，， ，，，，

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；4.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

1 艦船虛擬試驗測試

船舶在實際航行過程中，在波浪中受到的波浪載荷、船舶機(jī)艙結(jié)構(gòu)承受的主機(jī)激振力、艉部結(jié)構(gòu)受到的螺旋槳的脈動作用力，都是隨時間變化的載荷。由于時間變量的存在，結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力不僅是空間坐標(biāo)的函數(shù)，而且也是時間坐標(biāo)的函數(shù)，這就增加了求解動力問題控制方程的難度。

利用虛擬試驗技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析測試，在建模與仿真試驗的環(huán)境下，一方面可以求出結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，主要指求出結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型；另一方面可以求出結(jié)構(gòu)對隨時間變化的載荷的響應(yīng)，亦即結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的運(yùn)動規(guī)律及應(yīng)力。艦船虛擬試驗測試總體界面框架見圖1。

圖1 總體界面框架

1.1 船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度虛擬測試技術(shù)

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度虛擬測試的目的是建立虛擬的海洋環(huán)境，模擬船舶在水中航行，實現(xiàn)船舶運(yùn)動及波浪載荷動態(tài)顯示[1]。建立樣船結(jié)構(gòu)有限元模型的信息數(shù)據(jù)庫，并用有限元軟件進(jìn)行信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，使其結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測試結(jié)果能夠?qū)崟r輸出。測試軟件使用時，可以利用外界輸入設(shè)備改變海洋風(fēng)浪、船舶行駛速度等，系統(tǒng)經(jīng)過后臺數(shù)據(jù)的分析計算后得出船體對當(dāng)前狀態(tài)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并且能在計算機(jī)屏幕上時實地顯示出來，見圖2。其核心技術(shù)包括了數(shù)字化建模、數(shù)字化海洋環(huán)境模擬和船體結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)字化仿真三個方面。其中，考慮到船舶在航行過程中會受到風(fēng)浪，拍擊，振動等復(fù)雜的海洋環(huán)境的影響，因此要以實船為原型，盡可能地模擬實船的實際結(jié)構(gòu)，把人為的誤差降到最低，最終通過建模與仿真的方法建立虛擬樣船。

圖2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測試測點布置

1.2 船體疲勞強(qiáng)度虛擬測試

船體結(jié)構(gòu)疲勞壽命虛擬測試技術(shù)通過綜合運(yùn)用虛擬試驗技術(shù)、船舶結(jié)構(gòu)理論以及疲勞理論來實現(xiàn)在計算機(jī)上模擬實船海上試驗。其基本思想是通過對被測樣船及其工作環(huán)境進(jìn)行仿真建模，測試出樣船在虛擬環(huán)境中的疲勞應(yīng)力，并對該試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞分析，進(jìn)而獲得樣機(jī)的疲勞損傷結(jié)果[2]。根據(jù)這種思想，可以通過如圖3所示的技術(shù)方案在計算機(jī)上實現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)疲勞壽命的虛擬測試。首先，建立海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫與被測樣機(jī)的有限元模型(虛擬樣機(jī))；然后，根據(jù)測試需要，選擇海況，并將該海況下的疲勞載荷作用于虛擬樣機(jī)，進(jìn)行應(yīng)力響應(yīng)分析，測試樣機(jī)在虛擬海況下的疲勞應(yīng)力時間歷經(jīng)；最后，對所測得的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行疲勞分析，給出虛擬樣機(jī)的損傷結(jié)果和壽命。其中，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)有：①虛擬海況的建立；②虛擬樣機(jī)的建立；③應(yīng)力時歷的模擬；④航向的模擬。

圖3 船體結(jié)構(gòu)疲勞虛擬測試技術(shù)方案流程

1.3 船體結(jié)構(gòu)振動虛擬測試

船舶在運(yùn)行中會受到主機(jī)、螺旋槳、波浪等外界激振力的作用而產(chǎn)生不同程度的振動，因此，通過船體振動虛擬測試技術(shù)檢測船體結(jié)構(gòu)的振動特性并準(zhǔn)確地獲取振動的固有頻率和振動響應(yīng)，采取相應(yīng)的減振措施，可以避免共振，降低破壞。

實船總振動激振試驗的目的在于確定船體總振動的固有頻率(包括垂向、水平、扭轉(zhuǎn))和固有振型及阻尼特性[3]。本項目基于實船振動試驗，把動力分析的有限元技術(shù)與模態(tài)分析技術(shù)相結(jié)合，在虛擬測試平臺上建立虛擬測試模型，通過選擇激勵點和測點并對激勵點進(jìn)行正弦激勵掃描輸入激勵，然后輸出激勵點和測點響應(yīng)信號以獲得船體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)頻響函數(shù)的離散數(shù)據(jù)，再利用模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域模態(tài)參數(shù)識別，從而得到船體結(jié)構(gòu)總振動的固有頻率和振型。

2 艦船結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度規(guī)范虛擬測試

艦船結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度規(guī)范虛擬測試采用船體XML文檔解析技術(shù)完成了TRIBON軟件與虛擬測試系統(tǒng)的船體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并設(shè)計了XML文檔與測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的接口，使艦船測試模型數(shù)據(jù)能夠正確導(dǎo)入虛擬測試系統(tǒng)；將VB+OpenGL三維動態(tài)查看模塊集成進(jìn)來，實現(xiàn)了測試對象的三維可視化；利用Windows Shell技術(shù)實現(xiàn)了艦船總體性能虛擬測試和結(jié)構(gòu)性能虛擬測試子系統(tǒng)的集成及測試數(shù)據(jù)(如數(shù)值型波浪環(huán)境數(shù)據(jù))的交互。在總縱強(qiáng)度、局部強(qiáng)度的虛擬測試模塊中按照“測試環(huán)境-測試對象-測試項目”的測試流程，系統(tǒng)實現(xiàn)了對基于規(guī)范的船體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度數(shù)字化測試與驗證。

2.1 測試對象獲取

測試系統(tǒng)使用的三維電子樣船模型來源于Tribon系統(tǒng)輸出到船體XML文檔的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息(包括船體各個分段、板架、開孔、剖面等及相關(guān)的屬性信息、拓?fù)湫畔⒑蛶缀螖?shù)據(jù)的建模特征等)。通過將XML文件里表達(dá)的建模數(shù)據(jù)利用解析工具進(jìn)行解析，按一系列自定義的數(shù)據(jù)命令格式寫入并存儲至系統(tǒng)內(nèi)部，即可用基于VB6.0編寫相關(guān)程序來讀取必要的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于軍規(guī)的強(qiáng)度校核和軍規(guī)知識庫的測試，見圖4。

圖4測試模型獲取

2.2 三維電子樣船顯示

通過解析XML文件導(dǎo)入虛擬測試應(yīng)用程序的船體模型可以實現(xiàn)某一視角的三維顯示(見圖5)，用戶可以從任何有利位置查看模型、干涉檢驗、進(jìn)行工程分析、提取相關(guān)數(shù)據(jù)、輸出模型創(chuàng)建動畫等，因此將VB+OpenGL三維動態(tài)查看模塊集成到虛擬測試系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)測試對象的三維可視化，更有利于對測試模型的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。

圖5 測試模型三維顯示

2.3 總縱強(qiáng)度規(guī)范測試

1)載荷計算部分為結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度軍規(guī)校核提供了外部波浪載荷數(shù)據(jù)，載荷計算依據(jù)“坦谷波”理論，計算出靜水狀態(tài)下的剪力曲線和彎矩曲線，波浪載荷的剪力曲線和彎矩曲線、靜水和波浪的合成剪力曲線和彎矩曲線、砰擊彎矩曲線，實現(xiàn)了剪力和彎矩的程序化自動計算[4]。

2)通過輸入肋位號，選擇校核剖面，即可依據(jù)輸入的肋位號實現(xiàn)剖面數(shù)據(jù)的自動提取，并將剖面模數(shù)計算結(jié)果輸出到表格。

3)依據(jù)規(guī)范要求，歐拉應(yīng)力的計算要將剖面中的構(gòu)件分為三種類型：縱骨架式板、T型材面板、縱骨，每種構(gòu)件類型都對應(yīng)著不同的計算公式。整個剖面的所有構(gòu)件的總縱彎曲應(yīng)力的校核即可依據(jù)歐拉應(yīng)力校核結(jié)果和載荷計算部分的彎矩值來完成。

4)極限強(qiáng)度的計算是根據(jù)船體剖面中距中和軸最遠(yuǎn)處的剛性構(gòu)件(通常為上纖維)達(dá)到材料屈服極限(中拱)或構(gòu)件的臨界應(yīng)力(中垂)時的總縱彎矩值來進(jìn)行測試。其它構(gòu)件的極限彎曲應(yīng)力則按照各自距中和軸的距離和上纖維距中和軸的距離的比值來確定。得出極限彎矩之后，再結(jié)合砰擊彎矩，靜水彎矩，波浪彎矩，按照極限強(qiáng)度校核準(zhǔn)則，進(jìn)行極限強(qiáng)度的校核。剪切強(qiáng)度即可通過計算構(gòu)件剪切應(yīng)力來進(jìn)行強(qiáng)度分析，如果校核的構(gòu)件為板的話，還要計算剪切歐拉應(yīng)力，以判斷其是否失穩(wěn)。

2.4 局部強(qiáng)度規(guī)范測試

以甲板局部強(qiáng)度虛擬測試為例，介紹基于規(guī)范的局部強(qiáng)度虛擬測試流程[5-6]。

1)首先，利用XML解析方法和特征識別技術(shù)抽取出甲板板架的全部結(jié)構(gòu)信息后存入系統(tǒng)內(nèi)部自定義的數(shù)據(jù)類型數(shù)組中，將甲板或平臺局部測試模型的三維信息通過矩陣轉(zhuǎn)換輸出到VB6.0圖片框進(jìn)行二維顯示，其XML的樹型結(jié)構(gòu)層次信息也依次在左邊Treeview控件中列出。

2)對于甲板板格的計算存在4種載荷形式：

飛濺水作用的載荷、主甲板遮蔽部分以及不考慮破損壓頭的下層甲板和平臺的計算載荷、保證艦艇不沉性的甲板的計算載荷和液艙結(jié)構(gòu)的計算載荷。通過輸入計算截面的肋位號，程序自動判斷測試部位的載荷計算類型，并將全船載荷值輸出到表格框。

3)甲板板及平臺板按四周剛性固定且承受均布載荷的絕對剛性板計算，計算時需要根據(jù)骨材間距和骨材跨距來對板格進(jìn)行劃分。甲板及平臺縱骨按剛性固定在甲板橫梁上承受均布載荷的梁計算。

4)根據(jù)上述流程的測試結(jié)果，程序會自動生成相應(yīng)的doc格式的測試報告，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的合格區(qū)域和危險區(qū)域，以便于結(jié)構(gòu)型式的改進(jìn)和完善。

3 測試案例

以某型艦船的電子模型為船體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來源,見表1，選取主甲板板架的#12、#25、#40、#65、#80和#95肋位的局部強(qiáng)度測試結(jié)果,見表2、3。將上述測試結(jié)果與甲板局部強(qiáng)度計算書進(jìn)行對比，結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)的測試應(yīng)力均達(dá)到了許用應(yīng)力的要求。

表1 船體結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

表2 甲板板強(qiáng)度測試案例

表3 甲板骨材強(qiáng)度測試案例

4 結(jié)論

艦船總體虛擬測試系統(tǒng)是一個集成了海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫技術(shù)、動態(tài)海況顯示技術(shù)、測試對象的三維顯示技術(shù)，功能上包含了艦船總體性能虛擬測試和結(jié)構(gòu)性能虛擬測試的綜合應(yīng)用系統(tǒng)。通過對整個測試系統(tǒng)的不斷調(diào)試和改進(jìn)，目前在整個測試過程中，各個功能模塊均能穩(wěn)定運(yùn)行，對比人工測試方法大大縮短了時間，提高了工作效率和準(zhǔn)確性。

[1] 李洛東.船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度虛擬測試技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.

[2] 馮 觀.船舶疲勞強(qiáng)度虛擬測試方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010.

[3] 張紅星.船體自由振動虛擬測試技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.

[4] 李 坤,何吾興,張家新,等.排水型水面船舶總縱強(qiáng)度虛擬測試系統(tǒng)初步研究[C]∥第二屆信息、電子與計算機(jī)工程國際學(xué)術(shù)會議(ICIECS2010),山東:淄博,2010,11.

[5] 朱 錫.水面艦艇結(jié)構(gòu)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社, 2000.

[6] GJB/Z-199-99,水面艦艇結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法[S].北京:中國人民解放軍總裝備部批準(zhǔn),1999.