基于AQWA的游艇水动力分析方法

2016-03-30撰文广东海洋大学工程学院黄斯慧吕鸿冠黄技李志安

智能制造 2016年1期

关键词：游艇船体时域

撰文/广东海洋大学工程学院　黄斯慧　吕鸿冠　黄技　李志安

基于AQWA的游艇水动力分析方法

撰文/广东海洋大学工程学院黄斯慧吕鸿冠黄技李志安

利用海洋工程水动力分析软件AQWA，在线性波浪条件下对一艘游艇进行水动力分析，得到该游艇在不同海浪入射方向上的转动力矩及船体外板应力的时域变化规律，为游艇的前期设计及建造过程提供一种思路。

一、引言

游艇是一种新型的高级水上娱乐消费品，它集日常居家、海上观光和休闲娱乐等功能于一身，满足个人及家庭享受生活的需要。我国的游艇产业发展只有十几年，相对欧美等发达国家，我国的游艇建造技术仍然处于相对落后的阶段。但是，随着我国经济的迅猛发展，游艇产业形势日益乐观，特别是对于富裕阶层的消费者，游艇已经成为必不可少的娱乐消费品。

由于游艇是一种较新的海上航行器，目前大部分船舶建造规范仍然不涉及游艇领域。直到近几年，中国船级社CSS颁布了《游艇入级与建造规范》等文件，才让游艇的建造过程相对规范化。但是，由于游艇结构的特殊性及功能的定制性，当面对广大消费者的独特设计需求时，游艇的结构强度与航行性能一直困扰着游艇工程师。因此，寻找一种新的计算游艇水动力性能的方法对我国的游艇产业的发展及游艇的安全性能有巨大的现实意义。

二、AQWA简介

AQWA是一款海洋工程水动力性能的计算软件，在日常的生产设计中，AQWA主要用于满足各种结构流体动力学特性评估相关分析的需求。AQWA的分析范围从桅、桁到FPSOs，从TLPs到半潜水系统，从停泊系统到救生系统，从渔船到大型船舶以及结构与流体间交互作用。

AQWA的计算模块覆盖流体分析的全部范围：AQWA-LINE主要用于分析流体的衍射、辐射（包括浅水效应）；AQWA-FER主要用于分析具有随机波的频域；AQWA-DRIFT主要用于分析具有随机波（包括慢漂流）的时域；AQWA-NAUT主要用于分析具有宽大波的非线性时域；AQWA-LIBRIUM主要用于分析包括停泊线的静动稳定性。最后所有的模块集成于强大的前后处理器AQWA——图形超级用户界面。因此，AQWA作为一款专业的海洋工程水动力分析软件，在海洋航行器及海洋平台的结构设计中一直具有不可取代的地位。

游艇产业作为一种新兴的产业，目前市面上AQWA水动力分析在游艇设计中的应用十分稀少。由于游艇自身结构的特殊性，导致目前的船舶建造规范并不适用于游艇建造，即使近几年中国船级社（CSS）颁布了有关游艇设计与建造的规范文件，但对于可定制性非常强的游艇来说，规范更新的速度远远低于游艇结构创新的速度，因此，通过较为成熟的水动力分析软件AQWA辅助游艇的设计与建造具有实际的工程意义。

三、分析流程

1.分析模型简介

该模型是一艘小型游艇，船长12.8m，型宽4.5m，型深2.5m，吃水0.8m，设计水线11.0m，游艇的Rhino渲染图、型线图、总布置图如图1～3所示。

图1　游艇渲染图

图2　游艇型线图

图3　游艇总布置图

2.AQWA分析流程

（1）建立分析项目。启动ANSYS Workbench，在Toolbox中的Analysis Systems找到Hydrodynamic Diffractions，双击或拖曳到Project Schematic，并将游艇的模型IGS文件导入Geometry，如图4、5所示。

图4　建立AQWA游艇水动力分析项目

图5　成功导入的游艇模型

（2）设计水线定义导入的模型为1：10的缩小模型，分析前应该将模型的大小调整为实船大小。在菜单栏里依次选择Create-Body Transformation-Scale，将模型缩放比例改为10；再依次选择Create-Body Transformation-Translate，将模型移动到XY Plan以下0.8m处，操作过程如图6所示。

模型调整完毕后，依次点击Create-Slice，以XY Plan为切割基准面对模型进行切割，如图7所示。

（3）模型整理。将船壳上半部分命名为UpperHull，下半部分命名为LowerHull，并从这两部分建立Part，以保证生成网格的连续性，这部分工作十分重要，如果不进行此项操作，则会导致后期的网格划分失败，操作如图8所示。

图6　模型的调整

图7　进行水线切割后的模型

图8　从切割模型建立新Part

至此，模型的前期处理工作已经完成，退出Geometry界面，进入Model进行有限元网格的建立。

（4）质量点定义。AQWA中默认将船体的重量集中于一个质量点（Point Mass），这个点与重心重合，且集中了整船的质量。定义质量点后，一共有四个参数需要手动设置，其中重心高度根据型线图及总布置图计算得到，另外三个参数根据表计算得到，参数计算结果如图9所示。

表　质量点参数计算公式

图9　质量点参数的计算结果

（5）网格划分。选择Tree中的Mesh，在Details of Mesh中的Defeaturing Tolerance中输入0.1，在Max Element Size中输入0.2，其他选项默认，点击Generate生成网格。网格参数如图10所示，网格划分结果如图11所示。

（6）波浪定义。点击Tree中的Wave，选择Wave Direction，将波浪方向定义为360°，其它参数保持默认，如图12所示。

点击Tree中的Wave，选择Wave Frequency，将Details of Definition中的Highest Frequency Definition与Lowest Frequency Definition选项改选为Manual Definition，在Lowest Period中输入25；Shortest Period中输入15。点击Generate，完成波浪周期的设置。波浪周期的详细设置参数如图13所示。