船舶碰撞分析的案例
船舶碰撞同步損傷過程研究MSC.Dytran
隨著船舶運輸的發展，海上事故也有所增加，船舶碰撞更是時有發生。船舶碰撞一般涉及撞擊船和被撞船兩方，發生碰撞時它們同時會有不同程度的損傷變形，但對這一過程進行準確地理論分析卻非常困難。本文采用非線性有限元數值仿真方法，同時考慮了撞擊船和被撞船結構雙方的變形，對船舶碰撞同步損傷過程進行了研究。
一、前言
船舶碰撞是船體結構在很短的時間內，在巨大沖擊載荷作用下的一種復雜的非線性動態響應過程。一般來說，碰撞至少涉及一艘被撞船和一個碰撞物體，或者兩艘船舶。根據被撞船中心線與碰撞船或物體速度矢量的相對位置，碰撞分為正碰和斜碰，而結構響應與相對位置有很大的關系。
在最危險的直角碰撞中，撞擊船艏和被撞船舷側結構的相對剛度和能量吸收是兩個關鍵。在一般的船舶碰撞研究中，不論是理論方法還是有限元分析方法，通常只考慮被撞船舷側的變形，而把撞擊船的船艏設定為剛體以簡化計算及分析。比如，一般的船舶舷側板遭球鼻艏撞擊時的理論公式及簡化公式中，都將撞擊船艏視為剛體，從而大大簡化碰撞分析過程。在有限元模擬船舶碰撞的分析中，通常將被撞船的舷側撞擊區處理成可變形結構，撞擊船的艏部作剛體處理，這樣可以大大簡化分析和計算，也是偏安全的，一般可以作為近似結果。但若從碰撞研究的角度來看，考慮碰撞雙方的真實變形和吸能，對船舶碰撞過程進行真實模擬也是必不可少的，因此本文采用大型動態分析軟件MSC.Dytran，對撞擊船艏部和被撞船舷側的同步損傷特性進行碰撞仿真研究。
二、碰撞模型
為了研究一種比較普遍且危險的狀態，本文假設兩艘相同型號的船發生垂直碰撞，碰撞時它們的吃水狀態相同，正浮于水面。為了減少建模工作量，縮短計算時間，不必將兩艘船舶的全船模型作為有限元分析的計算模型。
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隨著船舶運輸的發展，海上事故也有所增加，船舶碰撞更是時有發生。船舶碰撞一般涉及撞擊船和被撞船兩方，發生碰撞時它們同時會有不同程度的損傷變形，但對這一過程進行準確地理論分析卻非常困難。本文采用非線性有限元數值仿真方法，同時考慮了撞擊船和被撞船結構雙方的變形，對船舶碰撞同步損傷過程進行了研究。
一、前言
船舶碰撞是船體結構在很短的時間內，在巨大沖擊載荷作用下的一種復雜的非線性動態響應過程。一般來說，碰撞至少涉及一艘被撞船和一個碰撞物體，或者兩艘船舶。根據被撞船中心線與碰撞船或物體速度矢量的相對位置，碰撞分為正碰和斜碰，而結構響應與相對位置有很大的關系。
在最危險的直角碰撞中，撞擊船艏和被撞船舷側結構的相對剛度和能量吸收是兩個關鍵。在一般的船舶碰撞研究中，不論是理論方法還是有限元分析方法，通常只考慮被撞船舷側的變形，而把撞擊船的船艏設定為剛體以簡化計算及分析。比如，一般的船舶舷側板遭球鼻艏撞擊時的理論公式及簡化公式中，都將撞擊船艏視為剛體，從而大大簡化碰撞分析過程。在有限元模擬船舶碰撞的分析中，通常將被撞船的舷側撞擊區處理成可變形結構，撞擊船的艏部作剛體處理，這樣可以大大簡化分析和計算，也是偏安全的，一般可以作為近似結果。但若從碰撞研究的角度來看，考慮碰撞雙方的真實變形和吸能，對船舶碰撞過程進行真實模擬也是必不可少的，因此本文采用大型動態分析軟件MSC.Dytran，對撞擊船艏部和被撞船舷側的同步損傷特性進行碰撞仿真研究。
二、碰撞模型
為了研究一種比較普遍且危險的狀態，本文假設兩艘相同型號的船發生垂直碰撞，碰撞時它們的吃水狀態相同，正浮于水面。為了減少建模工作量，縮短計算時間，不必將兩艘船舶的全船模型作為有限元分析的計算模型。
展開 Workbench lS-DYNA船舶碰撞仿真案例，詳解視頻及原模型 ￥69
涉及船舶結構的幾何處理，模型建立，碰撞分析，結果處理等各個方面。設置方法程詳細，結果結果合理。
1. 概述
LS-DYNA 是ANSYS Workbench中一款顯式動力學分析的模塊，廣泛應用于碰撞、沖擊、爆炸等非線性瞬態問題。其核心優勢在于處理大變形、材料失效和復雜接觸問題。以下將結合輪船/防撞梁碰撞案例，說明 LS-DYNA 的關鍵操作流程。本文檔詳細介紹了輪船碰撞仿真的主要技術點，包括幾何處理、材料定義、網格劃分、接觸設置、邊界條件、計算設置和結果分析等內容。通過本指導，用戶可以掌握輪船碰撞仿真的核心步驟和注意事項。
2. 幾何處理
2.1 幾何簡化
使用三維實體單元會導致計算量顯著增加，尤其是在沖擊和震動分析中。所以需要將三維幾何模型簡化為殼模型（Shell Model），以減少計算量。可以使用SpaceClaim、DesignModeler (DM) 或其他三維CAD軟件進行幾何處理，然后將處理好的幾何模型調入LS-DYNA模塊。
在沖擊和震動分析中，使用三維實體單元（如六面體或四面體單元）會顯著增加計算資源消耗。這是因為實體單元需要在三個維度上劃分網格，每個單元需計算位移、應力和應變等多個自由度，導致單元數量龐大且求解時間成倍增長。為解決這一問題，通常將三維幾何模型簡化為殼模型（Shell Model）。殼單元僅需在二維平面上劃分網格，并通過定義厚度參數還原結構的力學特性，既能大幅減少單元數量（通常可縮減至實體模型的10%~30%），又能有效保留結構的抗彎、抗剪性能。幾何簡化可通過專業前處理軟件（如ANSYS SpaceClaim或DesignModeler）完成，也可用其他三維CAD軟件處理。通過合理簡化模型，可在保證結果可靠性的前提下，顯著提升碰撞仿真的計算效率。
展開 lsdyna船舶橋梁碰撞模型
本文主要研究橋墩防撞裝置，所以在建立模型時，采用實際形式、尺寸，只是把模型中極小的構件進行簡化，避免在建模過程中對網格進行劃分時，由于尺寸單元過小，而減小積分步長，使得分析效率大大的降低。
針對上面提到的結構簡化，對建模過程中的模型提出假設:
1、船舶是用質量塊（包含水質量）來模擬的，并且不考慮輪船在碰撞的過程所吸收的能量；
2、船舶在與防撞裝置發生碰撞的時候，橋梁上部結構所產生的動力響應不做考慮；
3、流水對船舶在碰撞當中所吸收的能量不做考慮。 利用 ANSYS/LS-DYNA 建立了模型，輪船的重量是 DWT5000 ，速度是 /m4s ，橫橋向碰撞，對此過程進行仿真模擬分析。
4.船舶及橋梁有限元計算模型
根據相關參數，建立船舶及橋梁有限元計算模型，其有限元模型如下圖所示：
圖 4.1 船舶有限元模型
圖 4.2 船舶內部隔板模型
圖 4.3 橋墩有限元模型
圖 4.4 船舶橋梁整體有限元模型
5.仿真結果及其分析
5.1碰撞力時間歷程曲線
圖 5.1 船舶橋梁碰撞力時間歷程曲線
圖 5.1 為撞擊力的時程曲線圖。根據圖中所表示的，在碰撞過程中，撞擊力的非線性是很明顯的，碰撞過程中船舶的各個構件產生破壞或者失效，由于這樣，碰撞力呈現出跳躍或者撥動。由于剛剛接觸，所以碰撞力為 0。隨著時間的增大，碰撞力也是在變大的，在 t=0.03s 時，碰撞力達到最大值。撞擊結束后碰撞力再次趨向于 0。
展開 
船舶與浮冰的碰撞仿真模擬
船舶水動力
以KRISO集裝箱船（KCS）模型為研究對象，該模型尺度的船模曾被用于很多實驗，便于驗證仿真的準確性。船型主要參數見表1。
表1：KCS船模主要參數
船舶靜水模擬采用雷諾平均法（RANS）求解，VOF法描述自由液面，和 k-w SST湍流模型。
計算域和邊界條件如圖3所示。
圖3 船舶靜水計算域與邊界條件
進口速度U用無量綱弗洛德數 表示，其中g 和 Lpp 分別表示重力和船長。
浮 冰 碰 撞
浮冰采用Discrete Element Method(DEM)建模，其路徑追蹤基于拉格朗日方法，與歐拉流體單向耦合，即DEM顆粒從流場中獲取壓力和速度等，而流場不受DEM顆粒的影響。
基于該假設，模擬先開展船舶靜水分析，待其達到穩態之后，阻力數值及波浪形態收斂，流場解將被鎖住，然后再注入浮冰，進行后續的碰撞分析，極大的提高了計算效率。
碰撞模型如圖4所示。
圖4 DEM碰撞模型
碰撞模型基于柔軟顆粒重疊理論，即允許浮冰與浮冰，浮冰與船舶之間出現重疊。
展開 橋梁受船舶碰撞坍塌的仿真
基于已發的交通事故，論文建立了完整的船舶模型和橋梁系統模型，應用工程理論和CAE技術顯式有限單元法模擬船-橋碰撞、破損和坍塌過程，為經濟合理的橋梁防撞設計、防護、補強、交通管理等提供參考和依據。
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船舶設計軟件：船舶行業設計及分析軟件推薦
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關于“2030 年的船舶行業”思想領導力系列
2030 年的船舶行業將是什么樣子？我們邀請了來自 Schnitger Corporation 的船舶設計師兼首席分析師莫尼卡·施尼特格爾 (Monica Schnitger) 為我們答疑解惑。答案由六篇簡報構成，每篇都從不同的角度來介紹航運業的未來發展。本篇簡報聚焦于船舶行業現今所面臨的重大挑戰之一：打造船舶數字化勞動力。
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展開 MSC.Dytran基礎培訓教程 MSC.Dytran基礎培訓教程 下載 收藏 加入文輯
1.3 MSC.Dytran的主要分析功能
MSC.Dytran是一種用于分析結構及流體材料的非線性動態行為的有限元程序。MSC.Dytran與MSC.Nastran的動力學分析功能有很大的不同。MSC.Nastran的動力學分析主要地是動特性分析，動態過程仿真分析的功能很弱，而MSC.Dytran完全是一種動態過程仿真分析程序。此外，MSC.Nastran包含許多不同的求解序列，而MSC.Dytran沒有求解序列之分。該程序采用顯式積分法并能模擬各種材料及幾何非線性，特別適合于分析包含大變形、高度非線性和復雜的動態邊界條件的短暫的瞬態動力學過程。軟件中同時提供拉格朗日求解器與歐拉求解器，因而既能模擬結構又能模擬流體。拉格朗日網格與歐拉網格之間可以進行耦合，從而可以分析流體與結構之間的相互作用。軟件具有豐富的材料模型，能夠模擬從金屬、非金屬（包括土壤、塑料、橡膠等）到復合材料的各種材料的從線彈性、屈服、狀態方程、破壞、剝離到爆炸燃燒等各種材料行為模式。
目前已有的應用Dytran作分析的典型的工程問題有：
● 氣囊充氣過程分析
● 氣囊與乘員的交互作用分析
● 鈑金成形分析
● 武器系統設計分析
● 鳥撞航空結構分析
● 結構承受爆炸波載荷的響應分析
● 高速彈丸穿透分析
● 船舶碰撞分析
● 車輛碰撞分析
由于MSC.Dytran具有強大的仿真功能，從理論上講幾乎可以模擬任何力學過程，用戶根據自己的需要，創造性地運用該程序，能夠開發出許多新的、精彩的應用功能來。這也正是MSC.Dytran的魅力所在。...............
MSC.Dytran基礎培訓教程.pdf
展開 船舶噪聲仿真分析
船舶噪聲來源主要有三個，分別是艙室噪聲、水下輻射噪聲以及自噪聲，分別介紹如下：
01
艙室噪聲
艙室噪聲是由船舶的結構噪聲和空氣噪聲共同引起的。除空氣聲源艙室和鄰近艙室中的艙室噪聲主要由空氣噪聲決定外，其它艙室的艙室噪聲主要由結構噪聲決定。
02
水下輻射噪聲
船舶在海上航行時引起的水下輻射噪聲，主要由機械設備振動產生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結構產生的水下噪聲和水動力噪聲組成。
03
自噪聲
自噪聲是指聲納接收換能器所接收到的其載體產生的噪聲和聲納設備本身產生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計算船體設備的振動引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問題，并可以通過合理地優化船舶總體結構與各部件，達到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應用示例。
展開 基于Icepak的船舶儲能電池散熱特性仿真分析
摘 要：目前全電船舶儲能系統主要由鋰電池構成，對其進行合理的熱設計是保證儲能系統安全可靠運行的關鍵。以某型船用儲能電池包為研究對象，分別設計其風冷和水冷散熱系統，基于Icepak軟件進行兩類冷卻系統的散熱特性仿真及評估。通過改變風冷散熱系統的入口風速、風扇半徑、風扇數量，以及液冷散熱系統的冷卻液流速、冷卻液入口溫度等參數，對比分析參數變化對系統散熱效果的影響，為全電船舶儲能系統散熱方案的選取和散熱系統的設計提供依據。
關鍵詞：儲能電池包;風冷散熱系統;液冷散熱系統;溫度分布;參數影響;
1 引言
隨著各國對航運節能減排的高度重視，一些新技術、新理念被應用到了船舶的設計、建造和運營當中。全電船舶作為其中極具代表性和發展潛力的技術之一，被認為是構建未來綠色航運體系的重要一環[1]。全電船舶可看作是“移動的微電網”,而儲能系統則是其微電網的重要組成部分，承擔著平抑負荷波動，改善電能質量的任務，可為船舶安全可靠的運行提供重要保障[2]。
目前，全電船舶的儲能系統以電池儲能為主，磷酸鐵鋰電池因其具有較高的安全性和較長的循環使用壽命，成為儲能電池的首選。由于鋰離子電池自身的特性，其在正常充放電過程中會產生熱量，導致電池溫度升高。而全電船舶的儲能系統則是由大量的單體電池通過串并聯的方式構成，加之船上空間狹小緊湊、相對封閉，這給儲能電池的散熱帶來了巨大挑戰。若不能采取有效的散熱措施，不僅影響儲能電池的工作性能和使用壽命，更有可能會引發電池熱失控，導致船舶失火等事故的發生，嚴重影響船舶航行安全[3]。因此，對儲能電池進行熱管理，分析其在不同散熱方式下的熱特性，以選取合適的冷卻方案，確保電池工作在合適的溫度區間，對保證船舶儲能系統安全可靠運行具有重要意義。
考慮到船舶運行環境的復雜性和設備運行的可靠性，在船舶電氣設備的熱設計中主要采用風冷散熱和液冷散熱。
展開 
船舶結構振動噪聲分析及其進展
船舶艙室噪聲主要對船員生理和心理的影響，如喚醒睡眠、妨礙交談、打斷思路、使人煩惱等。
船舶振動與噪聲的控制
對于船舶振動與噪聲控制，目前采用數值仿真的方法模擬船舶噪聲振動問題，主要基于有限元 (FEM)、邊界元 (BEM) 和統計能量分析 (SEA) 三種方法。
有限元方法是確定性的求解方法，用于低頻振動環境的預示，可以得到結構的整體模態參數。與邊界元方法結合可以預示結構的振動以及內外聲場的噪聲輻射強度。有限元方法雖然在理論上可以在任何頻率范圍內求解結構的振動和噪聲輻射問題，但是在求解高頻問題時，由于波長很小且模態密集，要準確求解需要網格精細程度足夠高（通常在一個波長范圍內需要6-10個單元），因此模型的規模會變得非常大，求解的時間變得非常的長，反而沒有了數值仿真高效的特點。
其次，由于結構的高階模態參數對許多不確定的原始參數以及許多結構細節非常的敏感，但是結構細節又不太好確定，使得有限元方法求解的精度大打折扣。另外，結構聲振分析既存在振動引起的噪聲輻射問題，又存在噪聲引起的結構振動問題，傳統的有限元方法在解決二者的耦合時比較困難。因此，有限元方法通常只是用于求解低頻振動噪聲環境的預示。而實際上船舶的振動與噪音的控制是機艙集控室采用剛性安裝的輕質五夾板內襯，其噪聲插入損失不超過20dB(A)。
展開 聲學仿真：船舶噪聲仿真分析
來源：舟山虛擬仿真驗證平臺
船舶噪聲來源主要有三個，分別是艙室噪聲、水下輻射噪聲以及自噪聲，分別介紹如下：
01
艙室噪聲
艙室噪聲是由船舶的結構噪聲和空氣噪聲共同引起的。除空氣聲源艙室和鄰近艙室中的艙室噪聲主要由空氣噪聲決定外，其它艙室的艙室噪聲主要由結構噪聲決定。
02
水下輻射噪聲
船舶在海上航行時引起的水下輻射噪聲，主要由機械設備振動產生的水下噪聲、螺旋槳噪聲、螺旋槳脈動壓力作用在艉部結構產生的水下噪聲和水動力噪聲組成。
03
自噪聲
自噪聲是指聲納接收換能器所接收到的其載體產生的噪聲和聲納設備本身產生噪聲的總和。
目前噪聲仿真分析技術已擁有聲振耦合分析功能，適用于仿真計算船體設備的振動引起的聲輻射、水下艦艇的聲輻射、阻尼與隔振等問題，并可以通過合理地優化船舶總體結構與各部件，達到減振降噪的目的。圖中是水下某艦艇聲輻射仿真分析應用示例。
展開 船舶側推器故障分析
船舶側推器偶發性故障分析及其冬季運行管理的特點
MODEL: TCT-240
TYPE: CPP 4 BLADER X 2400MM
Maker: KTE CO.LTD
Motor Rated Capacity: 2500 Kw x 893 rpm
引子：
新船,下水三年多，艏側推（B/T: BOW THRUSTER）運行一直很正常。但在某年二三月間靠泊日本幾個港口的時候，接連發生了系統啟動失敗（OVER TRIP）的故障,導致設備無法使用。但當船航至東南亞港口靠泊時，設備偶爾能夠正常啟動并使用。在船員檢查系統無果的情況下，服務工程師被請至船上解決故障，但當船返航至日本港口的時候，故障仍未解決。
分析：
當B/T 的主馬達（MAIN MOTOR）啟動時，所有的先提條件都應滿足：通風系統(VENTILATION FAN)，液壓起動泵（PRIME PUMP）都已處于運行狀態，螺距控制器已置于零位。但當按下主馬達啟動按鈕時，系統顯示“PHASE ALARM”(相位報警)，同時系統自動卸載并警報（OVER TRIP）。
船舶側推器相當于一個變距槳裝置，由一個2500KW 的三相電機通過齒輪傳動系統提供槳葉圓周方向旋轉的動力，而由液壓起動泵（PRIME PUMP）提供槳葉徑向轉動的動力以實現變向及變距。
展開 船舶阻力CFD模擬分析 ?
由于船舶繞流中存在大曲率彎曲壁面流動，船尾部流場復雜，因此湍流模式的選取對計算結果的精度有很大影響，通過對上述六種湍流模式進行了對比研究，結果表明RNG k-ε和 SST k-ω模型比較適合于船舶粘性流場的數值模擬。
FLUENT具有強大多相流技術
FLUENT標準模塊中還包括許多的多相流模型，其中VOF模型（Volume of Fluid）可以用于對界面的預測比較感興趣的自由表面流動，如海浪、船舶自由液面。Mixture混合相模型下的汽蝕模型已被證實可以很好的應用到水翼艇、船用螺旋槳的空化模擬。
FLUENT具有強大的動網格技術
FLUENT軟件的六自由度動網格技術主要用于計算運動壁面邊界問題，即計算邊界發生位移形變的問題，邊界的形變過程可以是已知的，也可以是取決于內部流場變化的。在計算前首先要給定體網格的初始定義，在邊界發生形變后，其內部網格的重新劃分是在FLUENT內部自動完成的，而邊界的形變過程即可以用邊界函數來定義，也可以用UDF函數來定義。
該技術常用于船舶在非均勻來流如波浪作用下的6自由度運動（含有船舶晃蕩），船舶在水面或水下的回轉運動等。
FLUENT具有單、雙向流固耦合及參數化技術
該技術可以用于船舶球鼻艏、舵、螺旋槳槳葉、軸套等構件的流固耦合分析，目前已經有相當多的船舶客戶開始對船舶的球鼻艏及槳葉進行雙向耦合仿真分析。
另外，FLUENT被集成在Workbench平臺下后，能方便地對模型、網格尺寸、邊界條件等進行參數化分析，能大大提高船舶在初步設計過程中會涉及到的大量系列設計、相似設計的工作效率，即客戶只需要計算一種工況，模型或邊界條件修改后的工況，軟件會自動求解并輸出多工況的仿真計算結果。
展開 