方案 | 船舶行业仿真应用方案

2018-01-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

船舶工业被称为是建设“海洋强国”的重要基石。近日,全球最权威的航运造船机构公布的数据显示,2017年,中国在全球造船三大指标上全面领先,完工量、新接订单量和手持订单量都位居世界第一位,并且系列高端船型都已经成功交付。

近年来,伴随我国船舶工业的飞速发展,船舶设计进入了创新为主流的时代,新的设计规范对研发设计提出新的要求。传统的、基于工程回归分析和经验的船舶设计方法越来越无能为力。新型船舶大量出现,结构设计以及多种型线设计方案的优化需要进行大量船模实验,因此,如何减少实验次数,减小费用开支,缩短周期是船舶设计急需解决的问题。本文为大家分享CAE仿真技术在解决船舶总体设计与研发过程中部分常见工程问题。

船舶工业是为航运业、海洋开发及国防建设提供技术装备的综合性产业。中国造船业在全球市场上所占的比重一直处于较高水平,中国已经成为全球重要的造船中心之一。船舶从用途上分类,可分为军用船舶和民用船舶两大类。在军船的研发过程中常涉及到强度、刚度、振动与噪声、抗爆性、疲劳、总体性能、快速性、操纵性与耐波性、稳性等多方面的技术问题,民船的设计往往更偏向于提高结构强度、载重量和快速性等方面,所以民船设计的主要技术问题集中于结构强度与水动力性能方面。

主要应用领域

船体的强度、刚度分析

船体强度问题包括总纵强度、局部强度、扭转强度、疲劳强度及抗爆强度、结构屈曲等。总纵强度是研究船体整体变形规律和抵抗破坏的能力。集装箱船等大开口船舶,因船体扭转刚度相对较低,需要计算扭转强度。组成船体的各部分结构、节点及其组成的构件还会因局部载荷和(或)船体梁应力而发生变形或受到破坏,这类强度问题通常称为局部强度。此外,结构的营运和耐久性要求使船上结构的应力集中和疲劳强度变得尤为突出。舰船还需要计算在遭受接触爆炸或非接触爆炸后的船体抗爆强度。ANSYS Mechanical软件可以帮助解决在正常工况下,结构零部件的强度、刚度及稳定性校核问题。下图是船体整体和局部板架模拟强度分析的案例。

船体的动力学分析

在船舶设计阶段,需要进行振动预报(计算振动模态与响应)和结构声学设计,并对局部结构采取必要的减振降噪措施,避免船上出现有害振动及其伴随的噪声。船舶振动包括总振动和局部振动。船体总振动是船舶总体振动形态的一种主要反映和描述方式,船体局部振动是船上各种局部构件的振动,比如船体的自由振动、机械设备引起的船体受迫振动以及机座的减振设计等问题。ANSYS Mechanical动力学分析包含模态分析、瞬态分析、谐响应分析、响应谱分析和随机振动分析,能模拟船体的自由振动和受迫振动。并在此基础上进行设备的减振设计。下图是船舶尾部的自由振动分析和某基座的谐响应分析案例。

船舶的噪声分析

船舶噪声来源主要有(1)舱室噪声。舱室噪声是由船舶的结构噪声和空气噪声共同引起的。除空气声源舱室和邻近舱室中的舱室噪声主要由空气噪声决定外,其它舱室的舱室噪声主要由结构噪声决定。(2)水下辐射噪声。船舶在海上航行时引起的水下辐射噪声主要由机械设备振动产生的水下噪声、螺旋桨噪声、螺旋桨脉动压力作用在艉部结构产生的水下噪声和水动力噪声组成。(3)自噪声。自噪声是指声纳接收换能器所接收到的其载体产生的噪声和声纳设备本身产生噪声的总和。借助ANSYS Mechanical软件声振耦合分析功能,适用于计算船体设备的振动引起的声辐射、水下舰艇的声辐射、阻尼与隔振等问题,通过合理地优化船舶总体结构与各部件,达到减振降噪的目的。下图是水下某舰艇声辐射分析案例。

船舶的抗爆性分析

舰船抗爆抗冲击性能已成为衡量其战技术性能的重要指标,抗爆抗冲击性能的好坏将影响到舰艇服役后特别是在战斗条件下舰艇的生命力。舰船抗冲击分析的目的是对船体结构、重要设备及作战人员采取必要的抗冲击措施,努力提高全舰的抗冲击能力,以满足舰船战术技术指标的要求。ANSYS LS-DYNA或ANSYS AUTODYN软件是显式动力学分析软件,是进行船舶抗爆炸和抗冲击问题的有力研究工具。模拟船体在短时间高峰值载荷作用下的时间历程响应,包括材料的变形、失效以及断裂等,为结构抗爆性问题提供完备的解决方案。下图是冲击、碰撞或水下爆炸作用下舰艇局部抗爆性分析的案例。

船舶的疲劳耐久性分析

船舶和海洋结构物受到波浪、惯性、撞击载荷等交变载荷作用,造成结构的疲劳损伤。疲劳破坏是船舶和海洋工程结构的主要破坏形式。疲劳仿真的目的是计算疲劳寿命以及找出疲劳破坏的热点区域,以最大程度地提高整个船体结构的疲劳寿命。ANSYS nCode Designlife高级疲劳分析和设计软件可分析船体与零部件由于反复运动引起的高、低周疲劳问题及板架焊缝疲劳问题,比如船体结构整体或局部疲劳分析、焊缝疲劳分析等。下图是水下某舰艇声辐射分析案例。下图分别是船体与某焊缝疲劳分析案例。

船舶的流体阻力分析

在船舶行业,ANSYS CFD能准确捕捉复杂流动形态及结构;流动区域平均物理量(速度及压力)的预报已达到较高精度;固壁边界的水动力系数(摩擦阻力和粘压阻力系数)的预报已达到一定精度,可用于初步设计、优化设计等工程应用问题;自由表面流动的计算进步较快,波形的预报达到一定的精度。ANSYS流体动力学有两款软件ANSYS Fluent和ANSYS CFX,均具有完善的流体动力学分析功能。CFD分析的长处是它允许对更宽范围的备选船型方案进行测试。比较理想的做法是,它适合用来选择有希望的备选设计方案作进一步的水池试验。同时也指明对设计方案进行改进的部位和方法,比如,显示出船身上的压力分布的细节。下图分别是潜艇外流场阻力分析、船舶6自由度运动分析以及潜艇指挥塔围壳尾迹流模拟。

船舶的动力与推进分析

通过优化船型,可以减小船舶阻力,而改善螺旋桨的推进性能则明显可以增加船舶的推进效率,可以增加船舶的速度,对推进效率的研究是船舶今后研究的一个重点。螺旋桨在水中旋转时,桨叶的背面压力降低形成吸力面,如果背部的压力下降到水的汽化压强以下,导致此处水激烈汽化,形成气泡,称为空泡。空泡的产生、消灭会在瞬间产生很大的冲击力,造成螺旋桨激烈地振动和剥蚀损伤。ANSYS CFD不但能提供普通势流方法能提供的结果,如水动力性能、桨叶表面的负荷分布等,还能提供螺旋桨流动所特有的一些重要现象与特征,如桨叶边界层流动、流动的分离现象、桨叶所受的粘性力以及梢涡的形成与结构、螺旋桨尾流场等,不但能从定性上而且能从定量上预报螺旋桨粘流场,为螺旋桨噪声、振动提供基础依据。下图是水下船舶螺旋桨推进性能分析案例。

船舶的稳性与耐波性分析

船舶在水中运行时,受波浪、海流和风的联合作用,船舶发生摇动,影响船员的舒适度和船用设备的运行。当船舶靠岸时,需要用锚链使其固定在码头,锚链的强度与系泊稳性也是一个重要的设计问题。ANSYS AQWA致力于水中结构的稳性和耐波性评估,可模拟船舶在各种波浪方向、浪角、相位、频率下船舶的横摇、纵摇、首摇、垂荡(升沉)、横荡和纵荡运动幅度;在随机波浪下以及风、浪、流联合作用下船舶的摇荡运行响应;集成的缆索动力学模块能解决船舶系泊设计的问题,比如船舶系泊状态的稳定性与耐波性;特种船舶海上作业的模拟;以及计算船舶受到的波浪载荷,并能传递给结构分析软件,进行强度分析评估。下图是船舶耐波性与系泊分析案例。

舶通信设备的电磁场分析

船舶工作在江河以及海洋中,与外界一般通过电磁通信设备进行交流。因此电磁辐射强度的计算既影响通信质量的好坏,也关系到船员的身体健康问题。一般来说,如果不是主动发射电磁波和声波,那么电磁辐射水平越低越好。采用ANSYS HFSS 和ANSYS Maxwell软件模拟船舶通信设备电磁辐射以及电、磁传导与感应等分析。为天线布置、电磁兼容以及船舶消磁等提供依据。下图是某舰船电磁场分析案例。

船舶优化设计分析

全参数化设计使船舶在仿真分析中,能够实现调节参数快速得到新的结果。DesignXplorer是功能强大而方便易用的多目标优化模块。实际工程需要多个优化目标,工程中需要产品的总体性能较好,而不是某一项指标最好。产品多项指标皆趋向于最好,而不能某项指标达到最好而无视其它需要。

ANSYS DesignXplorer 可针对零件或组合件做最佳化设计,它根据DOE 方法,定出需要求解的设计重点,使用最有效率的方式得到最佳化结果。ANSYS DesignXplorer 结合了传统与非传统的最佳化方法,使用者可以同时考虑多个设计方案,修改现有产品,或是针对新条件快速得到最佳化方案。ANSYS DesignXplorer 分析结果的图形与数据呈现方式让使用者一目了然,马上得知影响产品性能的重要因子。下图是某船用基座阻尼减振降噪优化分析案例。

船舶多物理场耦合分析

在船舶设计过程中,需要综合考虑船舶结构、热、流体和声等多个学科。多场耦合分析有利于提升船舶的综合性能。应用实例:水下舰艇耐压能力、机动性、声隐身性能综合研究;内燃机综合设计等。ANSYS Workbench是世界领先的设计仿真集成平台。丰富的软件接口、参数化的建模工具、数据传递与数据管理、流程化的分析是其主要的特色。良好的软件集成性使其能实现同一界面实现多场耦合:流-固耦合、声-振耦合、热-固耦合、电磁-热耦合以及其他类型的耦合等。下图是某船舶管路流-固-热耦合分析案例。