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。

爆炸载荷下的响应

军用船舶，在设计的时候就需要考虑船体以及船载的各种设备承受爆炸载荷作用下的生存能力。舰船受到直接爆炸载荷的作用而损坏的现象经被研究的很多了，而越来越多的发现，在海战中舰船由于非接触水下爆炸而受到的破坏占到的比重越来越大。这些非接触的爆破在空气中可能不会带来很大的影响，但由于水在爆炸中能传播很大的力的缘故，他们被证明在水下是能给结构带来更大的灾害。实船的实验耗资巨大，且由于是瞬态实验很多现象不易发觉，故而数值计算在水下爆炸（UNDEX）的分析中能起到重要的作用。

ABAQUS 公司应美国海军的要求，开发了基于连续介质力学的水下爆炸模拟功能。ABAQUS 的UNDEX分析功能具有如下的优势：

总波和散射波公式以及基于压力的流体空化效应可以很轻松的考虑流体非线性的效果

不同于以往的边界元方法，整个过程都可采用直观的时间积分进行计算

无限元和无反射边界条件使得对于无限外域问题能得到精确的解

入射波加载方式可以使得计算时间大大的节省，使得计算效率增加

包含声学介质的子结构，使得对于大 的结构可以方便的使用子结构分析功能

声学模型在Standard和Explicit之间的传递，使得可以方便的模拟深海潜艇受静水压下的冲击分析

增强的壳到实体的子模型和壳到实体的耦合以及流体到实体的子模型使得可以方便的对局部进行细节建模

基于Geers-Hunter模型和“waveless”模型的bubble加载功能，使得考虑水下爆炸过程中bubble的影响成为可能

界面不匹配的网格，界面允许不匹配网格，使得模型建立时间大大的减少

下图是对某加筋结构进行水下爆炸分析，通过对甲板中心加速度的监测和试验值对比，对结构进行了优化设计，改进后的设计能起到很好的抗冲击作用。

                    某加筋结构进行水下爆炸分析

水面舰船和水下潜艇两者受到的水下爆炸冲击，其响应是不同的。水面舰船由于存在水的自由表面，存在压力波的自由表面反射和折射现象。而水下的潜艇则由于受到水压的作用，在爆炸载荷到来之前，艇身就已经在水压的作用下有变形和应力存在了，预应力的存在对结构承受爆炸载荷的响应有着很重要的影响。而深水潜艇则可能同时还受到二次应力波作用（爆炸产生的应力波在海底反射，反射的应力波对潜艇进行二次打击），这样海底土壤的模型在某些情况下也需要进行模拟，下图是水面舰艇和深水潜艇模型的示意图。ABAQUS具有丰富的土壤本构，可以模拟潜艇和海床的接触问题，以及爆炸波或冲击波在海底的反射，从而对潜艇的二次打击。

        水面舰船模型示意图                深水潜艇模型示意图

ABAQUS具有两个求解器：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit，前一个用来求解艇受到水压作用的变形和应力分布。后一个求解器用来计算水下爆炸冲击载荷对艇的冲击作用，两个求解器都是ABAQUS公司自行开发的，源码一致，数据无缝结合，是目前求解这类问题的最佳选择。

下图某型号的潜艇在水下110米处受到8米远处的爆炸载荷的冲击作用下的响应问题。通过对耐压壳上加速度和应力分布情况进行监测，可以对设计的方案进行修改，以获得最佳的设计下图是耐压壳受静压（海水压力）和在此情况下冲击2毫秒时的应力分布：

               潜艇模型耐压壳受静压时以及冲击后2毫秒时的应力云图