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船舶装备及海洋平台

船舶装备及海洋平台解决方案

随着公司造船规模不断扩大,所生产的船舶装备种类不断增多,诸如可移动自升式起重平台这种“海上钢铁巨兽”的研发制造给船舶装备及海洋平台制造公司提出了一系列难题:

1)船舶装备朝着功能多样化、大吨位的方向发展,设计理念越来越先进,装备结构也越来越复杂,船体上还需装配各种起重设备、液压系统、高速齿轮升降结构等等。复杂的结构难以验证其设计合理性,与一般的制造企业相比船舶行业并不能实现批量生产,一艘船如果造好之后发现设计不合理的地方,必须进行返工


修改,这会带来额外的制造成本和工作量,即使一处很小的结构改动有时候也会增加上万美金的成本。所以工程师在设计初期就需要对船体结构特性有充分的认识,尽可能避免设计缺陷。

 2)船舶装备工作环境恶劣,各结构部件受到复杂的弯曲应力和剪切应力,可能发生的船舶结构屈曲、弹塑性破坏、疲劳和断裂都给船舶整体质量和安全可靠性带来了挑战,一旦发生事故,会造成巨额的经济损失,甚至威胁船员的人身安全。所以装备的安全可靠性必须得到保障,这对船舶装备材料和结构强度分析提出了很高的要求。

    3)船舶装备在运行时,受到包括船体结构、波浪、风力等各种载荷,对于整个船体分析涉及到结构力学、材料力学、流体力学等多学科,需要进行结构分析、校核的项目非常多,从局部到应力计算到整体强度分析、从线性到非线性(几何非线性和材料非线性)结构静力分析、从小变形到大变形问题分析、从整体结构稳定性到局部应力集中分析,单纯运用简单的经验公式和理论计算方法已无法满足要求。

    4)从事特殊海洋资源勘探、开采工作的船舶装备对装备精度和质量性能要求非常高,最直接的物理试验方法虽然具有很好的直观性,具有一定的指导意义。但是对于结构复杂、吨位巨大的船舶装备而言,物理试验耗费的资金代价非常高,而且效率低下。

    5)产品交付周期有限制,要在规定时间内完成订单交付,同时安全可靠性和质量得到保证,这对船舶装备制造商的研发效率提出了高要求。

    质量、成本、安全可靠性、交付周期,这些不仅仅是在产品研发中所要考虑的问题,也是整个船舶装备制造行业所面临的挑战。这些挑战促使了有限元分析方法与船舶装备结构设计的结合,有限元分析方法被广泛应用到船舶结构分析工作当中。通过有限元分析方法可以将船体结构离散为能精确模拟其承载模式和变形情况的有限单元,分析船体各个构件之间的协调关系与变化,并求出构件或区域的实际变形与应力。这种方法是目前船体结构分析中最能科学、准确预测出结构对载荷响应的分析方法。

   通过Femap with NX Nastran软件来进行船体特定部位的结构分析,主要包括船体上的各种基座、板架结构、加强筋、大型钢结构、船底盖板等所受载荷比较大的区域强度计算,确保这些关键区域在载荷作用下所受应力在许用应力范围之内,满足强度要求。以某盖板及其骨架结构为例,通过Femap软件来进行强度有限元计算的典型工作步骤为:

1.有限元模型建立

    直接通过Femap建立三维模型并划分网格和材料定义,接下来定义载荷和边界条件,载荷和边界条件定义是否正确合理将直接影响计算结果的可用性。

 2.有限元分析计算

    为了分析结构强度是否满足要求,主要的计算内容包括结构位移、弯曲应力、剪切应力。而通过Femap可以定制这些分析流程,自动反复地进行分析。根据不同需求,也可以在同一个用户界面中自定义配置其他分析内容。此外,Femap with NX Nastran除了简单的线性静态分析,还能实现复杂的高级非线性分析功能,解决船舶结构分析中更为苛刻的工程问题。

 3.计算结果处理

    结构分析完成之后,需要分析应变结果来确保结构所受弯曲应力和剪切应力在许用应力范围之内。由于船体结构是相连的,一旦某个区域超出范围,整个结构都会遭到破坏,所以应该立刻对超出部分结构进行加强设计。通过Femap后处理功能展示位移和应力云图,可以有效地理解分析结果,找出最大位移和所受应力最大的危险区域进行评价。


CAE技术在船舶装备研发制造中的价值体现

    CAE技术价值的最大体现主要有以下几点:

    1)对船体结构安全可靠度的前瞻性,保证了设计制造的每一艘船舶的高质量,增加了船舶装备的安全可靠性;

    2)在船舶装备的结构设计阶段就可以开始进行结构分析,发现潜在问题,对于设计不合理的地方进行修改,降低了后期修改所带来的额外成本;

    3)对关键部件不同设计方案进行分析计算对比,还可以找出最优设计降低原材料成本;

    4)仿真分析为主,物理试验为辅,减少了试验次数从而节约了试验经费,也缩短了船舶结构验证时间;

    5)在保证船舶装备质量和安全可靠性的前提下,缩短了研发周期,使得公司能在产品交付时间内完成订单。


    目前CAE技术在海洋工程装备和船舶设计研发过程中的应用,已经从常规的结构强度分析延伸到振动、冲击响应、复合材料分析等方向,驱动着高端海洋工程装备和船舶的研发,并为其提供科学的安全可靠性保障。因此,海洋工程装备和船舶制造业需要大力推广应用CAE技术,积累工程分析技术经验,促进研发设计和创新能力的提高,推动国内海洋工程装备和船舶制造向装备高端化、技术自主化发展。

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