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(xué)，杭州 310058）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元分析法（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）已成為工程分析特別是結(jié)構(gòu)分析中必不可少的工具，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶海工、水利、土木工程、機(jī)械電子和生物醫(yī)學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)的各個領(lǐng)域，相應(yīng)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(lǐng)域，有限元技術(shù)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性分析以及船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評估等方面。ABAQUS作為一套功能強(qiáng)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(yīng)用，并且針對海洋平臺分析專門開發(fā)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(jì)算和漂浮結(jié)構(gòu)研究等，已被著名的船舶制造企業(yè)作為研發(fā)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(gòu)建有限元模型是模擬仿真的前提，船舶海工裝備的結(jié)構(gòu)龐大，往往是計(jì)算模擬的難點(diǎn)所在[2]。ABAQUS針對這類大型問題，擁有專門的技術(shù)在工程應(yīng)用領(lǐng)域解決此類問題，為此本文將研究運(yùn)用ABAQUS高效建立大型船體有限元模型的方法。

1 板梁組合結(jié)構(gòu)

船體通常由板梁組合結(jié)構(gòu)組成，如肋板、舷側(cè)肋骨、甲板橫梁、縱骨、縱桁和加強(qiáng)筋等，結(jié)構(gòu)特征單元如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)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(gòu)建全實(shí)體模型。采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，船體建模會造成分析數(shù)據(jù)龐大，網(wǎng)格質(zhì)量差，大大影響計(jì)算速度和精度。

2）構(gòu)建全殼模型。采用殼單元進(jìn)行模擬，須抽取板/梁結(jié)構(gòu)的特征面，建模速率偏低，同時不利于優(yōu)化再設(shè)計(jì)。

3）構(gòu)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(qiáng)筋（球扁鋼）等，兩者間通過約束關(guān)聯(lián)；這種建模方式高效、分析速率高，并易于板厚及梁截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但關(guān)聯(lián)約束是由特定算法實(shí)現(xiàn)，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(fā)了Stringer（縱桁）功能，可快捷地在實(shí)體/殼體的邊上建立梁模型，實(shí)現(xiàn)板梁節(jié)點(diǎn)的共享，而無需額外的多點(diǎn)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(jù)待建模對象的特點(diǎn)、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(jìn)行仿真分析。本文將以自升式海洋平臺的船體為例研究運(yùn)用ABAQUS構(gòu)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(nèi)外應(yīng)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(jī)構(gòu)。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(shè)備在海上作業(yè)；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(shù)見表1。

表1 自升式平臺的全局參數(shù)

此自升式平臺船體的結(jié)構(gòu)特征主要由甲板/艙板、縱/橫梁和加強(qiáng)筋等組成，如圖3所示。

圖3 自升式平臺船體結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)上述的建模方法及ABAQUS軟件特點(diǎn)，構(gòu)建自升式平臺的殼梁組合模型。優(yōu)先運(yùn)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(gòu)建自升式平臺船體的幾何殼模型，并通過接口導(dǎo)入ABAQUS，如圖4所示。

為了高效地運(yùn)用Stringer功能，圖4中船體已在設(shè)有縱梁處被分割，依據(jù)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(chuàng)建Stringer需分割曲面提取其特征邊，考慮到加強(qiáng)筋的數(shù)量龐大，若繼續(xù)分割幾何模型將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過于離散，無法導(dǎo)入分析軟件。因此，加強(qiáng)筋的模擬不易再采用Stringer進(jìn)行建模，而運(yùn)用關(guān)聯(lián)約束（綁定或MPC）進(jìn)行模擬。加強(qiáng)筋曲線特征導(dǎo)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(qiáng)筋圖

圖7 主甲板模型

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

圖8 自升式平臺有限元模型圖

圖9 網(wǎng)格模型

3 自升式海洋平臺船體分析結(jié)果

為了驗(yàn)證上述構(gòu)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(qiáng)度分析在其設(shè)計(jì)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(qū)域，分析結(jié)果見圖10～圖13。

由圖10可知，船體全局應(yīng)力分布合理，滿足圣維南原理，最大應(yīng)力為144.9 MPa（最小屈服應(yīng)力355 MPa），位于樁腿圍阱區(qū)域，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖10 全局應(yīng)力云圖

圖11 全局位移云圖

圖12 縱梁及加強(qiáng)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(qiáng)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(xiàn)縱梁或加強(qiáng)筋穿刺的現(xiàn)象，證明殼與梁之間形成了良好的耦合，實(shí)現(xiàn)了有效的應(yīng)力傳遞，保證了分析結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。同時，驗(yàn)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(nèi)屈曲[9]，將會采用殼單元進(jìn)行模擬，便于分析結(jié)果的校核。如圖14所示，樁靴底部設(shè)計(jì)有T型材作為加強(qiáng)筋，考慮T型材的面內(nèi)屈曲失效，因此T型材的腹板由殼單元模擬，翼板采用Stringer創(chuàng)建梁單元模擬，實(shí)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(shè)備有限元模型構(gòu)建方法的選擇應(yīng)由結(jié)構(gòu)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(yùn)用ABAQUS建?？杀憬莸貙?shí)現(xiàn)多種建模方法的融合，不僅提高了建模速度和設(shè)計(jì)效率，還能有效保障分析結(jié)果的可靠度。

4 結(jié)論

通過上述運(yùn)用ABAQUS對大型船舶/海工設(shè)備有限元模型建模方法的研究和實(shí)踐，可得出以下結(jié)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(gòu)建適于采用全殼或板梁組合方式進(jìn)行建模，不僅建模及運(yùn)算速度快，還易于優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）運(yùn)用ABAQUS構(gòu)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(qiáng)筋，另外縱梁由ABAQUS軟件特有的Stringer功能實(shí)現(xiàn)，加強(qiáng)筋采用綁定約束與殼單元關(guān)聯(lián)。分析結(jié)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(shí)現(xiàn)了有效的應(yīng)力傳遞，能夠保證分析結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。

3）有限元建模方法的選擇應(yīng)由結(jié)構(gòu)特征、受力方式以及校核方法等多種因素決定的，靈活運(yùn)用ABAQUS建?？杀憬莸貙?shí)現(xiàn)多種建模方法的融合，不僅提高建模速度和設(shè)計(jì)效率，還能有效地保障分析結(jié)果的可靠度。