波浪中基于惯性释放的工程驳船全船强度分析郑家林

波浪中基于惯性释放的工程驳船全船强度分析郑家林

郑家林王南海

郑家林王南海

能威（天津）海洋工程技术有限公司天津市300392

摘要：本文以工程驳船运输渤海海域某大型海洋平台组块全船模型直接计算为例，说明惯性释放功能的应用。详细介绍了工程驳船在自重、舱室压载水、组块重量以及波浪等的作用下，使用有限元分析软件ANSYS进行全船结构强度分析的过程，评估了组块在拖航过程中驳船全船结构强度，结果满足规范设计要求，从而保证了工程项目的安全性。

关键词：惯性释放；直接计算；有限元分析；全船强度

1引言

航行的船舶结构处于“全自由”状态，但是对它进行有限元静力分析计算时，不能处理为无边界约束结构。通常我们在做有限元线性静力分析时，需要施加约束条件保证结构没有刚体位移，否则求解器没有办法计算。因此，在船舶处于正常的航行状态时，整体系统处于载荷平衡状态。这种状态下，想要计算驳船船体结构上的应力分布，需要采用惯性释放（inertiarelief），在船体结构上补偿虚拟的惯性力来保证整体系统的平衡状态。

惯性释放，简单地说就是用结构的惯性（质量）力来平衡外力。采用惯性释放功能进行静力分析时，需要对一个或多个节点进行6个自由度的约束（虚支座）。针对该支座，程序首先计算在外力作用下每个节点在每个方向上的加速度，然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上，由此构造一个平衡的力系（支座反力等于零）。求解得到的位移描述所有节点相对于该支座的相对运动[1]。

2全船强度分析计算实例

本文以工程驳船运输渤海海域某大型海洋平台组块全船模型直接计算为例，说明惯性释放功能在ANSYS软件中的应用。详细介绍了工程驳船在自重、舱室压载水、组块重量以及波浪等载荷的作用下，使用有限元分析软件ANSYS进行全船结构强度分析的过程，评估了组块在拖航过程中驳船全船结构强度，使结果满足规范设计要求，从而保证了工程项目的安全性。

2.1计算模型

全船强度分析模型，主要分为三个部分：工程驳船、滑道和滑靴、平台组块。建立全船分析模型的大致过程如下：

（1）为了确保计算结果的精确性，ANSYS全船模型以毫米为单位创建，并且驳船的船底与舷侧外轮廓尽量与型线图保持一致；

（2）驳船的整体刚度尽量与实际相近，同时降低模型创建的难度并减少计算时间，建模时单元使用类型如下：船壳、主甲板、舱壁、强横梁等主结构，统一使用Shell181壳单元；舱壁扶强材、结构翼缘板以及次要骨材，统一使用Beam4和Link8梁单元；

（3）组块重量通过滑靴和滑道传递到驳船甲板，滑道和滑靴模型部分使用Shell181壳单元；

（4）在组块的重心位置使用Mass21质量点单元模拟组块重量，使用Beam4梁单元连接组块框架；

（5）驳船全船网格大小取0.5*肋距，滑道和滑靴网格大小取300mm*300mm。驳船甲板与滑道、滑道与滑靴之间分别做接触分析。

（6）舱室压载水模拟：使用Mass21质量点的形式加载到各个对应舱室的舱壁节点上；

（7）驳船甲板主要设备以及其他质量，如次要设备、舾装、栏杆、舷梯、管线等全部简化为作用到驳船上的均布载荷，以惯性力的形式施加为驳船钢料结构的重量，重力加速度采用g=9.81m/s2。

（8）参考全船重量重心分布，调整驳船结构各部分的密度，使模型的重量重心与实际驳船拖航重量重心完全吻合，见表1。

经过上述过程建立的ANSYS全船模型，共有318070个单元：其中Shell181壳单元206881个，Beam4梁单元45647个，Link8梁单元32538个，Mass21质量点单元17866个，Targe170接触单元7268个，Conta174接触单元7870个。

2.2载荷及边界条件

根据美国船级社的相关规范，经过AQWA和WAMIT软件计算，筛选出最大垂向剪力工况Fz，最大扭转弯矩工况Mx和最大垂向弯矩工况My三种典型驳船舷外水压力分布载荷[4]，作为强度校核工况载荷。波浪载荷计算结果，见表2。

计算模型中不施加任何边界条件（全自由），仅在船首和船尾处三个节点上，施加总共约束6个自由度方向的虚支座[2]。

2.3主要计算结果和分析

由以上计算过程，可以得到一个全船系统重量与驳船舷外水压力的平衡状态。使用ANSYS软件中的惯性释放功能，计算所得到的全船结构应力结果，没有出现类似支座附近应力集中等异常情况，比较合理地反映了驳船在全自由状态的应力分布与全船整体结构变形[4]。

图1给出了驳船在波浪工况P02_H01下的的波浪载荷分布，图2给出了此工况下驳船结构等效应力（VonMises）的云图。

驳船结构材料属性各参数取值如下：

弹性模量：E=200GPa

剪切模量：G=0.8GPa

泊松比：μ=0.30

密度：

屈服强度：

由于惯性释放求解得到的位移结果，表示的是驳船各节点在全自由状态下相对于“虚支座”的位移，因此相对于有约束的情况，位移的结果偏大，而且虚支座选取的位置不同，所得到的位移结果也不同，但是不影响应力的计算结果[3]。进行全船结构强度直接结算时，我们最关心的是全船结构应力的状态，驳船在航行中一直随着波浪一起运动，因此位移结果只有参考意义，是一个没有太大实际意义的量。

3结论

本文利用惯性释放的原理，对某大型海洋平台组块运输的全船模型进行了有限元分析，评估了驳船在波浪环境下的全船结构强度，较好的反映了工程驳船实际结构的重要力学特性，并在保证精确的前提下提高了分析效率。因此，在全船结构强度计算分析时，应用惯性释放功能是可行的，能够更为合理地评估船体结构强度。

惯性释放可以消除边界条件对应力计算结果的影响，对于全船有限元分析可以自动地进行调整平衡，对于弯扭组合作用状态可以避免寻求一个合理的约束条件的工作，因此有利于得到船舶结构的合理的、符合实际的应力状态，在全船结构强度直接计算分析方面有广泛的应用前景[5]。

参考文献：

[1]王杰德，杨永谦.船体强度与结构设计[M].北京：国防工业出版社，1995.

[2]DNVGL-RP-C103，Column-stabilisedunits，EditionJuly2015.

[3]张永昌.MSCNastran有限元分析理论基础与应用[M].北京：科学出版社，2004.

[4]何丽丝.超大型船舶在波浪中的动力响应分析[D].武汉理工大学硕士学位论文，2013.

[5]朱胜昌，陈庆强.整船准载态分析的有限元模型自动加载及载荷修正技术[J].船舶力学，1999，3（5）：47~54.