基于CATIA和 Patran的船舶液艙艙容變形量研究

張俊　贠亞杰

船舶液艙艙容計(jì)量的方法很多，包括 B樣條法、tank計(jì)算軟件等，但目前使用的方法中均沒(méi)有考慮液艙板架結(jié)構(gòu)的變形這一因素。本文主要研究液艙板架結(jié)構(gòu)在不同載況下的變形對(duì)艙容的影響：首先使用有限元分析軟件 Patran計(jì)算液艙變形，然后將變形后的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件 CATIA并生產(chǎn)新的三維模型，由CATIA軟件計(jì)算變形后的艙容。

國(guó)際石油貿(mào)易中石油主要采用水運(yùn)方式運(yùn)輸，船舶運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)也作為測(cè)量石油等液貨體積的計(jì)量器具。近年來(lái)，液貨艙計(jì)量的精確性越來(lái)越受到重視。由于船舶本身形狀及內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，加上船舶浮態(tài)和載況多樣，影響艙容測(cè)定的因素較多，測(cè)量難度大。當(dāng)船舶航行時(shí)，受到不同載況的影響，會(huì)使液貨艙發(fā)生不同的變形導(dǎo)致艙容改變。

一、CATIA軟件運(yùn)用宏命令計(jì)算艙容

對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，裝載之后的液貨艙雖然變形較小，顯示出來(lái)的仍舊是規(guī)則艙形狀，實(shí)際上液艙各個(gè)艙壁已變成了有微小凸起或者凹進(jìn)的曲面，因此我們?cè)谘芯恐锌梢詫⒁贺浥摽醋鲆粋€(gè)曲面。CATIA軟件曲面造型功能很強(qiáng)，我們可以利用該功能來(lái)完成曲面的創(chuàng)建。

（1）對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)較少的模型，可以利用 CATIA中的 GSD_Point Spline Loft FromExcel.xls手動(dòng)操作建模，先輸入點(diǎn)坐標(biāo)，再由點(diǎn)連成線、由線形成面。但本文中液艙節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、曲線多，手工輸入方法不可行。

（2）對(duì)于大量數(shù)據(jù)曲面擬合我們也可以采用編譯宏命令來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀入數(shù)據(jù)。

首先導(dǎo)出變形后的液貨艙節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后利用宏命令將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA中，隨即自動(dòng)完成曲面造型。以某液艙為例，如圖 1所示。完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入后，我們需要使節(jié)點(diǎn)按照一定的順序形成樣條曲線，如圖 2所示。將曲線連成曲面，曲面擬合便可以得到變形后的液艙體積。

通過(guò)該方法的研究可以發(fā)現(xiàn)，該方法進(jìn)行液貨艙曲面擬合的前提是知道液貨艙節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，Patran有限元計(jì)算后，雖然能夠得到變形后節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，但是不能直接導(dǎo)出變形后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，而是分別導(dǎo)出變形前節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及變形后節(jié)點(diǎn)位移。因此利用該方法計(jì)算時(shí)必須手工將變形前的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及變形后的位移導(dǎo)出，在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的整理后才能得到坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并且整理時(shí)需要區(qū)分出內(nèi)殼部分的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，操作比較繁瑣，我們下面來(lái)介紹另一種更加簡(jiǎn)便的方法。

二、基于 Patran計(jì)算結(jié)果的容積計(jì)算方法

上述方法的主要問(wèn)題集中在液貨艙節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出這一環(huán)節(jié)上，現(xiàn)在介紹一種方法，避免了節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出這一環(huán)節(jié)，而是直接將變形之后的液艙模型導(dǎo)出，最終達(dá)到完成體積計(jì)算的目的。

首先在有限元軟件 Patran中進(jìn)行計(jì)算，得到強(qiáng)度及變形結(jié)果，然后利用 Patran軟件將原模型的網(wǎng)格移動(dòng)到變形后網(wǎng)格位置，再將變形之后的網(wǎng)格生成幾何并輸出到 CAD軟件中，就完成了變形后模型的導(dǎo)出。

以其中一種結(jié)構(gòu)形式為例，圖 3為該結(jié)構(gòu)裝載后的變形云圖（液艙內(nèi)殼云圖）。

（1）以向量表示變形結(jié)果。由于目的是計(jì)算變形后液艙艙容，因此對(duì)于雙殼船，只需要知道變形后內(nèi)殼容積即可，模型其他部分隱藏。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)變形向量如圖 4所示。

（2）創(chuàng)建FEM場(chǎng)及移動(dòng)網(wǎng)格。為將液艙節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到變形之后的位置，在菜單中創(chuàng)建 FEM場(chǎng)。

在工具中找到 FEM-Nodes/Node modify By Field工具，并選擇第二步中創(chuàng)建的 FEM場(chǎng)，就完成了網(wǎng)格移動(dòng)到變形之后的位置這一步。變形后網(wǎng)格如圖 5所示。

（3）將殼單元生成幾何面。

（4）最后將幾何體導(dǎo)出，由于我們使用 CATIA軟件來(lái)進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算，因此導(dǎo)出為 IGES格式，導(dǎo)出時(shí)注意Patran導(dǎo)出幾何體的默認(rèn)單位為英尺，因此需要將單位修改為毫米。

（5）導(dǎo)出文件并在CATIA中打開(kāi)。變形后的模型如圖 6所示。

幾何體導(dǎo)入后，進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)合及封閉操作就得出該封閉幾何體的體積，如圖 7所示。

該方法操作比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有大量的數(shù)據(jù)整理過(guò)程，可以減少錯(cuò)誤出現(xiàn)的概率，可行性比較強(qiáng)，是一種比較簡(jiǎn)單有效的艙容計(jì)算方法，本論文中多采用該方法計(jì)算變形后的艙容。

三、以 11800噸油船為例計(jì)算液艙艙容

1.11800噸油船模型簡(jiǎn)介

實(shí)船主要參數(shù)為：總長(zhǎng)為 134.85m；垂線間長(zhǎng)為126.00m；型寬為 22.00m；型深為 10.60m；雙層底高為1.50m；設(shè)計(jì)吃水為 7.50m；結(jié)構(gòu)吃水為 7.80m；載重量為 11800t。油船結(jié)構(gòu)圖如圖 8所示，典型橫剖面圖如圖 9所示。

首先建立該油船的典型艙段模型即第三油艙，將該艙段作為艙容變形研究的典型艙段，并且按照規(guī)范，建模時(shí)采用 1/2+1+1/2形式建立模型，為 #83肋位至 #131肋位之間結(jié)構(gòu)。建模時(shí)務(wù)必使模型更貼近真實(shí)結(jié)構(gòu)以保證研究的準(zhǔn)確度。

根據(jù)該油船的結(jié)構(gòu)圖資料，在 Patran軟件內(nèi)進(jìn)行有限元建模。圖 10為主要部分限元模型。

2.載荷計(jì)算與加載

根據(jù)規(guī)范規(guī)定的邊界條件計(jì)算船體在滿載工況下的彎矩與剪力，得出彎矩剪力值后，直接在 Patran中完成加載。其中載荷值可以采用Maxsurf 軟件計(jì)算以下是計(jì)算出的#83 肋位與#131 肋位的彎矩剪力值。表1 為載荷表，表2 為邊界條件表。

3. 結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)艙容變形影響的計(jì)算

由于本文主要研究板厚和構(gòu)件強(qiáng)度對(duì)于艙容變形的影響，為了充分研究，因此需要合理更改船舶各個(gè)參數(shù)，使研究結(jié)果更加全面。下面就分別更改板厚、構(gòu)件強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行艙容變形計(jì)算。板厚為 8mm變形計(jì)算結(jié)果如圖 11所示。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，利用以上方法，將原模型網(wǎng)格移動(dòng)到變形之后的網(wǎng)格位置后，導(dǎo)入CATIA 中計(jì)算艙容結(jié)果，如圖12 所示。

由于油船裝載時(shí)油艙內(nèi)滿載是指 98%裝載，因此在計(jì)算體積時(shí)應(yīng)該忽略甲板變形。模型導(dǎo)出時(shí)是將變形后的液艙模型導(dǎo)出，這其中也包含甲板變形。因此需要計(jì)算甲板變形而導(dǎo)致的艙容變化量，將該值與變形后艙容值加和算出艙容變形后的實(shí)際體積。甲板導(dǎo)致變形艙容量計(jì)算如圖 13所示。

依次計(jì)算 9mm、10mm、11mm和 12mm板厚時(shí)的艙容以及不同板厚時(shí)對(duì)應(yīng)不同型號(hào)構(gòu)件的艙容。艙容計(jì)算結(jié)果如表 3～ 8所示。

4.板厚及構(gòu)件強(qiáng)度變化時(shí)的艙容曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們可以繪制出相應(yīng)的曲線，如圖 14所示。為了對(duì)比明顯，將艙容變化率作為曲線的縱坐標(biāo)，將構(gòu)件橫截面積作為橫坐標(biāo)。5條曲線分別代表不同板厚，每一板厚對(duì)應(yīng)四種強(qiáng)度不同的構(gòu)件，其橫截面積為 15mm2～ 50mm 2。

由圖 14可以看到，板厚越薄，艙容變化曲線的曲率變化越大，構(gòu)件橫截面面積對(duì)艙容的影響也就越大。并且，隨著板厚增加，不同板厚、相同構(gòu)件之間相比較，板厚厚度越大則板厚差相同時(shí)艙容變化量曲線越密集，板厚是影響艙容變化的一個(gè)主要因素，構(gòu)件強(qiáng)度這一因素次之。

四、結(jié)語(yǔ)

本文主要應(yīng)用有限元分析軟件 Patran和三維建模軟件CATIA計(jì)算了船舶受力變形后對(duì)船舶液貨艙艙容的影響，可以更精確地測(cè)量采用船舶運(yùn)輸?shù)囊贺涹w積。本文中的計(jì)算方法可以得到受力變形后的幾何模型，對(duì)其他類(lèi)似問(wèn)題也有參考價(jià)值。endprint