The Application of HyperWorks to Hull Structure Vibration Calculation
周清华 郑雷 郑凡
江南造船(集团)有限责任公司 上海 201913
摘 要: 应用有限元软件 HyperWorks 对某超大型散货船船体振动特性进行数值分析。通过建立整船三维有限元模型;采用边界元方法计算附连水质量;运用Lanczos 方法求解船体梁总振动固有频率和振型,为上层建筑的振动响应分析提供了重要的模态参数。应用结果表明 HyperWorks 对于预测船体振动特性是切实可行的。
关键词: HyperWorks ;HyperMesh ;OptiStruct12.0;模态分析;附连水质量
Abstract: The vibration characteristics of a large bulk carrier are calculated by finite element software HyperWorks in this paper. A global finite element model was created. Virtual fluid mass was calculated by the boundary element method, and hull girder’s natural frequency and vibration mode was calculated by the Lanczos method. This can provide the important modal parameters for the forced vibration response an alysis of superstructure. The application results show that HyperWorks can be efficiently used to predict the hull structure vibration characteristic.
Keywords: HyperWorks ; HyperMesh ; OptiStruct12.0 ; modal an alysis; virtual fluid mass
船舶的有害振动直接影响到船舶结构的安全性、设备的可靠性和居住的舒适性, 因此有必要在船舶设计阶段对总体振动性能进行预报,以便在结构设计方面采用合理的方案和必要的措施。随着计算机技术的迅猛发展, 软件技术不断推陈出新,有限元方法日益成为一种常用的数值计算方法被推广应用于船舶领域。而目前运用有限元法对整船结构进行振动计算仍然存在诸多困难。其原因在于: 第一、船舶结构复杂, 设备种类繁多,需要用不同类型的单元来模拟整船的实际刚度和质量分布;第二、庞大复杂的船舶结构不可避免地存在许多局部模态,造成总振动模态识别的困难,有必要合理简化模型;第三、由于船舶是漂浮在水中的弹性体,船舶的振动分析必须计及流体的影响。因此, 有必要对船舶结构振动的有限元计算方法进行深入研究。
HyperWorks 是美国 Altair 公司研制开发的性能卓越、功能全面的 CAE 软件工具,可以帮助结构工程师在虚拟环境下克服结构设计和性能测试中的各种困难和挑战,快速实现设计和决策。本文以 HyperWorks 为平台,使用前处理器 HyperMesh 和有限元求解器OptiStruct 对某超大型散货船进行模态分析,通过对相关功能和应用方法进行研究,为船舶振动分析提供了新的技术手段。
在模态分析中,系统无阻尼自由振动方程可表示为:

式中,M 为船体结构总质量矩阵(包括附连水质量矩阵);K 为船体结构总刚度矩阵;x 为位移向量。
设无阻尼自由振动的解为:

式中,⑴ 为模态固有频率;φ为模态向量。
将式(2)代入式(1)中,可得:

根据线性代数方程组理论有非零解的充要条件,则

求解得到船舶各阶固有频率和相应的模态向量。
3.1 船壳几何模型的创建方法
船壳由于曲率相对复杂,而 CAE 软件的几何造型功能往往较弱,通常采用手工输入型值数据的方法效率较低,文中给出了三种创建方法,均可快捷有效地创建船壳几何模型,如下:
1)利用二维设计软件 AutoCAD 优秀的平面建模功能和前处理器 HyperMesh 强大的网格划分技术进行交互化建模。将 AutoCAD 绘制的肋骨型线图以.dxf 格式文件导入至HyperMesh 中,所有型线信息均保存完整,通过平移和投影等功能将其生成三维几何模型。该方法不仅可以建立船壳,而且能精确定位外板纵骨和甲板位置,为有限元网格划分提供了边界,该方法尤其适用于复杂的船体结构建模;
2)采用专业的 CAD 软件创建船壳几何模型,生成中间格式文件,并将其导入至HyperMesh 软件中。HyperMesh 提供了各种 CAD 软件(UG,PROE,CATIA 等)的无缝接口。将船舶设计软件 NAPA 建立的船壳模型以.igs 格式文件导入至 HyperMesh 中,模型在转换过程中未出现数据丢失和模型失真现象,仅需通过压缩共享边,抑制共享面的方法,对曲面自动缝合,去除间隙,即可提高曲面质量,为下一步自动网格生成器划分出高质量的网格提供条件;
3)借用 HyperMesh 二次开发平台,运用 TCL/TK 工具语言实现几何数据导入。例如,编写一个可用于读取点信息的 TCL 脚本文件,将保存型值数据的 CSV 格式文件导入,即可轻松实现船体剖面型值点的读取,避免了繁重的手工输入。
3.2 有限元模型的创建方法
在几何模型的基础上,建立结构有限元模型。建模中, 船体的各类板如甲板、舱壁和外板等采用能同时承受弯曲和平面拉伸的壳单元模拟;横梁、纵桁和纵骨等采用带有弯曲要素的梁单元模拟,并考虑偏心的影响;扶强材、加强筋和立柱等采用承受拉压作用的杆单元模拟;一些特殊结构如尾部铸钢件采用体单元模拟。
船舶质量不仅包括由钢材组成的结构质量,而且包括甲板敷料,舾装件,轮机件等非结构质量。根据重量分布曲线调整船舶各分段的材料密度, 采用质量点单元模拟设备、货物和压载,将其均摊至刚度较强的“硬”节点上,以避免产生不必要的局部模态,有利于总振动的识别。设备、货物和压载的定义见图 1。
图 1 质量点模拟的设备、货物和压载
网格划分质量直接影响到振动计算 的精度和速度,应尽可能划分规则 的网格 。 HyperMesh 提供的网格划分工具非常丰富,可以满足不同需求。对于船舶分析中常用的壳单元而言,采用自动划分和人工干预相结合的方式划分网格。在 Automesh 面板中,选定网格划分算法(Algorithm)、单元长度(Size)和单元形状(Type)等控制参数,即可快速地划分网格。通过 Check Elems 面板检查网格质量,对于质量较差单元,可以通过对局部重新划分、调整个别节点位置或拆分个别单元等方法进行修改,同时利用 Smooth、Cleanup 和 Quality Index 等网格自动优化功能提高网格调整的效率。
材料参数:弹性模量(EX)为 2.06E+5MPa,泊松比(NUXY)为 0.3,密度(DENS)根据各分段的实际重量取值;模型规模:单元总数为 111843 个,节点总数为61471 个。
整船三维有限元模型见图2。
图 2 整船三维有限元模型
4.1 附连水质量计算
附连水质量与船体形状、振动阶数和水深等因素有关, 由于船体表面形状不规则,无法用数学方法精确确定各阶振动时附连水质量的大小,文中采用了工程应用中常用的两种求解方法,如下:
1)刘易斯图谱法
传统的附连水质量计算采用的是刘易斯图谱法,前五阶总振动的各个剖面处单位长度上的附连水质量由下式计算:

式中,av 为浅水修正系数;ah 为狭窄航道修正系数;Cv、Ch 分别为垂向、水平振动时的附连水质量修正系数;Ki 为三维流动修正系数;ρ为海水密度,t/m3;b 为计算剖面处的水线半宽,m;d 为计算剖面处的吃水,m;i 为船体梁振动阶数。
具体实现过程:根据计算得到的附连水质量,在水线以下的各个节点上创建质量点单元即可。
2)边界元法
采用 OptiStruct 中的 MFLUID 功能自动实现流体-结构耦合振动计算过程。其原理是施加一个虚拟质量矩阵MA来实现不可压缩流体对船体结构的作用,使用 Helmholtz 方法(即边界元法)求解流体运动的拉普拉斯方程,可得到速度势和压力场为:

式中, u.i 为任意节点ri 处速度向量; Aj为结构表面上微元的面积;σj为j节点处的速度向量;eij为从j点到i点的单位向量; pi 为Aj上的压力。
通过对有限元单元表面进行积分,将压力转化为节点力F,根据F = MA . u… 求解虚拟质量矩阵MA。
具体实现过程:在控制卡片(Bulk Unsupported Cards)中,通过卡片 MFLUID 定义参考坐标系、液面高度、流体密度、流固耦合界面、是否有对称边界条件、积分方法等参数;在接触面(Contact Surface)中,定义构成“湿面”的二维单元,流固耦合界面由一组 TRIA3或 QUAD4 单元组成;在载荷步(Load Step)中,通过定义 MFLUID=SID 标识流固耦合分析。
图 3 为定义的接触面。
图 3 接触面
4.2 总振动计算
在载荷集(Load Collector)中,通过定义卡片 EIGRL 设置模态分析控制参数,将分析频率范围设置为 0.1Hz~20Hz。在载荷步(Load Step)中,统一设置载荷工况,运行 OptiStruct求解器进行模态运算,调用 HyperView 查看结果。采用 Block Lanczos 作为特征值解法求解船舶自由振动的模态,计算结果见表 1。
表1 前3阶垂向和水平振动固有频率及振型特征

当采用流固耦合有限元整船分析方法计算船体固有频率时,其 1~3 阶固有频率应与激励频率分别错开±8%~ ± 10%、±10%~ ± 12%和±12%~ ± 15%。由表 1 可知,前三阶船体总振动固有频率均远离主机激励频率和螺旋桨叶频,不会产生船体梁共振,船舶总振动的固有频率储备值满足规范要求。
选取满载和压载两种典型装载工况,对通过两种附连水质量计算方法得到的固有频率值进行比较分析,见表 2。
表 2 附连水质量计算方法比较

由表2 可知,附连水质量较大幅度地降低了船体总振动的固有频率,最大降幅达到28%;两种计算方法得到的船体总振动固有频率大小较为接近,最大差别出现在压载状态下的垂向振动,达到 20%;由刘易斯图谱法的垂向振动附连水质量计算公式可知,船宽对附连水质量影响较大,而本船的方型系数大,船中区域不同水线处的船宽基本相同,致使由刘易斯图谱法计算得到的不同装载状态下的垂向振动附连水质量差别很小,压载状态下的垂向振动附连水质量相对偏大,从而固有频率的计算结果偏小。由此可见, 由于刘易斯图谱法是在圆柱体试验基础上加上首尾三维修正而得到的,适用于细长体船,且只能考虑前 5 阶总体垂向和水平振动,其计算精度得不到保证,针对该问题,OptiStruct 基于边界元法开发的 MFLUID功能给出了理想的解决方法。
Altair HyperWorks 为船舶结构设计提供了完整的 CAE 解决方案,特别是高效的结构有限元建模工具 HyperMesh 和强大的结构分析工具 OptiStruct。实例应用证明:HyperMesh可以直接导入 NAPA、AutoCAD 几何模型,并通过强大的几何清理和网格生成技术快速有效地建立高质量的整船三维有限元模型,简化了复杂船体结构的有限元建模过程,大幅提高了建模效率; OptiStruct 基于边界元方法开发的 MFLUID 功能可以有效地考虑附连水质量对船舶振动固有频率的影响,突破了刘易斯图谱法的局限性,提高了船体结构高阶振动分析的精度。综上所述, HyperWorks 软件对于提高船舶振动有限元分析工作的质量和效率有着重要的意义。
[1] HyperWorks12.0 Tutorials,Altair company.2014
[2] 金咸定,夏利娟.船体振动学[M].上海:上海交通出版社,2011.[3]杜洋,刘昕辉,王志明等.基于 HyperWorks 的齿轮泵泵体模态分析[J].北华大学学报(自然科学版), 2011,12(6):716-719.
[4] 中国船级社.船上振动控制指南[S].北京:人民交通出版社,2000.
[5] 周清华,冯翰林,杜国和. 基于 HyperWorks 的船舶艏部舱段结构有限元分析[C].Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集,2012.
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