Hyperworks在船舶结构设计中的实例分析

常 远，罗 丹，胡国平，卢 雷

（中船重工船舶设计研究中心有限公司，辽宁大连 116001）

Hyperworks在船舶结构设计中的实例分析

常 远，罗 丹，胡国平，卢 雷

（中船重工船舶设计研究中心有限公司，辽宁大连 116001）

文章以实例介绍了Hyperworks二次开发软件PrimeShip-HULL在实船中的应用，通过实例来阐述基于散货船油船协调共同结构规范（HCSR）的货舱舱段分析的基本流程，并将其计算结果与同一船舶CSR有限元计算结果进行对比，探索并总结出此软件在应用过程中的一些特点和优势，为广大设计人员在Hyperworks软件于实船设计过程中的应用提供了宝贵经验。

Hyperworks；二次开发；共同结构规范；船舶结构设计

0 引言

Hyperworks是一款三维设计软件，由美国Altair公司开发设计，广泛应用于航空航天、建筑、汽车、电子、能源、生命工程、重型机械、船舶制造及海洋工程领域，力求降低工程的设计及制造成本和设备的生命周期维护成本[1]。借助Altair的仿真和优化技术，客户可以开发和优化设计方案，从而在开发过程的早期阶段提高可靠性，提升性能和削减成本。在船舶工程领域，NK船级社针对新近生效的散货船油船协调共同结构规范（HCSR）对Hyperworks进行了二次开发并应用于实船设计，为实船的设计及开发提供了一个全新的有限元分析方法。下面将结合中船重工船舶设计研究中心设计的一型满足HCSR的散货船实例，介绍此软件在应用过程中的一些操作特点及需要注意的问题，希望对今后的实船设计过程有所帮助。

1 HCSR简介

散货船油船协调共同结构规范（HCSR）于2015年7月1日正式生效。之后HCSR规范将替代双壳油船共同结构规范（CSR-OT）和散货船共同结构规范（CSR-BC）。新规范第一章介绍了规范总则，其中涉及规范适用范围。第四章给出了用于强度评估和疲劳评估的涉及载荷。有限元分析包括评估船体梁纵向构件、主要支撑构件和舱壁的货舱舱段分析，评估局部结构细节的详细应力水平的细化网格分析，以及评估结构细节疲劳能力的精细网格分析。有限元分析流程图见图1。规范第七章详细介绍了直接强度分析的方法，包括第二节的舱段结构分析和第三节的局部结构分析。进行有限元结构评估和载荷施加的货舱区域包括船中货舱区域、首部货舱区域、尾部货舱区域、最首货舱、最尾货舱，具体定义见图2[2]。本文着重讨论最尾货舱的结构分析的流程。

2 PrimeShip-HULL船舶设计辅助软件

相比过去的CSR，HCSR要求对船舶进行更加全面的结构分析，其中包括全部货舱段的结构强度分析。新要求大大延长了船舶设计周期。为了提高设计效率，缩短设计周期，NK基于Hyperworks软件开发了船舶设计辅助软件 PrimeShip-HULL。PrimeShip-HULL主要功能见图3[3]。

利用PrimeShip-HULL软件可以进行主尺度定义、各构件分组、肋位位置定义、舱室编辑、腐蚀余量定义、创建开孔、确定评估区域范围、货舱装货量定义、载荷工况定义、有限元载荷组合、求解、屈服屈曲分析、屈服屈曲结果评估和报告输出。通过Import可以导入各种格式的数据文件。由Design Support工具可以导出yaml文件，再通过feedback重新导回以更新板厚及加筋尺寸。Check mesh功能可以进行网格检查。Evaluation功能是在HyperView模型上显示计算结果，同时将评估结果显示在表格上。根据板格及加强筋数，计算每个板格满足评估值的板厚。另外附带扶强材的辅助设计工具。

另外交互界面可以修改构件材料、板厚及加筋尺寸，也能添加特殊工况。

3 PrimeShip-HULL优势功能

公司运用PrimeShip-HULL对81 700 DWT单壳双底散货船的各个舱段进行了有限元分析，计算的结果比较符合规范的要求。本节将根据这次实际模型重点介绍PrimeShip-HULL相比其他软件的优越之处。

3.1 舱室识别定义功能

在舱室识别定义功能下，PrimeShip-HULL跟其他计算船舶类计算软件一样，可以自动识别封闭的舱室，但是在定义压载水舱为上下连接时会有不同。

对于上下压载舱为同一个压载舱时，上压载舱满水的同时，底部压载舱也必然为满压载，这不满足HCSR中对装载工况的最大压载工况的规定。如图4所示，规范中规定若为最大压载工况，目标舱的顶压载舱为满舱，但是底压载舱为空舱。在这种情况下，为了解决软件与规范中压载工况的冲突，达到能够尽量模拟实际的压载情况的效果，PrimeShip-HULL特意在软件中设置了可以自定义压载工况的功能。再增加一个上下压载舱全部为空舱的工况，以达到对规范工况的尽量近似模拟。

3.2 许用屈曲利用因子

HCSR的应用，较好的船体结构是建立在提高对有限元计算结果的衡准基础之上的。在不同的动静载荷组合下，许用屈曲利用因子变化多样，分类更加详细，如表1所示。如此复杂的衡定标准需要有强大的软件功能在后台支持，才能提高工作效率，尽快选取出不能满足要求的单元及其所在的工况。

有限元的后处理HyperView的自动识别功能，恰恰提供了良好的平台，如图5所示。不同的工况的衡准在软件的支持下变得简单明了，有效提高了工作效率和视觉体验。

HCSR已经广泛地应用在造船领域。这个规范的提出对船体结构的直接强度即评估方面提出了新的要求，修改了以往将标准三舱段作为直接强度计算的模型，需要实际模拟目标舱及两侧舱段的真实模型，以达到更加符合和体现目标舱实际装载工况及海况的作用情况。

表1 许用屈曲利用因子

4 直接强度计算举例

公司运用HyperWorks对81 700 DWT单壳双底散货船的各个舱段进行了有限元分析，包括首尾货舱这种外型线有变化的位置。81 700 DWT散货船共有7个货舱，首尾货舱都是研究的重点位置。故将在本文中做具体阐述，运用HyperWorks软件进行直接强度分析的过程。

4.1 有限元前处理

有限元前处理软件HyperMesh支持Natrans结果文件的导入，这一点方便了对HyperMesh使用不习惯的用户。根据软件设置的帮助按钮，用户可以参照并按照流程一步一步进行，就可以完成CSR-H要求的船体结构直接强度分析的计算工作。尾货舱的位置比较特殊，前面是普通压载舱，后面是机舱，而且尾货舱的舱容及压载工况都与其他货舱有很多不同之处。所以，有些参数的设置需要做一些变化，下面将具体陈述。

在构件的分组功能上，软件能够自动划分出构件分组，但是第7货舱的结构形状变化较大，所以自动划分不够完全，需要手动修改，这些可以根据帮助文件实施。在构件分组名称上，软件对非货舱区域的分组增加了几项要求，如表2所示。不同的分组信息将决定组内的单元是否参加总纵强度，所以需要认真划分。

由于其他过程的参数设置较为简单，并依据帮助文件便可以完成，这里不做一一赘述。

表2 散货船构件名称及说明

4.2 有限元后处理

对于结果的查询及校核，有限元后处理软件HyperView是十分方便快捷的。以屈服结果为例，它可以分组查询各个组内单元的利用系数。点击其中的一个单元栏，下面的列表中会显示出此单元在各个加载工况下的利用系数，这样可以针对某些工况进行调整研究。

4.3 结果对比

以floor这一组为例，图6列出了每个单元的屈服利用系数，超过1.0的即为不满足设计要求，需要对提示单元进行修改后再次计算。如图7所示，能够清晰地看出双层底横向构件有一些位置不能满足设计要求，针对这些位置做出了不同的修改以及多次计算，最终如图8所示，floor的各个板格满足了设计要求。这种简单快捷的处理问题的方法，正是HyperView的优势所在。

有限元计算结果及修改原因整理在表3中。

HCSR的应用，提高了对船舶结构的设计要求，在一些位置提高了板格屈服屈曲的能力，以尾货舱为例，比较之前的CSR规范增加了对一些构件强度的要求，做出了总结。

5 结论

HCSR的生效，促使各个船级社以及世界各地的造船厂、研究院所等单位纷纷开始积极应对，寻求更好的软件及问题解决方案。公司应用NK船级社在 Hyperworks基础上二次开发的PrimeShip-HULL软件，完整地计算了81 700 DWT单壳双底散货船各个货舱的直接强度分析工作，并对图纸提出了一些修改意见。对此计算结果的认定，已经通过了NK船级社的审查。在此次研究探讨HCSR的使用过程中，积累了一定的经验，达到甚至超出了预期的效果。

表3 有限元计算结果及修改原因

[1]路金花, 马跃洲.Hyperworks在船舶设计领域的应用研究[C]//常石（上海）船舶设计有限公司MIS/S&A学术交流会议论文集, 2014.

[2]国际船级社协会.散货船油船协调共同结构规范[S].2015.

[3]NK船级社.Hyperworks版HCSR用户手册[Z].2014.

Example Analysis of Hyperworks in Hull Structure Design

Chang Yuan, Luo Dan, Hu Guoping, Lu Lei
(China Ship Design & Research Center Co., Ltd., Liaoning Dalian 116001, China)

In the paper, the second development software PrimeShip-HULL which is based on Hyperworks is introduced by the real example.The basic process of hull structure analysis by the real example based on HCSR is explained.The calculation results are compared to those by CSR FEM.It explores and concludes some features and advantages of the software in application, which provides helpful experience for ship designers using Hyperworks software in the application in real ship design process.

Hyperworks; secondary development; common structure rules; hull structure design

U663.2

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.007

常远（1977—），男，工程师，研究方向：船舶设计及科研。