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[摘 要]为了对船体结构局部强度进行加强设计，必须要用到相应的结构计算分析软件。本文探讨了运用AVL-EXCITE软件进行强度校核的原理和方法，通过对计算结果的分析，进行有针对性的加强措施，使得船体结构在满足强度的前提下进行优化。
中图分类号：U6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0038-01
引言
当前，各类型船舶的结构主要是依照各国船舶检验部门、船级社颁发的相应的入级与建造规范进行设计与计算的。但是为保证船体结构的安全性，各国规范所要求的条目繁多，从而使得设计的过程中的计算量十分庞大，很大程度上降低了设计工作的效率。同时，船舶检验在对于船舶进行入级审查时，也必须按照规范的要求进行逐条进行检验船舶结构的设计是否合理，因此工作流程是相当繁琐与复杂的。另一方面，船舶作为一种在海上航行的结构物，需要面对复杂的海洋环境，船体强度比较要全方位加强。因此，船体结构强度显得尤为重要。但是从另一个角度讲，为了提高船舶的经济性与机动性，船体结构在加强同时重量必须尽可能的轻，结构构件尺寸尽可能的小。因此结构优化是十分必要且亟待研究的。另外结构优化从解决减轻结构质量扩展到降低应力水平、优化结构刚度、增加强度性能和提高安全寿命等诸多方面。
目前各大船厂主要用的是ANSYS， ABAQUS， FEMAP+NX NASTRAN等结构分析软件。这些软件功能强大，但仍有各自的缺点和操作繁琐的特点。为了能针对不同的结构分析选取适宜的软件，本文探讨了如何运用AVL-EXCITE进行船体结构分析和设计。
1 多体动力学理论基础
本文主要部分为AVL-EXCITE程序中多体动力学模型的建立与分析。AVL-EXCITE是发动机设计专用的多体动力学分析程序，它建立的多体模型包括弹性体和非线性连接单元。
鉴于求解问题的大型化，在AVL-EXCITE中采用子结构模型建立船体轴系数值分析模型。方便起见，建立3个坐标系来构建系统模型，即全局坐标系（X，Y，Z），用于描述各弹性体全局运动，为静止坐标系；当地坐标系（X′，Y′，Z′），随各体全局运动一起运动；局部坐标系（X′′，Y′′，Z′′），为子结构单元bi的坐标系。
子结构bi承受内、外力/力矩作用，子结构运动服从动量定理和角动量定理。
其中，为已知力/力矩，为约束力/力矩，为坐标变换产生的非线性项，为位移向量，为质量矩阵，为刚度矩阵，为阻尼矩阵.
其中，和为结构阻尼和频率的函数。各体全局运动可用向量和角速度表示.
其中，为不同坐标系下动量方程，为作用在体上外载之和，为作用在体上约束载荷之和，为坐标变换产生的非线性项。
其中，、为常数矩阵，为已知外力矩，为约束力矩。方程（1—4）为非封闭方程，只有已知连接件传递的力和力矩，上述方程才为封闭方程。
连接件的作用是在弹性件之间传递力和力矩，典型的连接件有主轴承等.
其中，为润滑油膜厚度，m；为油膜压力，Pa；为流体动力角速度，rad/s；为润滑油粘度，Pa.s；为周向方向；为宽度方向。
对于弹性体直接接触的区域，要定义接触表面粗糙度及接触区弹性模量.
其中，为船体表面粗糙度，μm；为轴瓦表面粗糙度，μm.
分别为船体和轴承材料的泊松比；分别为船体和轴承材料的弹性模量，N/mm2。
通过上述数学模型，建立起船体系统多体动力学数值分析模型。连接体的作用力和力矩作为弹性体的约束力和力矩，而弹性体的作用力及变形作为连接体流体动力分析的边界条件，进行迭代求解，从而解决了连接体与弹性体之间的耦合关系。
2 计算资料
该船为钢质全焊接结构，单甲板、单底，混合骨架型式，机动甲板船。主甲板结构、船底结构为混合骨架式，舷侧结构、纵横舱壁为横骨架式。共有175个肋位，间距625mm，3道纵舱壁，间距为8米，6道横舱壁，甲板结构中设有甲板纵桁、纵骨和强横梁，纵横舱壁上设有扶强材，船体内部设有大量柱子和撑杆做支撑.
3 建立船体模型
3.1 概况
本文采用110m总长，14000t驳船为例。船体构件的有限元网格沿船体纵向按肋距划分，沿船体横向肋骨间距划分。模型中甲板、舷侧、纵横舱壁、尾封板以及甲板纵桁、强横梁腹板等强构件采用四节点壳单元，甲板纵骨、纵横舱壁上的扶强材以及起支撑作用的柱子、斜撑等构件采用杆单元模型。模型的端部和底部所有节点刚性固定。
3.2 工况定义
拟定该船装载三种不同长度和重量的桥梁构件，本文定义三种工况进行强度校核。
4 结果分析
4.1 应力结果
从中看出甲板在装载185m桥梁构件时，距离船中左右4000mm、 Fr1～Fr6和Fr170～Fr175处甲板纵桁和甲板横梁应力过大，这是因为桥梁构件在甲板两端部的载荷过大，而且桥梁构件过长在装载时，在甲板上的落脚点为一个点，该落脚点没有在甲板纵桁和横梁交叉的部位或者底部没有设置柱子作为支撑，甲板没有足够的强度抵抗上部的集中载荷，故产生了应力集中，应力过大。
4.2 加强方案
针对上述甲板纵桁和甲板横梁不满足强度要求而且出现应力集中情况，笔者设计一种加强方案，使得艏艉两端集中载荷位于强构件上，具体方案：在Fr2、Fr3、Fr6、Fr170、Fr173和Fr174两旁纵舱壁之间加设强横梁，T型材尺寸为，考虑艏艉受集中载荷大，在Fr2、Fr3和Fr173、Fr174所加的甲板强横梁和纵桁交叉部位设置支柱作为支撑，柱子尺寸为，艏艉结构加强方案如图9所示。
4.3 优化结果
从中可以看出甲板应用笔者设计的加强方案后，位于甲板两端的集中力得到有效分配，没有产生应力集中，甲板纵桁和横梁应力分别降低了133.4MPa和110.4MPa，低于規范中许用应力，满足规范要求。该加强方案使用材料少、施工方便可行、效果明显，建议采取该方案施工。
5 结论
船舶结构设计、校核、优化系统开发呈现大型化、自动化、复杂化的趋势，也正因为如此，才使得船舶结构设计、校核、优化软件系统功能越来越强大。本实例证明，不同于传统的结构分析软件，AVL-EXCITE也可以满足船体结构强度的计算分析要求，为各大船厂和科研机构提供了另一种分析工具。
参考文献
[1] 张少雄，杨永谦.船体结构强度直接计算中惯性释放的应用[J].中国舰船研究，2006（02）：58-61.
[2] 赵开龙，张大伟，姚志广.自升式平台主船体结构有限元分析[J].中国造船，2009，250-254.
[3] 中国船级社.钢制海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2015.
[4] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册：船体分册[S].北京：国防工业出版社，1999.
中图分类号：U6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）11-0038-01
引言
当前，各类型船舶的结构主要是依照各国船舶检验部门、船级社颁发的相应的入级与建造规范进行设计与计算的。但是为保证船体结构的安全性，各国规范所要求的条目繁多，从而使得设计的过程中的计算量十分庞大，很大程度上降低了设计工作的效率。同时，船舶检验在对于船舶进行入级审查时，也必须按照规范的要求进行逐条进行检验船舶结构的设计是否合理，因此工作流程是相当繁琐与复杂的。另一方面，船舶作为一种在海上航行的结构物，需要面对复杂的海洋环境，船体强度比较要全方位加强。因此，船体结构强度显得尤为重要。但是从另一个角度讲，为了提高船舶的经济性与机动性，船体结构在加强同时重量必须尽可能的轻，结构构件尺寸尽可能的小。因此结构优化是十分必要且亟待研究的。另外结构优化从解决减轻结构质量扩展到降低应力水平、优化结构刚度、增加强度性能和提高安全寿命等诸多方面。
目前各大船厂主要用的是ANSYS， ABAQUS， FEMAP+NX NASTRAN等结构分析软件。这些软件功能强大，但仍有各自的缺点和操作繁琐的特点。为了能针对不同的结构分析选取适宜的软件，本文探讨了如何运用AVL-EXCITE进行船体结构分析和设计。
1 多体动力学理论基础
本文主要部分为AVL-EXCITE程序中多体动力学模型的建立与分析。AVL-EXCITE是发动机设计专用的多体动力学分析程序，它建立的多体模型包括弹性体和非线性连接单元。
鉴于求解问题的大型化，在AVL-EXCITE中采用子结构模型建立船体轴系数值分析模型。方便起见，建立3个坐标系来构建系统模型，即全局坐标系（X，Y，Z），用于描述各弹性体全局运动，为静止坐标系；当地坐标系（X′，Y′，Z′），随各体全局运动一起运动；局部坐标系（X′′，Y′′，Z′′），为子结构单元bi的坐标系。
子结构bi承受内、外力/力矩作用，子结构运动服从动量定理和角动量定理。
其中，为已知力/力矩，为约束力/力矩，为坐标变换产生的非线性项，为位移向量，为质量矩阵，为刚度矩阵，为阻尼矩阵.
其中，和为结构阻尼和频率的函数。各体全局运动可用向量和角速度表示.
其中，为不同坐标系下动量方程，为作用在体上外载之和，为作用在体上约束载荷之和，为坐标变换产生的非线性项。
其中，、为常数矩阵，为已知外力矩，为约束力矩。方程（1—4）为非封闭方程，只有已知连接件传递的力和力矩，上述方程才为封闭方程。
连接件的作用是在弹性件之间传递力和力矩，典型的连接件有主轴承等.
其中，为润滑油膜厚度，m；为油膜压力，Pa；为流体动力角速度，rad/s；为润滑油粘度，Pa.s；为周向方向；为宽度方向。
对于弹性体直接接触的区域，要定义接触表面粗糙度及接触区弹性模量.
其中，为船体表面粗糙度，μm；为轴瓦表面粗糙度，μm.
分别为船体和轴承材料的泊松比；分别为船体和轴承材料的弹性模量，N/mm2。
通过上述数学模型，建立起船体系统多体动力学数值分析模型。连接体的作用力和力矩作为弹性体的约束力和力矩，而弹性体的作用力及变形作为连接体流体动力分析的边界条件，进行迭代求解，从而解决了连接体与弹性体之间的耦合关系。
2 计算资料
该船为钢质全焊接结构，单甲板、单底，混合骨架型式，机动甲板船。主甲板结构、船底结构为混合骨架式，舷侧结构、纵横舱壁为横骨架式。共有175个肋位，间距625mm，3道纵舱壁，间距为8米，6道横舱壁，甲板结构中设有甲板纵桁、纵骨和强横梁，纵横舱壁上设有扶强材，船体内部设有大量柱子和撑杆做支撑.
3 建立船体模型
3.1 概况
本文采用110m总长，14000t驳船为例。船体构件的有限元网格沿船体纵向按肋距划分，沿船体横向肋骨间距划分。模型中甲板、舷侧、纵横舱壁、尾封板以及甲板纵桁、强横梁腹板等强构件采用四节点壳单元，甲板纵骨、纵横舱壁上的扶强材以及起支撑作用的柱子、斜撑等构件采用杆单元模型。模型的端部和底部所有节点刚性固定。
3.2 工况定义
拟定该船装载三种不同长度和重量的桥梁构件，本文定义三种工况进行强度校核。
4 结果分析
4.1 应力结果
从中看出甲板在装载185m桥梁构件时，距离船中左右4000mm、 Fr1～Fr6和Fr170～Fr175处甲板纵桁和甲板横梁应力过大，这是因为桥梁构件在甲板两端部的载荷过大，而且桥梁构件过长在装载时，在甲板上的落脚点为一个点，该落脚点没有在甲板纵桁和横梁交叉的部位或者底部没有设置柱子作为支撑，甲板没有足够的强度抵抗上部的集中载荷，故产生了应力集中，应力过大。
4.2 加强方案
针对上述甲板纵桁和甲板横梁不满足强度要求而且出现应力集中情况，笔者设计一种加强方案，使得艏艉两端集中载荷位于强构件上，具体方案：在Fr2、Fr3、Fr6、Fr170、Fr173和Fr174两旁纵舱壁之间加设强横梁，T型材尺寸为，考虑艏艉受集中载荷大，在Fr2、Fr3和Fr173、Fr174所加的甲板强横梁和纵桁交叉部位设置支柱作为支撑，柱子尺寸为，艏艉结构加强方案如图9所示。
4.3 优化结果
从中可以看出甲板应用笔者设计的加强方案后，位于甲板两端的集中力得到有效分配，没有产生应力集中，甲板纵桁和横梁应力分别降低了133.4MPa和110.4MPa，低于規范中许用应力，满足规范要求。该加强方案使用材料少、施工方便可行、效果明显，建议采取该方案施工。
5 结论
船舶结构设计、校核、优化系统开发呈现大型化、自动化、复杂化的趋势，也正因为如此，才使得船舶结构设计、校核、优化软件系统功能越来越强大。本实例证明，不同于传统的结构分析软件，AVL-EXCITE也可以满足船体结构强度的计算分析要求，为各大船厂和科研机构提供了另一种分析工具。
参考文献
[1] 张少雄，杨永谦.船体结构强度直接计算中惯性释放的应用[J].中国舰船研究，2006（02）：58-61.
[2] 赵开龙，张大伟，姚志广.自升式平台主船体结构有限元分析[J].中国造船，2009，250-254.
[3] 中国船级社.钢制海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2015.
[4] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册：船体分册[S].北京：国防工业出版社，1999.