要技術問題集中于結構強度與水動力性能方面。

主要應用領域

船體的強度、剛度分析

船體強度問題包括總縱強度、局部強度、扭轉強度、疲勞強度及抗爆強度、結構屈曲等。總縱強度是研究船體整體變形規律和抵抗破壞的能力。集裝箱船等大開口船舶,因船體扭轉剛度相對較低,需要計算扭轉強度。組成船體的各部分結構、節點及其組成的構件還會因局部載荷和(或)船體梁應力而發生變形或受到破壞,這類強度問題通常稱為局部強度。此外,結構的營運和耐久性要求使船上結構的應力集中和疲勞強度變得尤為突出。艦船還需要計算在遭受接觸爆炸或非接觸爆炸后的船體抗爆強度。ANSYS Mechanical軟件可以幫助解決在正常工況下,結構零部件的強度、剛度及穩定性校核問題。下圖是船體整體和局部板架模擬強度分析的案例。

船體的動力學分析

在船舶設計階段,需要進行振動預報(計算振動模態與響應)和結構聲學設計,并對局部結構采取必要的減振降噪措施,避免船上出現有害振動及其伴隨的噪聲。船舶振動包括總振動和局部振動。船體總振動是船舶總體振動形態的一種主要反映和描述方式,船體局部振動是船上各種局部構件的振動,比如船體的自由振動、機械設備引起的船體受迫振動以及機座的減振設計等問題。ANSYS Mechanical動力學分析包含模態分析、瞬態分析、諧響應分析、響應譜分析和隨機振動分析,能模擬船體的自由振動和受迫振動。并在此基礎上進行設備的減振設計。下圖是船舶尾部的自由振動分析和某基座的諧響應分析案例。

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構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構噪聲決定。(2)水下輻射噪聲。船舶在海上航行時引起的水下輻射噪聲主要由機械設備振動產生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結構產生的水下噪聲和水動力噪聲組成。(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生的噪聲和聲納設備本身產生噪聲的總和。借助ANSYS Mechanical軟件聲振耦合分析功能,適用于計算船體設備的振動引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問題,通過合理地優化船舶總體結構與各部件,達到減振降噪的目的。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技術性能的重要指標,抗爆抗沖擊性能的好壞將影響到艦艇服役后特別是在戰斗條件下艦艇的生命力。艦船抗沖擊分析的目的是對船體結構、重要設備及作戰人員采取必要的抗沖擊措施,努力提高全艦的抗沖擊能力,以滿足艦船戰術技術指標的要求。ANSYS LS-DYNA或ANSYS AUTODYN軟件是顯式動力學分析軟件,是進行船舶抗爆炸和抗沖擊問題的有力研究工具。模擬船體在短時間高峰值載荷作用下的時間歷程響應,包括材料的變形、失效以及斷裂等,為結構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

船舶和海洋結構物受到波浪、慣性、撞擊載荷等交變載荷作用,造成結構的疲勞損傷。疲勞破壞是船舶和海洋工程結構的主要破壞形式。疲勞仿真的目的是計算疲勞壽命以及找出疲勞破壞的熱點區域,以最大程度地提高整個船體結構的疲勞壽命。ANSYS nCode Designlife高級疲勞分析和設計軟件可分析船體與零部件由于反復運動引起的高、低周疲勞問題及板架焊縫疲勞問題,比如船體結構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,ANSYS CFD能準確捕捉復雜流動形態及結構;流動區域平均物理量(速度及壓力)的預報已達到較高精度;固壁邊界的水動力系數(摩擦阻力和粘壓阻力系數)的預報已達到一定精度,可用于初步設計、優化設計等工程應用問題;自由表面流動的計算進步較快,波形的預報達到一定的精度。ANSYS流體動力學有兩款軟件ANSYS Fluent和ANSYS CFX,均具有完善的流體動力學分析功能。CFD分析的長處是它允許對更寬范圍的備選船型方案進行測試。比較理想的做法是,它適合用來選擇有希望的備選設計方案作進一步的水池試驗。同時也指明對設計方案進行改進的部位和方法,比如,顯示出船身上的壓力分布的細節。下圖分別是潛艇外流場阻力分析、船舶6自由度運動分析以及潛艇指揮塔圍殼尾跡流模擬。

船舶的動力與推進分析

通過優化船型,可以減小船舶阻力,而改善螺旋槳的推進性能則明顯可以增加船舶的推進效率,可以增加船舶的速度,對推進效率的研究是船舶今后研究的一個重點。螺旋槳在水中旋轉時,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以下,導致此處水激烈汽化,形成氣泡,稱為空泡。空泡的產生、消滅會在瞬間產生很大的沖擊力,造成螺旋槳激烈地振動和剝蝕損傷。ANSYS CFD不但能提供普通勢流方法能提供的結果,如水動力性能、槳葉表面的負荷分布等,還能提供螺旋槳流動所特有的一些重要現象與特征,如槳葉邊界層流動、流動的分離現象、槳葉所受的粘性力以及梢渦的形成與結構、螺旋槳尾流場等,不但能從定性上而且能從定量上預報螺旋槳粘流場,為螺旋槳噪聲、振動提供基礎依據。下圖是水下船舶螺旋槳推進性能分析案例。

船舶的穩性與耐波性分析

船舶在水中運行時,受波浪、海流和風的聯合作用,船舶發生搖動,影響船員的舒適度和船用設備的運行。當船舶靠岸時,需要用錨鏈使其固定在碼頭,錨鏈的強度與系泊穩性也是一個重要的設計問題。ANSYS AQWA致力于水中結構的穩性和耐波性評估,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)、橫蕩和縱蕩運動幅度;在隨機波浪下以及風、浪、流聯合作用下船舶的搖蕩運行響應;集成的纜索動力學模塊能解決船舶系泊設計的問題,比如船舶系泊狀態的穩定性與耐波性;特種船舶海上作業的模擬;以及計算船舶受到的波浪載荷,并能傳遞給結構分析軟件,進行強度分析評估。下圖是船舶耐波性與系泊分析案例。

舶通信設備的電磁場分析

船舶工作在江河以及海洋中,與外界一般通過電磁通信設備進行交流。因此電磁輻射強度的計算既影響通信質量的好壞,也關系到船員的身體健康問題。一般來說,如果不是主動發射電磁波和聲波,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備電磁輻射以及電、磁傳導與感應等分析。為天線布置、電磁兼容以及船舶消磁等提供依據。下圖是某艦船電磁場分析案例。

船舶優化設計分析

全參數化設計使船舶在仿真分析中,能夠實現調節參數快速得到新的結果。DesignXplorer是功能強大而方便易用的多目標優化模塊。實際工程需要多個優化目標,工程中需要產品的總體性能較好,而不是某一項指標最好。產品多項指標皆趨向于最好,而不能某項指標達到最好而無視其它需要。

ANSYS DesignXplorer 可針對零件或組合件做最佳化設計,它根據DOE 方法,定出需要求解的設計重點,使用最有效率的方式得到最佳化結果。ANSYS DesignXplorer 結合了傳統與非傳統的最佳化方法,使用者可以同時考慮多個設計方案,修改現有產品,或是針對新條件快速得到最佳化方案。ANSYS DesignXplorer 分析結果的圖形與數據呈現方式讓使用者一目了然,馬上得知影響產品性能的重要因子。下圖是某船用基座阻尼減振降噪優化分析案例。

船舶多物理場耦合分析

在船舶設計過程中,需要綜合考慮船舶結構、熱、流體和聲等多個學科。多場耦合分析有利于提升船舶的綜合性能。應用實例:水下艦艇耐壓能力、機動性、聲隱身性能綜合研究;內燃機綜合設計等。ANSYS Workbench是世界領先的設計仿真集成平臺。豐富的軟件接口、參數化的建模工具、數據傳遞與數據管理、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現同一界面實現多場耦合: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。