水面舰船结构力学性能虚拟测试初步研究

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(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.江苏现代造船技术有限公司,江苏 镇江 212003；3.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011；4.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001)

1 舰船虚拟试验测试

船舶在实际航行过程中，在波浪中受到的波浪载荷、船舶机舱结构承受的主机激振力、艉部结构受到的螺旋桨的脉动作用力，都是随时间变化的载荷。由于时间变量的存在，结构位移和应力不仅是空间坐标的函数，而且也是时间坐标的函数，这就增加了求解动力问题控制方程的难度。

利用虚拟试验技术进行结构动力分析测试，在建模与仿真试验的环境下，一方面可以求出结构的动态特性，主要指求出结构的固有频率和振型；另一方面可以求出结构对随时间变化的载荷的响应，亦即结构在动载荷作用下的运动规律及应力。舰船虚拟试验测试总体界面框架见图1。

图1 总体界面框架

1.1 船体结构强度虚拟测试技术

结构强度虚拟测试的目的是建立虚拟的海洋环境，模拟船舶在水中航行，实现船舶运动及波浪载荷动态显示[1]。建立样船结构有限元模型的信息数据库，并用有限元软件进行信号数据的运算、分析和处理，使其结构应力的测试结果能够实时输出。测试软件使用时，可以利用外界输入设备改变海洋风浪、船舶行驶速度等，系统经过后台数据的分析计算后得出船体对当前状态的结构响应，并且能在计算机屏幕上时实地显示出来，见图2。其核心技术包括了数字化建模、数字化海洋环境模拟和船体结构响应数字化仿真三个方面。其中，考虑到船舶在航行过程中会受到风浪，拍击，振动等复杂的海洋环境的影响，因此要以实船为原型，尽可能地模拟实船的实际结构，把人为的误差降到最低，最终通过建模与仿真的方法建立虚拟样船。

图2 结构强度测试测点布置

1.2 船体疲劳强度虚拟测试

船体结构疲劳寿命虚拟测试技术通过综合运用虚拟试验技术、船舶结构理论以及疲劳理论来实现在计算机上模拟实船海上试验。其基本思想是通过对被测样船及其工作环境进行仿真建模，测试出样船在虚拟环境中的疲劳应力，并对该试验数据进行疲劳分析，进而获得样机的疲劳损伤结果[2]。根据这种思想，可以通过如图3所示的技术方案在计算机上实现船舶结构疲劳寿命的虚拟测试。首先，建立海洋环境数据库与被测样机的有限元模型(虚拟样机)；然后，根据测试需要，选择海况，并将该海况下的疲劳载荷作用于虚拟样机，进行应力响应分析，测试样机在虚拟海况下的疲劳应力时间历经；最后，对所测得的应力结果进行疲劳分析，给出虚拟样机的损伤结果和寿命。其中，需要突破的关键技术有：①虚拟海况的建立；②虚拟样机的建立；③应力时历的模拟；④航向的模拟。

图3 船体结构疲劳虚拟测试技术方案流程

1.3 船体结构振动虚拟测试

船舶在运行中会受到主机、螺旋桨、波浪等外界激振力的作用而产生不同程度的振动，因此，通过船体振动虚拟测试技术检测船体结构的振动特性并准确地获取振动的固有频率和振动响应，采取相应的减振措施，可以避免共振，降低破坏。

实船总振动激振试验的目的在于确定船体总振动的固有频率(包括垂向、水平、扭转)和固有振型及阻尼特性[3]。本项目基于实船振动试验，把动力分析的有限元技术与模态分析技术相结合，在虚拟测试平台上建立虚拟测试模型，通过选择激励点和测点并对激励点进行正弦激励扫描输入激励，然后输出激励点和测点响应信号以获得船体结构系统频响函数的离散数据，再利用模态参数识别技术对离散数据进行频域模态参数识别，从而得到船体结构总振动的固有频率和振型。

2 舰船结构静强度规范虚拟测试

舰船结构静强度规范虚拟测试采用船体XML文档解析技术完成了TRIBON软件与虚拟测试系统的船体数据转换，并设计了XML文档与测试系统数据库的接口，使舰船测试模型数据能够正确导入虚拟测试系统；将VB+OpenGL三维动态查看模块集成进来，实现了测试对象的三维可视化；利用Windows Shell技术实现了舰船总体性能虚拟测试和结构性能虚拟测试子系统的集成及测试数据(如数值型波浪环境数据)的交互。在总纵强度、局部强度的虚拟测试模块中按照“测试环境-测试对象-测试项目”的测试流程，系统实现了对基于规范的船体结构静强度数字化测试与验证。

2.1 测试对象获取

测试系统使用的三维电子样船模型来源于Tribon系统输出到船体XML文档的结构数据信息(包括船体各个分段、板架、开孔、剖面等及相关的属性信息、拓扑信息和几何数据的建模特征等)。通过将XML文件里表达的建模数据利用解析工具进行解析，按一系列自定义的数据命令格式写入并存储至系统内部，即可用基于VB6.0编写相关程序来读取必要的结构数据进行基于军规的强度校核和军规知识库的测试，见图4。

图4测试模型获取

2.2 三维电子样船显示

通过解析XML文件导入虚拟测试应用程序的船体模型可以实现某一视角的三维显示(见图5)，用户可以从任何有利位置查看模型、干涉检验、进行工程分析、提取相关数据、输出模型创建动画等，因此将VB+OpenGL三维动态查看模块集成到虚拟测试系统，不仅可以实现测试对象的三维可视化，更有利于对测试模型的结构特征进行分析。

图5 测试模型三维显示

2.3 总纵强度规范测试

1)载荷计算部分为结构静强度军规校核提供了外部波浪载荷数据，载荷计算依据“坦谷波”理论，计算出静水状态下的剪力曲线和弯矩曲线，波浪载荷的剪力曲线和弯矩曲线、静水和波浪的合成剪力曲线和弯矩曲线、砰击弯矩曲线，实现了剪力和弯矩的程序化自动计算[4]。

2)通过输入肋位号，选择校核剖面，即可依据输入的肋位号实现剖面数据的自动提取，并将剖面模数计算结果输出到表格。

3)依据规范要求，欧拉应力的计算要将剖面中的构件分为三种类型：纵骨架式板、T型材面板、纵骨，每种构件类型都对应着不同的计算公式。整个剖面的所有构件的总纵弯曲应力的校核即可依据欧拉应力校核结果和载荷计算部分的弯矩值来完成。

4)极限强度的计算是根据船体剖面中距中和轴最远处的刚性构件(通常为上纤维)达到材料屈服极限(中拱)或构件的临界应力(中垂)时的总纵弯矩值来进行测试。其它构件的极限弯曲应力则按照各自距中和轴的距离和上纤维距中和轴的距离的比值来确定。得出极限弯矩之后，再结合砰击弯矩，静水弯矩，波浪弯矩，按照极限强度校核准则，进行极限强度的校核。剪切强度即可通过计算构件剪切应力来进行强度分析，如果校核的构件为板的话，还要计算剪切欧拉应力，以判断其是否失稳。

2.4 局部强度规范测试

以甲板局部强度虚拟测试为例，介绍基于规范的局部强度虚拟测试流程[5-6]。

1)首先，利用XML解析方法和特征识别技术抽取出甲板板架的全部结构信息后存入系统内部自定义的数据类型数组中，将甲板或平台局部测试模型的三维信息通过矩阵转换输出到VB6.0图片框进行二维显示，其XML的树型结构层次信息也依次在左边Treeview控件中列出。

2)对于甲板板格的计算存在4种载荷形式：

飞溅水作用的载荷、主甲板遮蔽部分以及不考虑破损压头的下层甲板和平台的计算载荷、保证舰艇不沉性的甲板的计算载荷和液舱结构的计算载荷。通过输入计算截面的肋位号，程序自动判断测试部位的载荷计算类型，并将全船载荷值输出到表格框。

3)甲板板及平台板按四周刚性固定且承受均布载荷的绝对刚性板计算，计算时需要根据骨材间距和骨材跨距来对板格进行划分。甲板及平台纵骨按刚性固定在甲板横梁上承受均布载荷的梁计算。

4)根据上述流程的测试结果，程序会自动生成相应的doc格式的测试报告，表明结构强度的合格区域和危险区域，以便于结构型式的改进和完善。

3 测试案例

以某型舰船的电子模型为船体结构数据来源,见表1，选取主甲板板架的#12、#25、#40、#65、#80和#95肋位的局部强度测试结果,见表2、3。将上述测试结果与甲板局部强度计算书进行对比，结果基本一致，结构的测试应力均达到了许用应力的要求。

表1 船体结构主要参数

表2 甲板板强度测试案例

表3 甲板骨材强度测试案例

4 结论

舰船总体虚拟测试系统是一个集成了海洋环境数据库技术、动态海况显示技术、测试对象的三维显示技术，功能上包含了舰船总体性能虚拟测试和结构性能虚拟测试的综合应用系统。通过对整个测试系统的不断调试和改进，目前在整个测试过程中，各个功能模块均能稳定运行，对比人工测试方法大大缩短了时间，提高了工作效率和准确性。

[1] 李洛东.船体结构强度虚拟测试技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.

[2] 冯 观.船舶疲劳强度虚拟测试方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.

[3] 张红星.船体自由振动虚拟测试技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.

[4] 李 坤,何吾兴,张家新,等.排水型水面船舶总纵强度虚拟测试系统初步研究[C]∥第二届信息、电子与计算机工程国际学术会议(ICIECS2010),山东:淄博,2010,11.

[5] 朱 锡.水面舰艇结构[M].大连:大连海事大学出版社, 2000.

[6] GJB/Z-199-99,水面舰艇结构设计计算方法[S].北京:中国人民解放军总装备部批准,1999.