船舶行业简介

现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展，大型、高附加值船舶工程装备将成为世界船舶市场竞争的焦点，同时，船用设备也成为现代船舶的重要组成部分，价格约占船价的60%～70% 。经过改革开放三十余年的奋斗拼搏，中国船舶制造业整体上已处于成熟期，行业运营能力高于其他制造业。中国已成为世界第三造船大国，出口市场扩大到了世界60多个国家和地区。2004年以来，我国在一系列高技术船舶的设计上实现了核心技术的突破。在今后一个时期，我国船舶的发展要从两个方面来考虑，一个方面主要是船型要不断优化，包括VLCC、集装箱船、散货船、游船等等，在国际上形成一批品牌。另一方面，要通过技术创新，不断开发，要形成一批在国际上有优势的，高附加值的船型，实现从造船大国向造船强国的历史性跨越。

近年来，用户对产品安全性和可靠性要求越来越严苛，同时对产品的研发周期以及设计成本和可靠性等都提出了更严格的要求，市场需要我们能够在更短的时间内设计出高可靠性、低成本的产品，以适应其需求。然而，传统的“设计-试验-修改-试验”思路需要大量的人力、物力和财力，而借助有限元分析方法，设计人员可以从产品设计阶段开始发现问题、优化设计、改进方案和一体化优化流程，极大的缩短了研发周期，降低研发成本，该方法也正在各行各业扮演着重要角色。

船舶的结构设计复杂、而且其运行环境经常是高速、强水流、强气流等条件，所以要求用可靠的软件来计算在复杂载荷条件下结构的静、动力响应，损伤破坏和系统的寿命。要达到这一要求，分析软件不但必须具有一般的静动强度分析功能和结构动力学分析功能，而且 在非线性静力/动力、断裂破坏、各种非线性材料包括复合材料、以及各种复杂的复合高度非线性问题的求解方面都应具有良好的解决方案。

由于船舶的运行环境十分复杂，设计软件还要求能够模拟复杂的载荷和边界条件。另外，分析软件还应该既具有很强的数值运算能力和高效的求解技术，还应该具有快速生成网格的技术、方便的前后处理技术、以及良好的开放性特征。对于船舶行业设计过程遇到的突出矛盾和问题，从应用领域来分主要有以下四个方面：

1、军用船舶：主要考虑考虑在战争中的生存能力，如水下爆炸的时候抗击冲击波的能力；提高舰船的隐蔽性，船载设备在爆炸载荷下的生存能力等。

2、游艇和客运船舶：对于小型的船只和游艇，主要是考虑船舶的总体强度，减低振动的影响，以及制造成本；对于大型的客船，主要也是考虑船舶的强度、在风浪中的承载力以及减低振动的影响，并减短设计周期；对于赛艇，主要是提高性能和减轻质量，会设计大量新型复合材料的设计。

3、商用货运船舶：主要是提高船舶的质量，提高承载力，尤其是近年来一些新型船舶的出现，如LNG船、LPG船，对设计要求越来越高。

4、发动机等船舶辅助设施的要求是提高能效、减轻重量、减振降噪。

1.船体及船载设备结构强度分析

船舶的总体强度分析在船舶的设计中是首先需要考虑的问题。对于船舶在海上航行时遭受到的风浪载荷的抵抗能力，也是船舶在设计时需要考虑的重要因素之一。船的结构庞大，往往是计算模拟的难点所在。ABAQUS是世界公认的功能强大的非线性有限元分析软件。其中ABAQUS/Standard是一个通用分析模块，它能够求解广泛的线性和非线性问题，包括结构的静态、动态、热和电响应等。对于通常同时发生作用的几何、材料和接触非线性问题，ABAQUS可以采用自动控制技术处理。而对于大模型和超大模型的管理和计算，ABAQUS也具有其他同类软件难以比拟的优势，拥有专门的技术可以在工程应用领域对此类问题获得良好的解。正由于此项特点，世界许多著名的船舶制造企业都是ABAQUS的用户如Newport News, Electric Boat，三星重工，Lockheed Martin ，Universal Shipbuilders Corp.等等。

ABAQUS针对海洋平台分析还专门开发了ABAQUS/Aqua，它包括海洋平台和立管分析，J管道拉伸模拟，基座弯曲计算和漂浮结构研究。稳态水流和波浪效果模拟可以实现对结构施加拉、漂浮和流体惯性加载，对于在流体表面以上的结构还可以实现风力加载。

下图是采用ABAQUS 对某型舰艇进行了强度分析，计算中分别考虑6 级和9 级海况下，船舶的抗风浪能力。

 某型舰艇强度分析

2.舰船及其零部件模态分析

船舶的频率分析对于船舶设计来讲十分重要，在设计中一定要使得船舶的设计频率能避开船舶行驶环境中常遇到的风浪载荷的频率。在进行船舶频率分析中，两个难点，1、船舶的结构大，单元很多，导致求解时间很长；2、由于水的作用，导致频率的大小有偏移，这样船舶的湿模态分析就显得非常重要。ABAQUS对于这两个难点，都提供了相应的解决方案。ABAQUS推出了AMS（Automated Multilevel Substructure）求解器，可以解决大模型的模态提取问题。

大型结构由于零件众多，各个部件之间的接触、摩擦、过盈装配等工况都对频率有影响。ABAQUS由于其杰出的接触求解能力以及非线性能力，使得真实模拟大型结构的频率成为可能，ABAQUS的step-by-step 功能使得用户可以首先进行结构装配和接触的分析，同时考虑几何非线性的影响。

对于船舶湿模态提取问题，传统的方法是把附着水的质量作为附加质量点加在船体模型上进行计算，这样一来工作量较大需要把各站的重量手工加上去，同时水和船体的相互作用（靠近船体ABAQUS提供了声学单元来模拟这一类的问题，利用该单元可以模拟周围水的重量、压力以及船体湿表面和附着水的粘着作用。

下图是采用ABAQUS对某型号的舰船进行湿模态分析的结果，与设计值吻合较好。

     

 某型号的舰船进行湿模态分析

3.船舶锚链结构强度和疲劳分析有限元案例

锚链几何结构

锚链网格划分