船體結構的案例
【iSolver案例分享59】 水下爆炸實驗常用結構-簡化船體梁的模態計算與對比（Abaqus、文獻）
對于個人研究者來說，要進行實船水下爆炸研究存在著巨大的困難，因此一種普遍的做法是采用簡化船體梁結構進行研究。在正式進行水下爆炸實驗之前，通過模態分析的方法來考察所設計的簡化船體梁結構的合理性具有重要意義。
本文參考了Zhou等人發表的論文[1]，利用Abaqus、iSolver軟件對其中的簡化船體梁結構進行了模態計算，主要對水下爆炸中備受關注的一階垂向模態結果（干、濕）進行了對比，以評估自主有限元軟件iSolver在計算精度、可靠性和便利性等方面的表現。
1 模型介紹
根據論文提供的信息，建立如下所示的簡化船體梁結構模型：長2.8米，寬0.3米，高0.08米，板厚0.003米。結構材料采用Q235。
2 干模態的計算與對比
干模態的計算中，在Abaqus和iSolver使用相同的設置。Q235的密度取7850 kg/m^3,楊氏模量取2.1e11 Pa，泊松比取0.3。結構有3700個S4R單元。具體如下圖所示。
結果對比如下所示：
3 濕模態的計算與對比
濕模態的計算中，在Abaqus使用聲學單元建立水域，在iSolver直接使用軟件內置的施加虛擬流體質量設置（用戶手冊第4.14節）。結果對比如下所示：
4 結論
綜合上述對比，iSolver軟件計算結果分別在干、濕模態方面均與文獻結果、Abaqus計算結果展現出高度的吻合性，具有精度高、可靠性好的優點。且內置了施加虛擬流體質量的功能，對于船舶濕模態的計算更具有便利性，在不需要對水域進行建模的情況下，取得了比Abaqus更貼近實驗的結果，十分適合用于船舶行業的模態分析。
展開 船舶與海洋工程結構極限強度分析
【摘要】本文主要分析了船舶與海洋工程結構的極限強度，探討了在船舶與海洋工程中，結構強度方面需要關注的要點，希望通過論述，可以為船舶與海洋工程相關人員研究結構強度提供參考。
【關鍵詞】船舶；海洋工程；結構；強度
中圖分類號：F407文獻標識碼： A
一、前言
目前，對船舶與海洋工程結構極限強度的研究還較少，小部分的研究也局限于研究一般性的結構強度，因此，分析船舶與海洋工程結構極限強度非常有必要，這是進一步了解其結構強度的必要工作。
二、船體結構極限強度概述
船舶與海洋工程結構物在其全壽命周期內可能遭受各種各樣的載荷和變形，包括常規載荷、極限載荷或意外載荷。所以，在結構設計中應充分考慮這一因素，要更合理地考慮其安全性。
傳統的船舶設計是采用許用應力設計法(ASD法)，即在線彈性理論基礎上，船體總縱強度是通過甲板(或船底處)的彈性應力與許用應力比較來進行評估，許用應力通常取為材料屈服強度的若干百分數。這種方法與名義垂向波浪彎矩一起使用時，對于常規船型具有一定的有效性。然而，并不能使人們獲得清晰的船體強度的概念，更不能真實反映出船體結構的實際破壞的全過程。因此，ASD應用于非常規船型設汁是不能令人滿意的。
總縱彎曲下的船體損壞實質上是一個漸進的過程。當船體梁斷面上某一個最弱的構件因屈服、屈曲或兩者的某種組合發生損壞而不能有效承擔載荷時，將使船體剛度減少，但由于其他構件仍可承載，包括失效構件轉嫁來的載荷，因此船體梁仍能承載。基于船體結構極限強度所確立的“限制狀態”設計方法，比線彈性設計方法增加了安全性和經濟性。極限強度的影響參數研究對于估算船體結構的可靠性是必要的。對于像船體這樣復雜的結構，在確定設計衡準和所期望的統計中，所需的大量經驗數據不可能輕易地獲得。
展開 極地船舶冰區結構非線性仿真分析關鍵技術
而極地船舶在層冰、碎冰、冰脊、冰山等極其惡劣和復雜的海洋環境中航行，船體結構受冰載荷作用具有較大的隨機性，在海冰的作用下，結構可能達到塑性變形。如與冰山等大型海冰漂浮物發生碰撞造成結構破損，則容易導致油氣泄漏，對極地海洋環境產生巨大影響。
極地船舶冰區航行
目前各船級社制定的冰區船舶規范基于不同的船與冰相互作用，考慮了航速、浮冰厚度、彎曲強度等，但是由于實際冰區環境的復雜性，還需借助試驗或數值分析的方法進行設計驗證。在公司ARC7破冰凝析油船自主研發設計方面，通過鉆研理論和實踐，經過上百次的仿真計算、數據分析對比，貨船所船體室掌握了冰區結構塑性極限承載力非線性仿真分析、基于變形能法對船與冰山撞擊結構失效仿真分析等非線性仿真關鍵技術。
01
冰區結構塑性極限承載力
非線性仿真分析
在極端冰情下，船體結構將保留一定的塑性變形，目前缺乏極地船舶結構發生塑性變形后的結構強度評估規范。本技術采用船體結構鋼材非線性彈塑性和冰載荷作用非線性仿真分析，評估船體結構在極限載荷下的變形及極限承載能力，得出在冰載荷作用下結構超過彈性階段進入塑性階段后的船體結構的各重要物理性能指標。
展開 工字型截面構件的船體板架結構可靠性優化
可靠性優化
上海交通大學學報-2000年 01期-工字型截面構件的船體板架結構可靠性優化.pdf
比日韓沉5～10%，中國的空船重量為何就是降不下來？
持續推進結構優化是日韓船企空船重量低的主要原因。例如，大宇造船海洋空船重量優勢明顯的主要原因是該公司一直在推進船舶結構優化（標準化和輕量化），這已經是其設計人員日常工作的一部分。2004年，大宇造船海洋提出對VLCC進行結構重量下降10%、結構件個數減少20%的目標，期間平均每兩年該公司會對不同船型提出一次整體優化要求，每年還會有多次局部優化要求。2016年年末，大宇造船海洋對VLCC進行了結構優化，空船重量進一步減少2%，該船型成為大宇造船海洋近期接單的標準船型。
降低空船重量關鍵在基本設計。以油船為例，通常船體結構重量約占空船重量的70-80%（VLCC可達90%），船體結構優化80%以上在基本設計階段決定（其中GA/MA/T&S決定50%以上，Hull Key plan階段決定30%以上），詳細設計階段優化空間不足10%，生產設計階段幾乎沒有優化空間。因此，如果在基本設計階段沒有考慮結構優化，無論詳細設計階段如何努力，整個空船重量的下降空間也不過1%。據韓國一位主導過多型船體結構優化的設計人員分析，在保證相同強度的情況下，中國船企船體結構部分有10-20%的優化空間，基于原有設計圖紙，每一型船的結構優化通常需要耗時3-4個月。
船體結構優化可為船企帶來眾多直接經濟效益。一是節省鋼材和加工成本，縮短相應建造周期；二是節省相關結構品質檢測（NDT）費用；三是可提高標準化程度和鋼材利用率；四是可提升單位生產效率實現整體性降本增效；五是提高船廠的設計能力與送審應對能力。
中國船企空船重量下降難的主要原因為何？保證結構強度降低空船重量并非卡脖子技術，只要船企有意愿、明確優化目標以及設計人員經驗豐富，優化工作并非難事。但多年未能解決主要有三方面原因。
展開 論文導讀 | 復合材料護舷實船碰撞仿真方法及防護機理
圖7 不同船體板厚度下的碰撞結果
綜上所述，對船用護舷防護性能的評估需要考慮被防護結構的具體形式，達到相對剛度的平衡。當船體剛度較小時，護舷剛度應適當減小，從而延長碰撞時間，降低碰撞力和結構響應；當船體剛度較大時，護舷剛度應適當增大，使單位變形量下的吸能增大，加強防護性能。
文章來源：上海交通大學學報
LS-Dyna 水下爆炸之流固耦合應用 ￥8
04仿真模擬結果（K文件見下）
05水下爆炸流－固耦合接觸算法及ｋ文件設置
水下爆炸研究中的流－固耦合問題一直是重難點問題，該問題既包括炸藥的爆轟和沖擊波在水中的傳播過程，又包含有艦船結構大變形，兩者需有機的結合在一起。船體結構變形外力來源于炸藥爆轟后通過流體介質傳播到船體表面的沖擊波載荷，水下的船體表面不僅是載荷作用表面，也是流體流動的邊界，所以針對這類問題進行建模計算時，必須要考慮流－固耦合問題。
ＬＳ－ＤＹＮＡ程序通過ＡＬＥ方法在流固耦合界面處定義ＡＬＥ面，計算過程中歐拉網格可以隨著結構的變形而移動，Ｅｕｌｅｒ材料流動引起的壓力載荷變化通過耦合算法自動作用到結構的有限元網格上，在流體壓力作用下，結構網格發生變形，同時結構的變形也反過來影響流體材料的流動和壓力值，通過以上流體與結構間的相互作用可以得到完全耦合的流體－結構響應。由于網格可以隨著結構的變形而移動，所以計算過程中不需要每一步對耦合面進行檢查，提高了整個計算的求解率。下圖為流場和結構接觸面耦合算法示意圖。
相關ｋ文件關鍵字設置：為使仿真效果更接近真實場景，通過調整板材的法線方向，使得殼體能與歐拉域充分耦合。通過設置ＩＮＡＴＡL－ＶＯＬＵＭＥ－ＦＲＡＣＴＩＯＮ－ＧＥＯＭＥＴＲＹ卡片，實現ＬＳ－ＤＹＮＡ計算過程中船體結構、水域、炸藥和空氣的多物質耦合；船體結構破損后的接觸，使用ＣＯＮＳＴＲＩＮＥＤ－ＬＡＧＲＡＮＧＥ－ＩＮ－ＳＯＬＩＤ中的罰函數接觸和ＣＯＮＴＡＣＴ－ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ－ＳＵＲＦＡＣＥ－ＴＯ－ＳＵＲＦＡＣＥ關鍵字中的面與面接觸參數，以避免計算過程中結構受到載荷發生變形之后，結構單元相互穿插接觸產生畸變，而導致計算停止。
有關流固耦合關鍵字設置可參見K文件，需要調試參數以及參數意義的同學可以私信我。
展開 水下爆破沖擊波損壞艦船的仿真模擬
1.仿真背景
艦船的抗爆炸和抗沖擊問題，在艦船生命力研究中具有重要的意義，如何 有效地計算分析艦船水下沖擊環境，提高船體結構抗沖擊性能，提高艦船的戰斗力和生命力，是現代艦船研究的重大課題，對艦船在遭受典型武器命中后的沖擊環境及沖擊因子的研究是考核艦船生命力問題的重要組成部分，以某型號艦船的船體結構為星，結合大型有限元計算軟件LS_DYNA建立有限元分析模型，利用仿真計算的方法，研究艦船抗爆炸抗沖擊的性能，為間艦船的生命力研究提供了依據。
2.前處理
3.關鍵字（由于保密協議，不貼出數值）
4.爆破過程中艦體任意四點加速度曲線圖（由于避開敏感數值，增大了沖擊因子）
5.艦體受力云圖
6.流體密度ALE云圖
7.流體密度Iso云圖
8.結果動畫
展開 帆船復合材料船體結構優化設計(新)
在船型結構優化設計中一般需對結構靜態分析（應力，屈曲）、結構斷裂和疲勞、結構動態響應特性、結構材料進行優化。此例通過優化帆船船體7大主要部位的復合材料纖維走向角（fiber orientation angles），總計21個設計參數，降低帆船內部和船肋框體-船底（frame-floor）的最大應力值,內部應力值經可能小，優化策略；DOE random，64個體，MOGA，20代進化。
水下爆破沖擊波損壞艦船的仿真模擬
1.仿真背景
艦船的抗爆炸和抗沖擊問題，在艦船生命力研究中具有重要的意義，如何 有效地計算分析艦船水下沖擊環境，提高船體結構抗沖擊性能，提高艦船的戰斗力和生命力，是現代艦船研究的重大課題，對艦船在遭受典型武器命中后的沖擊環境及沖擊因子的研究是考核艦船生命力問題的重要組成部分，以某型號艦船的船體結構為星，結合大型有限元計算軟件LS_DYNA建立有限元分析模型，利用仿真計算的方法，研究艦船抗爆炸抗沖擊的性能，為間艦船的生命力研究提供了依據。
2.前處理
3.關鍵字（由于保密協議，不貼出數值）
4.爆破過程中艦體任意四點加速度曲線圖（由于避開敏感數值，增大了沖擊因子）
5.艦體受力云圖
6.流體密度ALE云圖
7.流體密度Iso云圖
8.結果動畫
展開 【5/19更新】出現結構性損壞：美國海軍“全鋁”軍艦存在斷裂風險，且有腐蝕隱患（文末領模型）
鋁船體結構具有能夠承受巨大的水下爆炸載荷而不損失船體的水密性能的優點，并且鋁合金船體結構具有良好的延展性，在船體結構斷裂之前，可承受巨大的塑性變形；而且海洋級鋁合金還具有“理論上”的優良耐腐蝕性，用其建造的船體表面不需要涂覆腐蝕保護涂層。
但實際上在“獨立級”瀕海戰斗艦的首艦建造時，就已經發現在船體上出現了長裂紋。2012年，在對“獨立級”LCS-2進行潛水目視檢查和超聲測試后，發現噴水推進組件發生了嚴重的電流腐蝕和點蝕，需要進船塢修復和更換。并且鑒于推進系統發生的腐蝕問題，美國Austal船廠在之后新建的“獨立級”上都使用了新型防腐涂層材料，并加裝外加電流陰極保護系統。據稱，“獨立級”的“科羅納多號”等后續瀕海戰斗艦都將采用這一腐蝕防護方案。
由此可見，“獨立級”瀕海戰斗艦在采用鋁合金制造艦體時，雖然采用了高性能海洋級鋁合金材料，理論上具有很好的延展性，但恐怕在首次采用全鋁結構建造大型高速軍艦前，美國海軍和船廠心里都沒底，也沒有對鋁合金艦體的疲勞性能、斷裂性能、腐蝕性能和防火性能進行長期測試。這才導致以高速著稱的“獨立級”瀕海戰斗艦，出現了現在這種可能會因高速航行而導致艦體斷裂的風險出現。
艦船與海洋設施鋁構件、結構的防腐措施包括：合金及狀態選擇、設計、有機涂層、緩蝕劑、陰極保護、增厚表面氧化膜、改善環境等。
如果“獨立”級的這一設計缺陷最終導致延長維修時間和操作限制，從而否定了該級艦隊的存在理由，它可能會引發一種與現在“自由”級類似的大規模退役的情況。
展開 
CADMATIC三維船舶設計軟件入門篇
船體2D制圖可以基于3D結構模型輕松地完成各種布置圖;
外板展開可以根據初步設計來生成船體外板;
基于曲面的船體線型可以導入到CADMATIC;
多樣化接口可以將模型導出至其他CAD/CAM軟件系統.
大舾裝的完整解決方案
協作設計解決方案可以允許全球最好的專家共同參與并實現在整個工程領域無縫式項目共享. eBrowser項目管理工具更能實現船東和管理者通過對項目信息的虛擬漫游進行及時高效的溝通.
3D 舾裝設計作為舾裝設計的核心系統為三維設備布置,管道,HVAC,電纜布線和結構設計的實體化和可視化提供了強大的工具. 它通過簡單快速建模, 智能化功能,組件管理和船體舾裝一體化完成所有任務.
簡單快速建模-工程建模功能將3D模型里的所有部件信息化的同時.通過部件所有權控制來管理整個并行設計過程. 軟件獨有的3D視圖技術和模型數據庫結構使得再復雜的項目模型也一樣輕量且簡單易用.
智能化功能-基于規則的管道和電纜托架建模保證了建模過程中材料,規格,絕緣和其他組件的精確性.除此以外,軟件的另一大優勢是修改模型的簡便性.
組件管理-允許創建參數化組件模型并可以導入其他CAD系統的3D模型。
船體舾裝一體化-保證了船體和舾裝設計可以在相同環境下進行的同時解決共有問題. 比如開孔管理工具可以有效解決舾裝開孔需求和船體結構可行性之間的矛盾.
除了上述核心系統之外, CADMATIC還具有一系列的附加模塊比如電纜敷設和通風管道管段模塊等.
eShare: 跟項目溝通瓶頸說再見
eShare為項目信息的利用和商務流程的優化提供一種簡單新穎的解決方式,. 通過簡單的網頁端口通道實現項目信息的合并,搜索,可視,共享. 模型和文檔資料實行雙向關聯. 色彩編碼為每一個分類提供一種可指定的顏色, 項目全景,盡收眼底.
展開 《艦船現代沖擊理論及應用》
全書共分10章，包括緒論、沖擊輸入的時域和頻域表示、沖擊響應特性分析、譜跌和動態設計法的主模態理論、多剛體一彈性體的子結構建模方法、抗沖擊設計的有限元縮聚建模、GAP單元在非線性建模中的應用、沖擊脈沖和沖擊譜的數據分析方法、沖擊試驗機和沖擊脈沖的確定、艦船水下爆炸沖擊等。本書的顯著特點是：在空間上，將水、船體結構、艦載設備等綜合在一起，船體結構強度和設備響應計算直接放在沖擊環境之中；在時間上，考慮了爆炸沖擊過程和船體彈塑性變形過程的連續性；在理論方法上，綜合了理論、試驗和數值方法，但以數值方法為主。本書內容全面，取材新穎，注重方法，實用性強。除系統敘述艦船及設備沖擊響應特性仿真的相關基本概念、基本方法外，作者還注意結合親身實踐體會介紹應用實例和國內外的有關最新研究成果。
本書可直接指導艦船及設備沖擊響應特性分析和防護設計，還可作為高等院校船舶工程、輪機工程等專業以及航空航天、地震、爆炸等領域里的高年級學生和研究生的教學用書，對廣大從事爆炸沖擊動力學分析、研究、應用和開發的科研人員也有較大的參考價值。
第1章緒論
第2章 沖擊輸人的時域和頻域表示
第3章 沖擊響應特性分析
第4章 譜跌和動態設計法的主模態理論
第5章 多剛體-彈性體的子結構建模方法
第6章 抗沖擊設計的有限元縮聚建模
第7章 GAP單元在非線性建模中的應用
第8章 沖擊脈沖和沖擊譜的數據分析方法
第9章 沖擊試驗機和沖擊脈沖的確定
第10章 艦船水下爆炸沖擊
附錄 恒等式的證明
展開 使用RADIOSS提高船舵對近距離爆炸事件沖擊載荷的抵御能力【轉】
在此過程中，Assystem 利用高性能有限元前處理軟件 HyperMesh 生 成網格，隨后在先進的結構求解器 RADIOSS 中進行分析，并通過后處理工具 HyperView 核查得出的結果。他們對多種載荷情況進行仿真測試并得出結果， 以確保找出制約抗沖擊性的因素。
“借助 HyperWorks 仿真套件，Assystem 成功確定了船舵遭受近距離爆炸時的抗沖擊性能。在此基礎上，我們很快找出了設計方面的問題，并加以解決和優化。”
David Hunt 首席應力工程師 Assystem
Assystem 將測試案例與憑經驗得出的解決方案的比較結合起來，通過查看內置質量核查以及監測輸出對模型進行校驗。除強度校核外，Assystem 還評估了截面受力和密封位移情況。基于這些分析結果，設計方案得到了大幅度優化。
解決方案
在成功構建出舵機及其附近船體結構的有限元模型后，研究人員向模型施加了與爆炸事件所產生沖擊載荷強度相 同的載荷，并對模型的抗沖擊情況進行了檢查和評估。
此外，他們還對船舵組件及其附近的一部分船體結構施加了壓力和速度隨時間變化的脈沖波。隨著對塑性應變、 密封偏差和截面受力情況的監測，相應結構得到確定。他們分別考慮了多種情況，每種情況下都會向三個主軸同時施 加載荷。
此分析過程通過 RADIOSS 完成。RADIOSS 是一款功能強大的設計工具，被廣泛應用于全球各個行業，能有效提高結構設計的抗沖擊性、安全性和工藝性。對舵機盒進行仿真時采用了彈塑性材料模型，以便形成永久塑性形變，利于捕獲數據。設計人員借此定義了接觸區域，其中包括接合區域和附近表面的摩擦接觸點。外殼的外切割邊緣上應用了施加的速度曲線。此外，他們還對外表面施加了壓力脈沖。
展開 【iSolver案例分享71】非對稱船體梁振動分析
1引言
在現代船舶設計與運行中，船體的振動問題一直是確保航行安全與乘員舒適的重要課題。船舶在行駛過程中，除了受風浪等外部自然載荷的影響外，船上動力系統、機械設備以及貨物的振動也會對船體結構產生復雜的動態效應。過度振動不僅可能導致船體產生顯著的變形、較高的振動速度和加速度，還會引發噪聲問題，對船上人員的健康構成潛在威脅，嚴重時甚至會引發結構疲勞、裂紋擴展以及安全事故。
近年來，隨著船舶結構形式和工況要求的不斷提高，非對稱船體梁的振動問題引起了國內外研究者的廣泛關注。尤其在波浪載荷等動態激勵作用下，大型非對稱船舶往往表現出較強的振動響應。因此，對非對稱船體梁振動響應的分析對實際工程設計、壽命評估以及安全性驗證具有重要參考價值。
本文主要參考了哈爾濱工程大學碩士研究生郝晨偉的學位論文中有關非對稱船體振動分析的相關內容。對對稱和非對稱船體梁兩種模型進行模態計算和比較。并將國產自主有限元軟件 iSolver 的計算結果與國外商業軟件 Abaqus 的結果進行了詳細對比，從而驗證了 iSolver 在復雜結構振動分析中的高精度、高可靠性以及良好的工程適用性。以下內容詳細介紹了模型建立、計算過程、結果分析以及總結。
2模型建立
為全面評估非對稱因素對船體梁振動性能的影響，本文分別建立了對稱船體梁模型和非對稱船體梁模型。兩者在基本結構參數上均采用相同的橫截面尺寸和基本幾何形狀，但在局部結構布置上存在明顯差異，以體現非對稱設計對動態響應的影響。具體模型參數如下：
· 船體梁基本尺寸：寬 14 m，高 10 m，梁長 100 m。
· 隔板布置：底部隔板距船體梁底部 3 m；上層隔板距頂部甲板 3 m。船板的厚度均為 0.1 m，且模型兩端均為封閉。
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