Hyperworks在船舶結構設計中的實例分析

常 遠，羅 丹，胡國平，盧 雷

（中船重工船舶設計研究中心有限公司，遼寧大連 116001）

Hyperworks在船舶結構設計中的實例分析

常 遠，羅 丹，胡國平，盧 雷

（中船重工船舶設計研究中心有限公司，遼寧大連 116001）

文章以實例介紹了Hyperworks二次開發軟件PrimeShip-HULL在實船中的應用，通過實例來闡述基于散貨船油船協調共同結構規范（HCSR）的貨艙艙段分析的基本流程，并將其計算結果與同一船舶CSR有限元計算結果進行對比，探索并總結出此軟件在應用過程中的一些特點和優勢，為廣大設計人員在Hyperworks軟件于實船設計過程中的應用提供了寶貴經驗。

Hyperworks；二次開發；共同結構規范；船舶結構設計

0 引言

Hyperworks是一款三維設計軟件，由美國Altair公司開發設計，廣泛應用于航空航天、建筑、汽車、電子、能源、生命工程、重型機械、船舶制造及海洋工程領域，力求降低工程的設計及制造成本和設備的生命周期維護成本[1]。借助Altair的仿真和優化技術，客戶可以開發和優化設計方案，從而在開發過程的早期階段提高可靠性，提升性能和削減成本。在船舶工程領域，NK船級社針對新近生效的散貨船油船協調共同結構規范（HCSR）對Hyperworks進行了二次開發并應用于實船設計，為實船的設計及開發提供了一個全新的有限元分析方法。下面將結合中船重工船舶設計研究中心設計的一型滿足HCSR的散貨船實例，介紹此軟件在應用過程中的一些操作特點及需要注意的問題，希望對今后的實船設計過程有所幫助。

1 HCSR簡介

散貨船油船協調共同結構規范（HCSR）于2015年7月1日正式生效。之后HCSR規范將替代雙殼油船共同結構規范（CSR-OT）和散貨船共同結構規范（CSR-BC）。新規范第一章介紹了規范總則，其中涉及規范適用范圍。第四章給出了用于強度評估和疲勞評估的涉及載荷。有限元分析包括評估船體梁縱向構件、主要支撐構件和艙壁的貨艙艙段分析，評估局部結構細節的詳細應力水平的細化網格分析，以及評估結構細節疲勞能力的精細網格分析。有限元分析流程圖見圖1。規范第七章詳細介紹了直接強度分析的方法，包括第二節的艙段結構分析和第三節的局部結構分析。進行有限元結構評估和載荷施加的貨艙區域包括船中貨艙區域、首部貨艙區域、尾部貨艙區域、最首貨艙、最尾貨艙，具體定義見圖2[2]。本文著重討論最尾貨艙的結構分析的流程。

2 PrimeShip-HULL船舶設計輔助軟件

相比過去的CSR，HCSR要求對船舶進行更加全面的結構分析，其中包括全部貨艙段的結構強度分析。新要求大大延長了船舶設計周期。為了提高設計效率，縮短設計周期，NK基于Hyperworks軟件開發了船舶設計輔助軟件 PrimeShip-HULL。PrimeShip-HULL主要功能見圖3[3]。

利用PrimeShip-HULL軟件可以進行主尺度定義、各構件分組、肋位位置定義、艙室編輯、腐蝕余量定義、創建開孔、確定評估區域范圍、貨艙裝貨量定義、載荷工況定義、有限元載荷組合、求解、屈服屈曲分析、屈服屈曲結果評估和報告輸出。通過Import可以導入各種格式的數據文件。由Design Support工具可以導出yaml文件，再通過feedback重新導回以更新板厚及加筋尺寸。Check mesh功能可以進行網格檢查。Evaluation功能是在HyperView模型上顯示計算結果，同時將評估結果顯示在表格上。根據板格及加強筋數，計算每個板格滿足評估值的板厚。另外附帶扶強材的輔助設計工具。

另外交互界面可以修改構件材料、板厚及加筋尺寸，也能添加特殊工況。

3 PrimeShip-HULL優勢功能

公司運用PrimeShip-HULL對81 700 DWT單殼雙底散貨船的各個艙段進行了有限元分析，計算的結果比較符合規范的要求。本節將根據這次實際模型重點介紹PrimeShip-HULL相比其他軟件的優越之處。

3.1 艙室識別定義功能

在艙室識別定義功能下，PrimeShip-HULL跟其他計算船舶類計算軟件一樣，可以自動識別封閉的艙室，但是在定義壓載水艙為上下連接時會有不同。

對于上下壓載艙為同一個壓載艙時，上壓載艙滿水的同時，底部壓載艙也必然為滿壓載，這不滿足HCSR中對裝載工況的最大壓載工況的規定。如圖4所示，規范中規定若為最大壓載工況，目標艙的頂壓載艙為滿艙，但是底壓載艙為空艙。在這種情況下，為了解決軟件與規范中壓載工況的沖突，達到能夠盡量模擬實際的壓載情況的效果，PrimeShip-HULL特意在軟件中設置了可以自定義壓載工況的功能。再增加一個上下壓載艙全部為空艙的工況，以達到對規范工況的盡量近似模擬。

3.2 許用屈曲利用因子

HCSR的應用，較好的船體結構是建立在提高對有限元計算結果的衡準基礎之上的。在不同的動靜載荷組合下，許用屈曲利用因子變化多樣，分類更加詳細，如表1所示。如此復雜的衡定標準需要有強大的軟件功能在后臺支持，才能提高工作效率，盡快選取出不能滿足要求的單元及其所在的工況。

有限元的后處理HyperView的自動識別功能，恰恰提供了良好的平臺，如圖5所示。不同的工況的衡準在軟件的支持下變得簡單明了，有效提高了工作效率和視覺體驗。

HCSR已經廣泛地應用在造船領域。這個規范的提出對船體結構的直接強度即評估方面提出了新的要求，修改了以往將標準三艙段作為直接強度計算的模型，需要實際模擬目標艙及兩側艙段的真實模型，以達到更加符合和體現目標艙實際裝載工況及海況的作用情況。

表1 許用屈曲利用因子

4 直接強度計算舉例

公司運用HyperWorks對81 700 DWT單殼雙底散貨船的各個艙段進行了有限元分析，包括首尾貨艙這種外型線有變化的位置。81 700 DWT散貨船共有7個貨艙，首尾貨艙都是研究的重點位置。故將在本文中做具體闡述，運用HyperWorks軟件進行直接強度分析的過程。

4.1 有限元前處理

有限元前處理軟件HyperMesh支持Natrans結果文件的導入，這一點方便了對HyperMesh使用不習慣的用戶。根據軟件設置的幫助按鈕，用戶可以參照并按照流程一步一步進行，就可以完成CSR-H要求的船體結構直接強度分析的計算工作。尾貨艙的位置比較特殊，前面是普通壓載艙，后面是機艙，而且尾貨艙的艙容及壓載工況都與其他貨艙有很多不同之處。所以，有些參數的設置需要做一些變化，下面將具體陳述。

在構件的分組功能上，軟件能夠自動劃分出構件分組，但是第7貨艙的結構形狀變化較大，所以自動劃分不夠完全，需要手動修改，這些可以根據幫助文件實施。在構件分組名稱上，軟件對非貨艙區域的分組增加了幾項要求，如表2所示。不同的分組信息將決定組內的單元是否參加總縱強度，所以需要認真劃分。

由于其他過程的參數設置較為簡單，并依據幫助文件便可以完成，這里不做一一贅述。

表2 散貨船構件名稱及說明

4.2 有限元后處理

對于結果的查詢及校核，有限元后處理軟件HyperView是十分方便快捷的。以屈服結果為例，它可以分組查詢各個組內單元的利用系數。點擊其中的一個單元欄，下面的列表中會顯示出此單元在各個加載工況下的利用系數，這樣可以針對某些工況進行調整研究。

4.3 結果對比

以floor這一組為例，圖6列出了每個單元的屈服利用系數，超過1.0的即為不滿足設計要求，需要對提示單元進行修改后再次計算。如圖7所示，能夠清晰地看出雙層底橫向構件有一些位置不能滿足設計要求，針對這些位置做出了不同的修改以及多次計算，最終如圖8所示，floor的各個板格滿足了設計要求。這種簡單快捷的處理問題的方法，正是HyperView的優勢所在。

有限元計算結果及修改原因整理在表3中。

HCSR的應用，提高了對船舶結構的設計要求，在一些位置提高了板格屈服屈曲的能力，以尾貨艙為例，比較之前的CSR規范增加了對一些構件強度的要求，做出了總結。

5 結論

HCSR的生效，促使各個船級社以及世界各地的造船廠、研究院所等單位紛紛開始積極應對，尋求更好的軟件及問題解決方案。公司應用NK船級社在 Hyperworks基礎上二次開發的PrimeShip-HULL軟件，完整地計算了81 700 DWT單殼雙底散貨船各個貨艙的直接強度分析工作，并對圖紙提出了一些修改意見。對此計算結果的認定，已經通過了NK船級社的審查。在此次研究探討HCSR的使用過程中，積累了一定的經驗，達到甚至超出了預期的效果。

表3 有限元計算結果及修改原因

[1]路金花, 馬躍洲.Hyperworks在船舶設計領域的應用研究[C]//常石（上海）船舶設計有限公司MIS/S&A學術交流會議論文集, 2014.

[2]國際船級社協會.散貨船油船協調共同結構規范[S].2015.

[3]NK船級社.Hyperworks版HCSR用戶手冊[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

常遠（1977—），男，工程師，研究方向：船舶設計及科研。