穿舱件结构是船体壳板、围壁壳板和肋板的组合结构，同时船体壳板外板和围壁壳板的外封板承受一定外压力，由于结构的复杂性，其应力水平难以通过理论分析得到相应的解析解，必须借助有限元工具进行分析，得到其数值结果。然而在具体采用有限元进行结构的分析过程中，经常会碰到以下问题：
(1)仿真分析模型的建立依赖于个人的经验、对实际结构简化的合理程度和对有限元理论的掌握能力，导致计算结果的差异性，从而无法对计算结果进行相关误差评价和分析。
(2)不同结构进行组合时依赖人工衔接，效率低，可靠性差。
(3)仿真分析流程不能做到规范化，求解过程和结果有时难以重现。
因此，为提高有限元计算的效率和计算结果的准确性和可重复性，需要对其影响因素进行分析，并提出相应的仿真分析规范化流程就至关重要。
一、仿真方案设计
本文分别采用ANSYS和ABAQUS两种软件进行了计算，在ANSYS计算中，肋骨腹板高度考虑了船体壳板和肋骨面板的一半的板厚，即各结构的尺寸按照壳单元中性面所在的位置进行建模，而在ABAQUS计算的粗网格和中网格的方案中，肋骨腹板高度为考虑船体壳板和肋骨面板的一半的厚度，即肋骨腹板高度按照实际尺寸，肋骨面板向内表面偏移其一半的厚度的尺寸进行建模，其密网格与ANSYS中细网格尺寸相同。
1.几何模型
船体壳板、环形肋骨在ANSYS中采用壳单元shell 181，围壁壳板采用实体单元solid 185建模，而在ABAQUS中分别采用壳单元S4R，围壁壳板采用实体单元C3D8建模。根据需要，建立4档肋位船体壳板模型，每档肋位间距为650mm，半径为4520mm，船体壳板外表面建立了肋骨，为船体壳板与肋骨面板理论位置中心面的间距305mm。
2.边界条件及载荷
为简化分析，对边界处采用刚性固定的边界条件进行约束，其外表面、围壁壳板的外端部及封板处施加大小为4.41MPa的压力。材料杨氏模量为2×105 MPa，泊松比为0.3。
3.有限元模型
针对该几何模型，采用结构化网格划分，对其各条边线进行等距离划分，以保证网格均匀及左右两档肋位网格关于居中肋位的对称性，且可重复实现网格划分。
1)ANSYS有限元模型
本论文对围壁壳板的轴向方向划分时采用了渐变网格尺寸，比例为0.4。总体网格划分在网格尺寸较密的基础上进行双倍加密进行求解分析。
2)ABAQUS有限元模型
ABAQUS前四种方案网格划分尺寸不同，网格划分方法与ANSYS基本一致，另外，主要存在两点差异：
① 船体壳板与围壁壳板的连接处无切割出圆孔，直接对船体壳板进行结构化划分网格。
② 围壁壳板无渐变网格，采用均匀划分网格的方法划分。
网格划分后的体单元和壳单元均满足最大扭角、最大翘曲角、最小雅克比和最大纵横比等通用标准，以保证计算精度。
1.仿真模型方案设计
1)ANSYS仿真方案设计
由于仿真分析模型采用两种单元，体单元和壳单元分别模拟、穿舱件和筒体，针对体、壳单元连接采用三种处理方法进行模拟：即共线、连接体（connectors）和MPC单元。并对仿真模拟结果进行比较分析。
① 共线即船体壳板的壳单元边线与围壁壳板的实体单元边线共线。由于shell 181单元与solid 185单元自由度不匹配，shell 181单元存在6个自由度，而solid 185单元为3个自由度，故造成连接处的单元导致自由度损失。
② 连接体（connectors）是一种独立的几何对象，通过它们可以定义部件之间的连接，包括点焊、缝合焊接、粘合或螺栓连接，并在此基础上创建焊接单元。这些被连接的部件可以是几何对象，也可以是单元，连接体可以交互式地创建或来自焊接／连接文件。该连接方式可以极大地实现部件间的连接便利性，但连接处必须留有缝隙，可能会影响结构受力分析结果。
在本论文中采用了点焊的连接方式，焊接单元为beam 188梁单元，材料属性与船体壳板一致。由于焊点单元长度不能为0，为了保证焊点单元连接的正确性，并尽量与实际存在焊缝相符合，故在船体与围壁壳板之间设定了长约5mm的焊缝，改变了模型受载情况，计算值仅作参考。由于hypermesh在设定了焊点位置后进行自动连接，故未考虑单元之间自由度的连接问题。
③ MPC连接采用ANSYS中的接触向导进行设置，在接触算法中选择MPC算法，typer of constraint选择“auto assembly detection”， 而ftoln选择上分两种情况进行计算，选择默认值0.1和设置其为1。在MPC算法中，ftlon意为影响范围，其值为壳板厚度的某一比例值，故其值设为1可认为相当于考虑壳板厚度影响。
④ 对船体壳板模型进行修改，将双孔改为单孔。为节约计算时间，采用中网格进行划分，FTOLN设置为1进行求解。
ABAQUS仿真方案设计
针对体壳连接采用了共线和体壳耦合（shell-to-solid coupling）约束两种方法，体壳耦合中参数均采用默认设置，共涉及了6中方案进行求解计算。
二、求解结果
1.ANSYS求解结果
本论文ANSYS计算所列方案求解输出结果共分为nodal solution和element table（average）两种方式，理论上只要网格足够密，两种输出结果较为相近，而它们各自又分为船体壳板的上下表面、中性面和围壁壳板三个结果，故共计6个输出结果。
1）船体壳板结果分析
① 船体壳板结果汇总
表1 船体壳板各方案计算结果汇总（von Mises应力，单位MPa）
说明：
spec意为结构百分比误差，作为衡量网格质量密度标准的指标之一，通常其值最佳应小于5%，认为比较接近于真实解，通常其值越大表示计算结果离真实值误差越大。
以上应力值均在powergraph模式下取得。
② 船体壳板计算分析结论
在同样的有限元模型中（即ANSYS计算方案中的细网格与ABAQUS计算方案中的密网格有限元模型一致），由于ABAQUS默认输出的是中性面的应力值，若以ANSYS中的中性面的应力值进行对比，两者相差极小。
由上表可知在共线和MPC两种方式下，船体壳板中性面上的值变化很小，但由于连接方式的改变上下表面的极值有所增大。
由于弯矩的存在导致壳单元上下表面的某一表面的应力大于中性面的应力，因此采用中性面上的应力值进行评估较为保守，应以上下表面的应力最大值进行分析，而船体壳板与围壁壳板连接处计算得出的壳单元的应力值，在网格合理密度时可计算较为准确，但与实际结构存在的集中应力值存在差异。
在使用MPC设置FTOLN为1较为合理，近似于考虑了壳板的板厚，船体壳板离体壳连接处约板厚处的变化值较小，同时选择离壳体接触处一定距离如一个板厚处的应力作为衡量网格疏密的标准之一。
对比相同网格下单孔与双孔的计算结果（方案8与方案6），两者之间相差极小，可知船体壳板承受外载荷主要由肋骨承载，单孔或双孔的结构形式对船体壳板应力影响不显著。
(2) 船体壳板结果分析
① 围壁壳板结果汇总
表 2 围壁壳板各方案计算结果汇总（von mises应力，单位MPa）
说明：
围壁壳板的SEPC值由于难以精确选择应力较大处所在网格，故当前值应比理论值小，但是依然存在较大的值，表示计算结果离真实值误差较大。
方案7相对于方案6节点应力变化较小是因为网格加密后，影响范围网格变多，但是由于存在较大的SEPC值，有理由相信此处应力值存在一定的误差。
② 围壁壳板计算分析结论
在当前网格下采用MPC算法计算围壁壳板的值，存在较大的误差。ANSYS与ABAQUS对于处理体壳连接的不同在于ANSYS不会把重合的节点合并在进行处理，而ABAQUS会进行合并再进行solid-shell-coupling，同时两者其它默认设置上可能存在一定的不同。由于计算得出的围壁壳板的最大值不够准确，后续仍有必要进行船体壳板与围壁壳板接触处局部和围壁壳板部分进行全实体建模进行验算。
对比相同网格下单孔与双孔的计算结果（方案8与方案6），两者之间相差较小（<4%），可知单孔或双孔的结构形式对围壁壳板应力影响不显著，同时存在较大的SEPC值，因此此处应力值仍存在一定的误差。
ABAQUS求解结果
表3 ABAQUS各方案结果汇总
说明：
密网格的船体壳板中性面最大应力比粗网格和中网格略小，是由于建模过程中对肋骨腹板的高度处理不同导致，但总体来看船体壳板中性面和围壁壳板的最大应力均相差较小。
各方案分析的结论：
①随着网格密度的增大，船体壳板与围壁壳板的的最大应力值有增大的趋势。
②体壳耦合约束对模型最大耦合约束影响很大。
③对模型添加体壳耦合约束后，船体壳板中性面和围壁壳板的计算结果趋于稳定。故ABAQUS计算中有限元模型计算可用粗网格方案。
ANSYS与ABAQUS计算结果比较
通过以上分析得知，在相同的有限元模型中，ANSYS方案7船体壳板中性面的最大应力值454.2MPa，与ABAQUS方案6计算的相应的最大应力值445.9MPa相差较小，而ANSYS方案7围壁壳板的最大应力值601MPa，与ABAQUS方案6计算的相应的最大应力值574MPa相差4.7%。由于两种软件对于体壳连接的处理方式存在差异，造成对其计算结果的评价不同，但对于壳单元的应力计算结果两者基本一致。
论文作者:任小海
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/9/12
标签：船体论文; 网格论文; 应力论文; 单元论文; 模型论文; 方案论文; 肋骨论文; 《基层建设》2018年第20期论文;