基于ABAQUS的板梁組合結構建模方法

桂中茹，李 均，張宗政，劉文舒

（1.杭州丙甲科技有限公司，杭州 310012；2.寧波歐佩亞海洋工程裝備有限公司，浙江寧波 315506；3.浙江大學，杭州 310058）

0 引言

隨著計算機技術的快速發展，有限元分析法（Finite Element Analysis，FEA）已成為工程分析特別是結構分析中必不可少的工具，廣泛應用于航空航天、船舶海工、水利、土木工程、機械電子和生物醫學等現代科學的各個領域，相應的程序或軟件已相繼投入使用，如ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS和ADINA等。

在船舶海工領域，有限元技術被廣泛應用于結構設計、可靠性分析以及船舶結構強度的評估等方面。ABAQUS作為一套功能強大的基于有限元方法的工程模擬軟件，其在船舶方面有著廣泛的應用，并且針對海洋平臺分析專門開發了AQUA模塊，功能包括海洋平臺和立管分析、J管道拉伸模擬、基座彎曲計算和漂浮結構研究等，已被著名的船舶制造企業作為研發工具，如Newport News、三星重工、Universal Shipbuilders Corp.等，另外挪威船級社（DNV）也將其作為分析和模擬仿真的主要工具[1]。

構建有限元模型是模擬仿真的前提，船舶海工裝備的結構龐大，往往是計算模擬的難點所在[2]。ABAQUS針對這類大型問題，擁有專門的技術在工程應用領域解決此類問題，為此本文將研究運用ABAQUS高效建立大型船體有限元模型的方法。

1 板梁組合結構

船體通常由板梁組合結構組成，如肋板、舷側肋骨、甲板橫梁、縱骨、縱桁和加強筋等，結構特征單元如圖1所示。

圖1 結構特征單元

在有限元軟件中，常用的建模方法有以下幾種[3-7]：

1）構建全實體模型。采用實體單元進行模擬，船體建模會造成分析數據龐大，網格質量差，大大影響計算速度和精度。

2）構建全殼模型。采用殼單元進行模擬，須抽取板/梁結構的特征面，建模速率偏低，同時不利于優化再設計。

3）構建殼梁組合模型。采用殼單元和梁單元混合模擬，殼單元模擬船板/甲板，梁單元模擬縱梁（T型材）、加強筋（球扁鋼）等，兩者間通過約束關聯；這種建模方式高效、分析速率高，并易于板厚及梁截面的優化設計，但關聯約束是由特定算法實現，會造成換算誤差。

通過上述建模方法的對比分析，可知采用殼/梁單元混合模擬更利于大型船體的建模。針對殼/梁混合建模方式，ABAQUS開發了Stringer（縱桁）功能，可快捷地在實體/殼體的邊上建立梁模型，實現板梁節點的共享，而無需額外的多點耦合約束（MPC），減少了因換算造成的誤差，如圖2所示。

圖2 縱桁

根據待建模對象的特點、承載方式及校核方法，通常采用多種建模方法共存的方式進行仿真分析。本文將以自升式海洋平臺的船體為例研究運用ABAQUS構建有限元模型的高效方法。

2 自升式海洋平臺船體建模

自升式海洋平臺是目前國內外應用最為廣泛的鉆井平臺。自升式鉆井平臺可分為3大部分：船體、樁腿/靴和升降機構。工作時，將樁腿插入或坐入海底，船體則沿樁腿升離海面一定高度，并支撐整個平臺上的設備在海上作業；移位時，船體降至水面，樁腿升起，平臺由拖輪拖航到新井位。待建的自升式平臺全局參數見表1。

表1 自升式平臺的全局參數

此自升式平臺船體的結構特征主要由甲板/艙板、縱/橫梁和加強筋等組成，如圖3所示。

圖3 自升式平臺船體結構特征

根據上述的建模方法及ABAQUS軟件特點，構建自升式平臺的殼梁組合模型。優先運用通用三維建模軟件（如UG、Solidworks和Pro-E等）建立甲板、艙板的曲面或平面特征構建自升式平臺船體的幾何殼模型，并通過接口導入ABAQUS，如圖4所示。

為了高效地運用Stringer功能，圖4中船體已在設有縱梁處被分割，依據其特征邊建立Stringers，賦予縱梁屬性后，如圖5所示。

圖4 自升式平臺船體

圖5 平臺縱梁

由上述可知，創建Stringer需分割曲面提取其特征邊，考慮到加強筋的數量龐大，若繼續分割幾何模型將導致結構過于離散，無法導入分析軟件。因此，加強筋的模擬不易再采用Stringer進行建模，而運用關聯約束（綁定或MPC）進行模擬。加強筋曲線特征導入分析軟件，賦予屬性后并施加綁定約束，如圖6和圖7所示，圖7中的“○”為綁定約束符號。

圖6 加強筋圖

圖7 主甲板模型

根據上述方法逐次建立各甲板及艙板的加強筋層并施加綁定約束完成模型的最終構建，自升式平臺有限元模型見圖8，網格模型見圖9。

圖8 自升式平臺有限元模型圖

圖9 網格模型

3 自升式海洋平臺船體分析結果

為了驗證上述構建自升式平臺有限元模型和建模方法的有效性，同時船舶/海洋平臺的總體強度分析在其設計中也是首先需要考慮的問題[2,8]。為此，將僅考慮自重工況下的自升式平臺模型提交分析，并約束樁腿圍阱區域，分析結果見圖10～圖13。

由圖10可知，船體全局應力分布合理，滿足圣維南原理，最大應力為144.9 MPa（最小屈服應力355 MPa），位于樁腿圍阱區域，滿足強度設計要求。

圖10 全局應力云圖

圖11 全局位移云圖

圖12 縱梁及加強筋位移云圖

圖13 縱梁位移云圖

由圖11～圖13可知，船體、縱/橫筋和加強筋間的變形趨勢是一致的，最大位移為10.9 mm，而且沒有出現縱梁或加強筋穿刺的現象，證明殼與梁之間形成了良好的耦合，實現了有效的應力傳遞，保證了分析結果的正確性和準確性。同時，驗證了本文闡述的建模方法是有效可行的。

另外，有時為了考察某縱梁的面內屈曲[9]，將會采用殼單元進行模擬，便于分析結果的校核。如圖14所示，樁靴底部設計有T型材作為加強筋，考慮T型材的面內屈曲失效，因此T型材的腹板由殼單元模擬，翼板采用Stringer創建梁單元模擬，實踐證明：這種建模方法也是有效可行的。

圖14 樁靴模型

綜上可知，針對大型船舶/海工設備有限元模型構建方法的選擇應由結構特征、受力方式以及校核方法等多種因素決定的。同時，靈活運用ABAQUS建模可便捷地實現多種建模方法的融合，不僅提高了建模速度和設計效率，還能有效保障分析結果的可靠度。

4 結論

通過上述運用ABAQUS對大型船舶/海工設備有限元模型建模方法的研究和實踐，可得出以下結論：

1）對比3種建模方法，針對大型船舶/海工裝備有限元模型的構建適于采用全殼或板梁組合方式進行建模，不僅建模及運算速度快，還易于優化設計。

2）運用ABAQUS構建自升式平臺船體模型，采用了板梁組合的建模方法，殼單元模擬甲板/艙板，梁單元模擬縱梁及加強筋，另外縱梁由ABAQUS軟件特有的Stringer功能實現，加強筋采用綁定約束與殼單元關聯。分析結果可知，通過此方法建立的模型是有效的，殼與梁間形成了良好的耦合，實現了有效的應力傳遞，能夠保證分析結果的正確性和準確性。

3）有限元建模方法的選擇應由結構特征、受力方式以及校核方法等多種因素決定的，靈活運用ABAQUS建模可便捷地實現多種建模方法的融合，不僅提高建模速度和設計效率，還能有效地保障分析結果的可靠度。