基于 PCL 的集裝箱船屈服強(qiáng)度校核工具開發(fā)

劉 俊，黃 銘

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 船海協(xié)創(chuàng)中心，上海 200240；3. 合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

基于 PCL 的集裝箱船屈服強(qiáng)度校核工具開發(fā)

劉 俊1,2，黃 銘3

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 船海協(xié)創(chuàng)中心，上海 200240；3. 合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

為了保障集裝箱船船體結(jié)構(gòu)的安全，在設(shè)計(jì)階段常常需要根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行直接分析并進(jìn)行整體和局部強(qiáng)度的校核。由于船舶運(yùn)行的載荷和必須考慮的工況復(fù)雜，同時(shí)各種工況下船體結(jié)構(gòu)不同部位和不同構(gòu)件的校核許用水平不一，無法直接借助通用軟件的后處理功能直觀判斷構(gòu)件是否滿足要求。本文基于 PCL 語言，針對(duì)中國(guó)船級(jí)社集裝箱船屈服強(qiáng)度校核要求，經(jīng)過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了許用應(yīng)力以及衡準(zhǔn)值的自動(dòng)計(jì)算，并通過云圖、三色圖以及報(bào)告直觀輸出校核結(jié)果，該工具有助于對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的快速反饋。

集裝箱船；PCL；直接計(jì)算；強(qiáng)度校核

0 引 言

集裝箱船是三大主力船型之一，以其裝卸快捷、航速高、貨物安全性好等特點(diǎn)，受到了國(guó)際運(yùn)輸市場(chǎng)的青睞。集裝箱船裝載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的集裝箱，通常采用垂向直壁式結(jié)構(gòu)，貨艙口幾乎和貨艙等寬，這種開口顯著削弱了船的抗彎、抗扭和橫向強(qiáng)度，為了保障船體結(jié)構(gòu)的安全，在設(shè)計(jì)階段常常需要根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行直接分析，并進(jìn)行整體和局部強(qiáng)度的校核。由于船舶運(yùn)行的載荷和工況復(fù)雜，同時(shí)各種工況下船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力許用水平因其部位和構(gòu)件類型的不同而各異，盡管現(xiàn)有通用軟件后處理功能很強(qiáng)大，應(yīng)力以及變形都可以直觀顯示，但無法快速判斷構(gòu)件是否滿足強(qiáng)度要求。

MSC. PATRAN & NASTRAN 是船舶結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域的基準(zhǔn)軟件，國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)的大部分成員認(rèn)可采用

Nastran 軟件作為船舶分析的驗(yàn)證軟件[1]。眾多研究者利用該軟件高度的集成能力和良好的適用性，采用PCL 語言進(jìn)行了二次自主開發(fā)，宋亞玲等[2]實(shí)現(xiàn)了扣除腐蝕余量、荷載計(jì)算、施加疲勞荷載、提取結(jié)果及分析的自動(dòng)化，唐旭東[3]利用 PCL 語言編寫程序來計(jì)算船體剖面慣性矩、剖面模數(shù)及中和軸位置等剖面特性，馮國(guó)慶等[4–5]初步實(shí)現(xiàn)散貨船以及艦船強(qiáng)度評(píng)估的自動(dòng)化，劉玉川等[6]開發(fā)了中國(guó)船級(jí)社有限元直接計(jì)算軟件 CSR-DSA.，這些成果集成在 PATRAN 中，擴(kuò)展了軟件的功能，增加了分析以及前后處理的效率。

為了滿足快速分析反饋需要，本文采用 PCL 語言，基于中國(guó)船級(jí)社（CCS）《集裝箱船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南》（后文簡(jiǎn)稱 CCS 指南），在 MSC. PATRAN 進(jìn)行二次開發(fā)，不需要手動(dòng)定義許用應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了集裝箱船整船以及艙段直接有限元分析屈服強(qiáng)度的快速自動(dòng)校核。

1 PCL 語言簡(jiǎn)介

PCL 為 Patran Command Language 的縮寫，類似 C語言和 Fortran 語言，包含一般高級(jí)語言具有的大部分?jǐn)?shù)據(jù)類型，提供了大量的函數(shù)。運(yùn)用 PCL 語言可以對(duì)Patran 進(jìn)行二次開發(fā)，如根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建用戶界面和數(shù)據(jù)庫、為設(shè)計(jì)或者優(yōu)化創(chuàng)建參數(shù)化模型、在 MSC.Patran中集成商業(yè)或者用戶開發(fā)的分析代碼、顯示用戶定義圖形、讀寫 MSC.Patran 數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建新的或者改進(jìn)MSC.Patran 功能、分析文件的數(shù)據(jù)庫管理以及排除單調(diào)、重復(fù)的流程等。用戶完成開發(fā)后，可以通過在“init.pcl”文件中加入相關(guān)語句實(shí)現(xiàn)開發(fā)功能的自動(dòng)調(diào)用[7]。

2 集裝箱船校核要求及本系統(tǒng)功能

2.1 集裝箱船校核要求

CCS 指南分別對(duì)集裝箱船整船以及艙段直接分析的校核作了相關(guān)規(guī)定。

集裝箱船整船分析的計(jì)算工況一般由靜水工況和最大垂向波浪彎矩（LC1）、最大水平波浪彎矩（LC2）、L/2 處最大扭矩（LC3）、3L/8 處最大扭矩（LC4）、5L/8 處最大扭矩（LC5）等波浪載荷工況組合而成，一共 5 個(gè)。屈服強(qiáng)度分析的許用應(yīng)力要求見表 1[8]。表中 σe與 τ 分別為 Vonmises 等效應(yīng)力和剪應(yīng)力。

集裝箱船艙段分析考慮中間 1 個(gè) 40 ft 箱位空艙、船舶橫傾中間 1 個(gè) 40 ft 箱位空艙、船舶橫傾、船舶縱蕩 4 種情況，各種情況下根據(jù)需要分別考慮不同貨艙內(nèi)和艙蓋上的集裝箱載荷作用，組合之后一共是 9 個(gè)計(jì)算工況。艙段分析的屈服強(qiáng)度校核遠(yuǎn)較整體分析繁瑣，不同工況下分別有等效應(yīng)力、剪應(yīng)力、船長(zhǎng)/船寬/型深單主應(yīng)力等不同校核量要求，而應(yīng)力許用值的大小與構(gòu)件種類、計(jì)算工況、材料屈服強(qiáng)度以及校核量等因素都相關(guān)[8]，相較整船校核復(fù)雜很多，具體要求如表 2所示。表中，σL為船長(zhǎng)方向正應(yīng)力；σW為船寬或船深方向正應(yīng)力；τ 為腹板總高度（或總深度）內(nèi)的平均剪應(yīng)力；κ 為高強(qiáng)度鋼系數(shù)。

表1 整船分析許用應(yīng)力Tab.1 Allowable stresses of global analysis

表2 艙段分析船體構(gòu)件各工況下的許用應(yīng)力Tab.2 Allowable stresses of cargo tank structural strength analysis

由表 1 和表 2 可知，依據(jù) CCS 指南對(duì)集裝箱船進(jìn)行結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)力許用值大小需要依據(jù)多

種因素確定，直接計(jì)算完成之后，雖可借助后處理功能直觀看到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，卻無法快速判斷構(gòu)件是否滿足屈服強(qiáng)度要求，手工校核繁瑣而且容易出錯(cuò)。

2.2 構(gòu)件衡準(zhǔn)值的定義及系統(tǒng)功能

定義構(gòu)件衡準(zhǔn)值 R 為有限元應(yīng)力計(jì)算值和許用值比值，即：

可以知道，當(dāng) R ＜ 1 時(shí)，構(gòu)件滿足屈服強(qiáng)度要求，所以衡準(zhǔn)值 R 的大小直接反映構(gòu)件是否滿足屈服強(qiáng)度要求。本文開發(fā)系統(tǒng)基于 CCS 集裝箱船強(qiáng)度指南，實(shí)現(xiàn)了衡準(zhǔn)值 R 的云圖和三色圖直觀顯示以及報(bào)告的輸出、查看功能。其中衡準(zhǔn)三色圖中，R 大于 1.2 的單元顯示為黑色，R 在 1.0 ～ 1.2 之間顯示為紅色，R 在 0.8 ～1.0 之間顯示為綠色，R 小于 0.8 顯示為淺藍(lán)色，通過三色圖可以快速找到不滿足規(guī)范要求的構(gòu)件（黑色和紅色顯示單元）。另外，衡準(zhǔn)結(jié)果還可通過報(bào)告形式輸出，并能選擇只輸出衡準(zhǔn)值大于某一過濾值的結(jié)果，同時(shí)報(bào)告中會(huì)給出相應(yīng)單元的位置坐標(biāo)及屬性名稱，便于定位需要加強(qiáng)的構(gòu)件。

與馮國(guó)慶、劉玉川[4–6]等的工作不同，本軟件系統(tǒng)不需要手動(dòng)定義許用應(yīng)力，而是直接從數(shù)據(jù)庫讀取設(shè)計(jì)階段的材料屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，根據(jù)所選擇的校核工況、構(gòu)件名稱、應(yīng)力校核量的類型等條件，按照指南要求（見表 1 和表 2）自動(dòng)計(jì)算許用應(yīng)力，進(jìn)而通過與計(jì)算應(yīng)力對(duì)比得到衡準(zhǔn)值；此外，衡準(zhǔn)結(jié)果可分別以云圖、三色圖和報(bào)告 3 種方式輸出，使用者能迅速判斷結(jié)構(gòu)是否滿足屈服強(qiáng)度要求，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行快速反饋。軟件使用簡(jiǎn)單方便、反饋直觀。

3 程序組成及界面

本系統(tǒng)核心部分包括有限元分析校核量的提取、相應(yīng)構(gòu)件許用應(yīng)力值的計(jì)算、衡準(zhǔn)值計(jì)算、衡準(zhǔn)結(jié)果圖形和報(bào)告輸出。其主要界面及相互之間關(guān)系分別如圖 1 和圖 2 所示。

校核時(shí)，首先在“設(shè)置”“條件”界面選擇船級(jí)社，船型，有限元模型范圍以及有限元分析采用的應(yīng)力單位等校核條件，合成工況 LC1G-3G 的結(jié)果；然后進(jìn)入“創(chuàng)建”界面，根據(jù)需要選擇創(chuàng)建對(duì)象，創(chuàng)建對(duì)象可以是“云圖”、“三色圖”或是“報(bào)告”，確定具體校核計(jì)算工況、校核量，校核構(gòu)件以及是否考慮應(yīng)力集中等，根據(jù)要求創(chuàng)建云圖、三色圖或報(bào)告；另外，可進(jìn)入“查看”“報(bào)告”界面，查看創(chuàng)建的報(bào)告或是其他文本文件。

圖1 系統(tǒng)主要界面Fig.1 Main interfaces of the strength assessment system

圖2 系統(tǒng)主要界面之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between the main interfaces

在操作過程中，如果發(fā)現(xiàn)條件設(shè)置有誤，可隨時(shí)返回條件設(shè)置界面重新設(shè)置。

4 示 例

采用本系統(tǒng)對(duì)某集裝箱船進(jìn)行強(qiáng)度校核，其中工況 3 下外底板部位船長(zhǎng)方向正應(yīng)力云圖如圖 3 所示，得到的衡準(zhǔn)值云圖和三色圖以及輸出報(bào)告（定義只輸出 R ＞ 0.9 的單元信息）如圖 4 ～ 圖 6 所示。與手動(dòng)校核結(jié)果對(duì)比表明，使用本系統(tǒng)快速準(zhǔn)確。

圖3 外底板船長(zhǎng)方向正應(yīng)力云圖Fig.3 Nephogram of σLof outer bottom

圖4 外底板船長(zhǎng)方向正應(yīng)力衡準(zhǔn)云圖Fig.4 Nephogram of RσLof outer bottom

圖5 外底板船長(zhǎng)方向正應(yīng)力衡準(zhǔn)三色圖Fig.5 Three color diagram of RσLof outer bottom

圖6 外底板船長(zhǎng)方向正應(yīng)力衡準(zhǔn)報(bào)告Fig.6 Report of RσLof outer bottom

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)根據(jù)中國(guó)船級(jí)社指南對(duì) MSC.Patran 進(jìn)行二次開發(fā)，從數(shù)據(jù)庫讀取設(shè)計(jì)階段的構(gòu)件材料屈服強(qiáng)度值，可直接根據(jù)設(shè)置自動(dòng)計(jì)算構(gòu)件應(yīng)力許用值，結(jié)合集裝箱船直接分析的數(shù)值結(jié)果，從而得到衡準(zhǔn)水平并以云圖、三色圖或是報(bào)告的形式輸出。借助本系統(tǒng)，可快速直觀進(jìn)行屈服強(qiáng)度校核并及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案提出反饋意見和建議。

[1]袁曉兵. MSC助力數(shù)字化造船[J]. 中國(guó)制造業(yè)信息化, 2005, 34(7): 57–59. YUAN Xiao-bing. MSC boost digital shipbuilding[J]. Design and Manufacturing Engineering, 2005, 34(7): 57–59.

[2]宋亞玲, 吳劍國(guó), 林勇. 基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的船舶結(jié)構(gòu)疲勞分析系統(tǒng)開發(fā)[J]. 船舶, 2012, 23(3): 34–39. SONG Ya-ling, WU Jian-guo, LIN Yong. Development of huh structure fatigue analysis system by hot spot stress method[J]. Ship & Boat, 2012, 23(3): 34–39.

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Developing of strength assessment system of container ship based on Patran command language

LIU Jun1,2, HUANG Ming3
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, CISSE, Shanghai 200240, China; 3. School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Strength assessments of the hull structure using finite element FE analysis are usually required during design process to ensure the structural safety of the Container Ship. Since allowable stresses are depended on many factors, such as the scope of the FE model, material yield strength, load cases, position of the component and the kind of the stress etc, it is difficult to judge if the stresses level of the structural components meet the strengthen criterion, although the stresses distribution can be displayed with the Postprocessor module of the software. Based on the MSC.Patran, a tool has been developed to calculate the allowable stresses and assessment results, moreover to output the nephogram, three color diagram and report of assessment values with PCL, and it is helpful to obtain the feedback to designer after structure analysis conveniently and rapidly.

container ship；PCL；direct calculation；strength assessment

U 661.4

A

1672 – 7619(2016)11 – 0061 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.012

2016 – 03 – 02；

2016 – 04 – 13

劉俊(1971 – )，女，博士，副教授，從事計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)以及巖土工程數(shù)值方法研究。