三維水彈性集成軟件的設計與實現

金建海，葉永林，田 超，鄒明松，冷文浩

（1江南大學 物聯網學院，江蘇 無錫214122；2中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；3中國船級社，北京 100007）

三維水彈性集成軟件的設計與實現

金建海1,2，葉永林2，田 超3，鄒明松2，冷文浩2

（1江南大學 物聯網學院，江蘇 無錫214122；2中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；3中國船級社，北京 100007）

為了滿足三維水彈性軟件商用化的應用要求，文章通過對已有三維水彈性程序的使用經驗的分析，設計并實現了其前后處理功能模塊，形成統一的商用化集成軟件。并以某18萬噸的散貨船為例，利用該商用集成軟件進行分析處理，用以進一步展示完成的集成軟件的功能。最后給出了軟件進一步發展的設想。

三維水彈性；前后處理；模態篩選；主坐標響應

1 引 言

現代船舶設計制造技術發展的歷史，也是船舶力學發展的歷史。船舶力學的主要研究內容可以概括為兩大學科：船舶結構力學和船舶水動力學。到上世紀70年代末，兩者的交叉與融合促成了一門新的學科分支—船舶水彈性力學（Hydroelasticity）的建立。船舶水彈性力學是從動力學的觀點出發，將柔性船體與周圍流場作為一個相互作用的整體系統進行描述和分析，并在此基礎上預報船體結構的動力學特性，諸如：船體運動、波浪載荷、結構變形、應力應變以及疲勞性能等，以更合理地預報和評估船舶及海洋工程結構的運動特性、可靠性和安全性[1-2]。

三維水彈性理論從1984年建立以來，發展了考慮航速等因素的數值方法[3]。1997年提出了二階非線性水彈性理論，考慮了由船體大型剛體運動和瞬態濕表面引起的非線性水動力，其后完善了相應的數值分析方法，并應用于SWATH船[4]及大型散貨船[5]等。

本文的工作主要介紹在中國船舶科學研究中心現有的三維線性頻域水彈性分析程序“THAFTS”基礎上，增加其前后處理功能模塊，形成新的工程實用化的三維水彈性集成軟件，并利用該集成軟件，對某18萬噸級的散貨船進行主坐標響應計算。在文章最后部分，給出了軟件進一步發展的展望。

2 三維線性水彈性分析基本原理

上世紀70年代中期，隨著大型計算機的出現，各種用于分析大型海洋浮動結構耐波性問題的三維水動力學方法相繼發展起來，Wu[6]開創性地將三維適航性理論與三維結構動力學理論相結合，提出了廣義流固界面條件，發展了一個適用于分析波浪中任意三維可變形體承受內、外激勵時動響應性能的三維水彈性理論。

簡化的三維線性水彈性力學理論認為船體結構周圍的流體為理想、不可壓縮流體，波浪幅值為小量，此時可得航行船體的頻域線性水彈性運動方程為：

3 三維線性水彈性程序簡介

現有的三維水彈性系列程序都是以吳有生院士的三維線性頻域水彈性力學程序為基礎發展起來的[1,3,7]。它利用三維水彈性理論，分析任意形狀海洋浮體結構在各種航行條件下，浮體結構在波浪力、系泊力和任意強迫外激勵力的作用下的剛體運動和彈性變形等響應。目前三維線性頻域水彈性程序包“THAFTS”由三個模塊程序組成。

其中第一個程序FLXBD計算彈性結構濕表面幾何特性以及各階模態的濕表面邊界條件和廣義流體恢復力系數；第二個程序HYCOF計算彈性浮體結構周圍流場速度勢，計算結構在單位幅值規則波中剛體運動和彈性變形模態的廣義水動力系數和廣義波浪激勵力。第三個程序HYELAS求解各階模態的主坐標響應。

4 水彈性集成軟件功能模塊設計與實現

為實現商業化的水彈性集成軟件，需要增加原有“THAFTS”程序的前處理模塊，以方便地自動生成輸入數據文件，并自動啟動程序進行計算；增加后處理模塊，以直觀地顯示計算結果。

下文將在理解輸入輸出數據文件內容的基礎上，結合水彈性分析經驗，設計并實現前后處理模塊，并與原有的“THAFTS”程序一起，形成統一的水彈性集成軟件。

4.1 水彈性程序輸入輸出數據文件內容

水彈性程序“THAFTS”的輸入數據文件主要包括flxbd.in、hycof.in以及hyelas.in；輸出文件比較多，但主要是主坐標響應計算結果的輸出。

4.1.1 flxbd.in輸入數據文件內容

FLXBD程序的數據輸入文件，其輸入內容分類后可以分成以下6個部分：

（1）船體干結構有限元模型信息

這類數據主要表征原干結構有限元模型的Mesh信息，主要有：

單元總數、節點總數和各個節點的ID和坐標；

梁單元總數、組成梁單元的節點ID；

板單元總數、組成板單元的節點ID。

干結構坐標系與平衡坐標系之間的關系（原點偏移、坐標軸夾角余弦）。其中平衡坐標系示意圖如下：

（2）船體干結構各階模態的模態信息

該類數據主要有彈性模態數、各階模態的固有頻率、廣義質量、廣義阻尼、振型放大系數、左右對稱性，以及各階彈性模態下的節點振型等。

（3）船體濕表面網格信息

這類數據主要表征原船體濕表面網格的Mesh信息，包括濕面元節點數、單元數，以及節點坐標，組成各個濕面元的節點ID等。

（4）干濕單元組對應關系

FLXBD程序計算彈性結構濕表面幾何特性以及各階模態的濕表面邊界條件，需要在輸入文件中指定干單元的分組情況、濕單元的分組情況，以及每組干單元對應哪幾組濕單元。

（5）船體特征參數

船體特征參數包括以下數據內容項：對稱特性參數、船長、艏柱至重心的水平距離、排水體積、重心距水線面的距離、橫搖慣性矩、縱搖慣性矩、搖艏慣性矩以及橫搖/艏搖慣性矩。

（6）計算控制參數

控制計算過程的相關參數，包括是否計入剛體位移參數等，這部分的控制參數可以全部采用默認值固定。

4.1.2 hycof.in輸入數據文件內容

HYCOF程序的數據輸入文件，可分為海況參數和求解控制參數。

其中海況參數主要有波幅、波角、速度、波浪頻率等。

求解控制參數主要有求解方法選擇控制參數、壓力輸出選擇控制參數等。

4.1.3 hyelas.in輸入數據文件內容

HYELAS程序的數據輸入文件，內容主要包括船體干結構各階模態的模態信息、船體特征參數和求解控制參數。其中求解控制參數需要考慮的主要有：

要求輸出廣義附加質量、廣義附加阻尼和廣義波浪激勵力的種類數；

要求輸出的廣義附加質量、廣義附加阻尼或者廣義波浪激勵力對應的角標號。而其他內容在前面兩個數據輸入文件中都已出現過。

4.1.4 ResponseTC2.dat輸出數據文件內容

該輸出文件存儲的是計算頻率點的響應結果，包括各階模態，各個頻率下的主坐標響應的幅值和相位。

4.2 水彈性集成軟件功能模塊設計

通過對THAFTS三個模塊程序輸入數據文件內容的分析，以及工程中的使用經驗，三維水彈性集成軟件可設計成如圖2所示的功能模塊圖：

（1） 三維建模

使用目前成熟的商用軟件，或者參數化建模等方式，建立船體干結構三維有限元模型，以及用于水動力分析的船體濕表面網格模型[8]。并通過開發接口軟件的方式，將干結構模型和濕面元模型都導入到集成軟件中。

（2）干結構模態分析

使用Nastran等成熟的商用CAE求解器，或者其他自研方法，依靠其有限元模型，計算船體干結構的振動模態。并讀取模態計算結果文件，包括各階模態的固有頻率、節點振型等。

（3） 模態篩選

模態分析之后，要選擇進行水彈性計算的模態。主要是篩選總模態，以及熱點區域局部模態。前者通過強結構節點變形提取，后者通過局部區域節點位移提取。軟件應支持自動/手動兩種方式。

自動方式主要包括“關鍵節點位移法”和“局部模態提取法”。

關鍵節點位移法是在強框架上選擇n個關鍵節點，并指定變形值，如果某階模態下這些節點的變形值大于指定的變形值，則認為該階模態符合要求，自動將其挑選出來。

局部模態提取法就是剔除其中的局部模態，保留剩下的整體模態，以用于水彈性后續的計算。其中局部模態是指存在部分節點的振型特別突出的情況的模態，否則視為整體模態。其算法描述如下：

設節點坐標為（X k（0,0），Y k（0,0），Z k（0,0））第 k（0,0）個節點，該節點周圍第一圈節點為 k（1,j），有 M 個；第二圈節點為 k（2,j），有 N 個，第三圈節點為 k（3,j），有 T個。節點模態歸一化振型為A k（0,0），篩選規則可采用下式

式中，λ為靈敏度系數，可設置，默認設為5。滿足上述不等式，則表明該模態為局部模態，可剔除。

手動方式設計成讓用戶可以在軟件界面查看任一階模態的節點振型云圖，由用戶自己根據變形云圖來判斷是否要選擇該模態。手動方式可以單獨使用，也可以在自動方式的基礎上繼續。

（4）設定模態參數

模態分析之后，各相關模態的固有頻率、廣義質量都已經具備，但還需要設定界面讓用戶可以直接輸入各模態的廣義阻尼、振型放大系數以及對稱性。

（5）設定船體特征參數

該模塊提供界面讓用戶可以方便地輸入船體特征參數。

（6）設定海況參數

該模塊提供界面讓用戶可以方便地輸入海況參數。

（7）定義坐標系

在三維建模過程中，干結構模型參考坐標系與水彈性計算的平衡坐標系未必一致，因此需要在干結構模型中定義平衡坐標系，用以計算兩個坐標系之間的原點偏移和坐標軸夾角余弦。

同時濕網格模型采用的坐標系也未必就是水彈性計算所需要的濕面元坐標系，因此需要在已有的模型中定義濕面元坐標系，在生成flxbd.in文件時，需要將節點坐標轉換為濕面元坐標系下的坐標。

（8）干濕網格單元對應

支持用戶自動或者手動設計干單元組和濕單元組，并設定干濕單元組的對應關系。

（9） 求解計算

該模塊用以設定求解控制參數，在用戶確認之后，依照之前完成的內容，生成輸入數據文件，并依次調用三個模塊程序，完成水彈性計算程序的計算。

（10） 查看結果

顯示計算結果的后處理階段，目前可先將完成主坐標響應的曲線顯示，并能結合模型節點振型，以云圖/動畫的形式顯示模型的運動響應。

其中主坐標響應可以從結果文件中直接讀取，結構運動響應可用主振型位移的迭加表示：

4.3 水彈性集成軟件的實現

按照上面的設計思想，我們在中國船舶科學研究中心自研的Smart集成定制平臺基礎上，進行集成開發，其實現的軟件界面如圖3所示。

5 應用實例分析

下面以某18萬噸級的散貨船為例，使用水彈性集成軟件對其進行分析。其主尺度如下表所示。

?

該船的干結構有限元模型已經采用通用大型有限元軟件Msc.Patran建立（存儲于180K.bdf文件中），其用于水動力分析的濕表面網格也已經建立（存儲于180K_wet.bdf）。

下文介紹其使用過程如下：

（1）導入模型：選擇“導入干結構有限元模型文件”選項，干結構有限元模型文件選擇文件“180K.bdf”，選擇濕表面網格文件“180K_wet.bdf”。成功導入后，可看出該有限元模型文件包括11 427個節點，15 652個板單元。

（2）模態分析：根據之前選擇的BDF，通過后臺調用Nastran進行模態分析，一般需要位移歸一化，這里共輸出100階模態。

（3）模態篩選：根據4.2節中所述的關鍵節點位移法，先自動進行總體模態的初步篩選（共選出20階模態），然后在此基礎上，通過人工查看各階模態的變形圖，并根據對稱、反對稱變形，分別挑選出前四階總體模態，共8階，見圖4和圖5。

（4）設定模態參數：在挑選出的各階模態基礎上，有關模態信息的主要數據都已經具備（從模態分析結果文件中讀取獲得），但還要再手工設定各階模態的廣義阻尼和振型放大系數參數。其中廣義阻尼按經驗取值0.05，由于已經實現位移歸一化，振型放大系數取默認值1.0。

完成模態參數設定后的表格如下表所示：

Mode No. 固有頻率(Hz) 廣義質量 廣義阻尼 振型放大系數 左右對稱性7 8 9 1 0 11 12 13 14 0.648 43 0.817 23 0.865 72 1.320 4 1.693 1.858 4 1.951 8 2.469 3 2.351 702E+07 1.875 475E+07 2.585 143E+07 1.845 968E+07 1.821 342E+07 2.602 281E+07 4.938 913E+06 4.288 284E+06 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0對稱反對稱反對稱對稱反對稱反對稱對稱對稱

（5）設定船體特征參數：結合船體示意圖，手動輸入該散貨船的Lpp、艏柱距重心的水平距離、排水體積等參數。

（6）設定海況參數：考慮一個航速，速度為0；一個入射波波角，180°（迎浪）；波幅為1.0m，入射波頻率考慮從0.05rad/s開始，并以0.05遞增到20，共計400個頻率。

（7）定義坐標系：這里建立的干結構模型坐標系與平衡坐標系是平行的，只有原點不一致，因此定義平衡坐標系時只要指定干坐標系中重心的坐標即可。而濕表面網格模型已經在濕面元坐標系下建立，因此不需要再額外定義。

（8）干濕網格對應：選擇干結構模型外表面的網格單元為一組（干單元組1），選擇所有的濕表面網格單元為一組（濕單元組1），并確定干單元組1對應濕單元組1。

（9）求解計算：求解計算時需要先指定求解控制參數，其中輸出數據類型，用戶可以指定自己關心的廣義附加質量、廣義附加阻尼的矩陣對角元素，其他均采用軟件推薦的默認值即可。確認后，點擊求解計算按鈕，即可進行自動的分析求解，軟件將依次調用原THAFTS程序包中的FLXBD、HYCOF和HYELAS模塊程序。軟件運行結果文件與原有的手工過程完成的結果一致。

（10）結果查看：可進行主坐標響應的曲線顯示、船體運動響應云圖和動畫顯示等，如圖6a和圖6b分別給出的是曲線和云圖顯示的界面。

6 結論與進一步展望

本文在中國船舶科學研究中心現有的三維線性頻域水彈性分析程序“THAFTS”基礎上，根據輸入輸出文件的內容和工程使用經驗，增加其前后處理功能，形成新的工程實用化的三維水彈性集成軟件，并利用該集成軟件，對某180k噸散貨船進行分析計算。其使用過程符合工程軟件的要求，大大提高了三維線性水彈性分析軟件的易用性。

除了本文介紹的三維線性水彈性程序，杜雙興在此基礎上建立的更為嚴格的帶航速的三維線性水彈性力學頻域數值分析方法[9]，田超建立的大浪中航行船舶的三維非線性水彈性分析方法[1]，以及“十一五”期間中國船舶科學研究中心發展的聲介質中船舶結構三維水彈性計算方法[10]，都將統一集成到本文介紹的集成軟件中。

此外，在前處理方面，將逐步實現常規船舶（潛艇）的三維參數化有限元建模，以進一步提高效率；在后處理方面，將結合應用領域的不同，如船體運動、波浪載荷、結構變形、應力應變以及疲勞性能分析等，集成這些領域的專業處理方法，形成更加直接的預報結果，并可結合虛擬現實技術，提供情景化的船舶在波浪中運動的性能分析。

[1]田 超.航行船舶的非線性水彈性理論與應用研究[D].上海:上海交通大學,2007.

[2]田 超,吳有生.船舶水彈性力學理論的研究進展[J].中國造船,2008,49（4）:1-11.

[3]杜雙興.完善的三維航行船體線性水彈性力學頻域分析方法[D].無錫:中國船舶科學研究中心,1996.

[4]Tian Chao,Wu Yousheng.The second-order hydroelastic analysis of a SWATH ship moving in large-amplitude waves[J].Journal of Hydrodynamics,Ser.B,2006,18(6):631-639.

[5]Tian Chao,Wu Yousheng,Chen Yingqiu.Numerical predictions on the hydroelastic responses of a large bulker in waves[C]//Proceedings of the 5th International Conference on Hydroelasticity in Marine Technology.University of Southampton,UK,8th-10th Sept.,2009:205-213.

[6]Wu Y S.Hydroelasticity of floating bodies[D].Brunel University,UK,1984.

[7]王志軍.箱式超大型浮體結構的水彈性響應研究[D].上海:上海交通大學,2001.

[8]戴愚志,余建星.一種船體及周圍自由面的網格自動生成方法[J].船舶工程,2006,28(5):118-123.

[9]Du S X,Wu Y S,Price W G.Forward speed effect on the structure responses of a ship traveling in waves[C]//Proceedings of 2nd International Conference on Hydroelasticity in Marine Technology.Fukuoka,Janpan,1998:401-410.

[10]金建海,謝基榕,鄒明松等.潛艇定量聲學設計計算體系設計說明書[R].無錫:中國船舶科學研究中心報告,2010.

Design and implementation for 3D hydroelasticity integrated software

JIN Jian-hai1,2,YE Yong-lin2,TIAN Chao3,ZOU Ming-song2,LENG Wen-hao2
(1 School of IoT Engineering,JiangNan University,Wuxi 214122,China;2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;3 China Classification Society,Beijing 100007,China)

In order to satisify the requiments of the commercial application of 3D hydroelasticity program,the pre-post processing modules for 3D hydroelasticity were designed and realized,and the integrated software was developed based on analyzing the experience of using the existing program.Then the example of a 180kton bulk cargo was given to illustrate how to use the Integrated Software and the basic functions of the software.Finally,the further function of the software was recommended.

3D hydroelasticity;pre-post processing;mode selection;principal coordinate response

U662.9

A

1007-7294（2011）05-0521-09

2011-02-22

“十一五”國家科技支撐計劃制造業信息化工程重大項目（2006BAF01A43）

金建海（1978-），男，江南大學博士研究生，中國船舶科學研究中心高級工程師；

葉永林（1974-），男，中國船舶科學研究中心高級工程師。