肖志远
中航复合材料有限责任公司,北京 101300
摘要：近些年，受我国社会发展的影响，我国的科学水平不断提升。由于船舶在日常营运过程中需要承受复杂的力学载荷，比如海浪拍击作用力、船载设备的重力等，船舶复杂结构比如舱壁的肋板、动力系统结构件等一旦出现结构破坏，会造成严重的事故。因此，为了保证船舶结构在复杂力学工况下不会产生失效现象，必须针对船舶复杂结构件进行力学优化。有限元分析法是业界目前应用非常广泛的一种强度分析法，本文主要介绍有限元分析法的基本流程，结合三维建模软件CREO和有限元划分软件Hypermesh以及有限元分析软件Ansys对船舶舱壁的肋板进行强度分析和优化设计。
关键词：有限元分析；CREO；Hypermesh；Ansys；强度分析
引言
现代的航行条件以及航运的特点对船舶的性能提出了越来越高的要求。船舶结构较为复杂，船舶的结构设计是船舶设计的基础，而船舶的结构强度分析是船舶结构设计中的一个重要环节，对于保证船舶的安全性和稳定性起着至关重要的作用。通过结构强度分析，能够体现船舶结构的载荷能力，并根据分析结果对原有设计进行改进，以实现船舶承载性能的优化。现代的数值分析方法为船舶的结构强度分析提供了较多的解决思路，而有限元分析是应用较为广泛的一种。在有限元分析中，将复杂的船舶外形与结构划分为大量的网格单元，并将所受到的载荷离散化到网格单元中，实现对结构强度的计算。其中载荷离散化是整个计算分析的一个重要步骤，往往需要花费较长的时间与计算资源，所以需要较为合理的载荷离散化方法，在保证计算精度的同时，提高结构强度分析的效率。
1有限元分析技术概述
有限元法是当今工程界应用最广泛的数值模拟方法。它的基本思想可以概括为：“先分后合”或“化整为零又积零为整”，有限元法适应性强，运用非常广泛，能够灵活的解决许多具有复杂的工况和边界条件的问题。目前著名的有限元分析软件主要有ANSYS、ALGOR、ADINA、NASTRAN、ADAMS等。
有限元分析过程主要分成三个阶段，即创建有限元模型、加载求解和查看求解结果。创建有限元模型是建立或导人结构的几何模型，设置有限元模型的各种参数，包括单元类型选择，单元参数设置，材料特性以及分析类型选择等，最后将模型划分网格。因为分析计算结果的准确度与有限元模型的精确度息息相关，在一定范围内，计算结果的准确度与模型的精确度成正比相关，所以前处理过程显得至关重要。经过前处理后，即可进入加载求解环节，需定义分析类型和分析选项，并合理加载，即可进行求解，查看求解结果包括结果的观察、分析和检验，根据结果即可得到相应的评估结论。
在对起重机金属结构进行安全评估时，需选择一些评价指标，如结构强度，刚度、稳定性等。如果都以现场检测的方式获取这些指标的评价值，往往会需要很高的成本，而且有些评价值很难或根本无法通过现场检验获取。而利用有限元分析技术，则可以在使用较低的成本，同时又能满足较高精度的前提下，对起重机金属结构进行仿真计算，从面获取相应的评价值。
2有限元分析在船体复杂结构强度计算与优化中的应用
2.1壁的肋板结构的有限元模型建立
有限元模型的建立是进行Ansys有限元分析的基础和前提，在结构的静力学分析过程中，有限元模型是无数个离散点组成的几何模型，模型建立的准确性直接决定了有限元仿真的精度。在建立有限元模型时，需要考虑以下几个要素：
1）仿真可靠性
为了保证有限元仿真的可靠性，在建立模型时需要充分考虑模型的力学性质，采用合理的单元类型、载荷和应力、应变方程去模拟实际的结构。比如，在进行船舶甲板的力学分析时，为了提高可靠性，可以采用壳单元对甲板进行建模。
2）精确性
由于有限元模型的单元具有不同的精度，为了提高仿真的准确性，在建模时可以采用1阶、2阶和3阶精度单元。
3）模型抗干扰能力
所谓模型抗干扰能力是指有限元模型当几何形状发生变化时，模型的材料参数、泊松比、应力与应变特性等不发生变化。具有一定抗干扰能力的有限元模型可以适应不同的仿真环境，也能降低有限元仿真的工作量。Ansys尽管在力学分析方面有强大的性能，但模型处理方面相对较弱，为了提高有限元建模的效率，本文结合三维建模软件CREO建立船舶舱室肋板的模型，然后将三维模型导入Ansys中，建模如下：在划分有限元网格时，必须同时兼顾计算精度和运算量，船舶舱室肋板结构的有限元网格需要满足以下要求：
1）肋板的加强筋位置的网格需要按照船体的纵向划分，确保力学特性的传递；
2）肋板的有限单元采用SHELL63单元，定义壳单元的实常数为10；
3）肋板与横梁接触位置的网络要密，且以正六面体单元为优。
为了提高有限元仿真的精度，船舱模型的板结构采用SHELL63进行划分，侧边的加强筋和横梁采用BEAM24单元划分，有限元模型的单元尺寸大小取0.35?m。本文结合有限元划分软件Hypermesh建立了船舶结构的有限元模型，该模型中共有3?649个SHELL63单元和265个BEAM24梁单元。船舶舱室肋板的有限元模型如图1所示。
图1 船舶舱室肋板的有限元模型
2.2结构稳定性分析
在对起重机进行安全评估时，稳定性是一个重要指标，小至构件中的一块板件，大至整台起重机，都可能会出现稳定性的问题。结构稳定性分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的屈曲载荷和屈曲模态形状的技术。结构稳定性分析主要分为特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。特征值屈曲分析用于分析理想结构的临界载荷，它是一种线性分析技术，在现实世界，结构的缺陷和非线性特性使得很难准确地得到它们的特征值，并由此来预测屈曲强度，特征值分析往往高估了现实结构的屈曲强度，但由于该方法计算简单，并且是非线性计算结果的上限，对初步了解结构整体稳定性十分有效，目前仍被广泛采用，非线性屈曲分析用于分析实际结构的极限载荷，可以包含结构的几何缺陷、载荷浮动、材料非线性和裂纹等多种因素的影响。图2为某龙门起重机一阶失稳模态，其稳定性系数入=0.44278，由此可见，其稳定性不符合要求，需对结构进行改造。
图2为龙门起重机一阶失稳模态
结语
船舶复杂结构的强度计算与优化有助于指导船舶设计与制造过程，本文针对船舶舱室肋板结构，结合有限元分析技术和相应的软件平台，进行船舶舱室肋板的有限元建模和力学分析。
参考文献
[1]程庆和.船舶智能化设计技术现状及发展规划[C]//中国造船工程学会.2018年数字化造船学术交流会议论文集.中国造船工程学会:中国造船工程学会,2018:6.
[2]张圣东,杨秀英,黄强,等.波浪载荷作用下船体大变形对尾轴承负荷的影响[J].船舶工程,2018,40(S1):69–74.
[3]黄明智.?船舶与海洋工程结构极限强度分析[J].?工程技术(文摘版)·建筑:?79-79.
[4]杨超峰,?朱加刚,?刘安,?等.?船舶结构优化新方法基于考虑敏感性的缩放有限元法[J].?中国水运(下半月),?2013,?13(8):115–116.