Diseño estructural de buques

Bajo la premisa de cumplir con los requisitos funcionales y de rendimiento general del barco, la resistencia, rigidez y estabilidad del barco durante su vida útil se cumplen mediante el diseño estructural. El contenido del diseño de la estructura del buque determina las pesadas tareas de cálculo del diseño. A medida que el mercado marítimo mundial continúa aumentando su demanda de buques de alta tecnología y alto valor agregado, la competencia entre las industrias de construcción naval de varios países se vuelve cada vez más feroz. La tecnología moderna de construcción naval se está desarrollando hacia una alta mecanización, automatización, integración, modularización e informatización. Se ha incluido en la agenda con el fin de acortar el ciclo de desarrollo de productos navales, reducir los costos de desarrollo y mejorar la eficiencia del cálculo del diseño de la estructura naval.

Impulsada por la tecnología y la demanda, la tecnología de simulación numérica computacional se ha desarrollado rápidamente. En el diseño de estructuras de barcos, la tecnología CAE (ingeniería asistida por computadora) con elementos finitos como núcleo: la tecnología de ingeniería asistida por computadora ha recibido cada vez más atención, y gradualmente se están aplicando varios métodos y herramientas de simulación. La tecnología CAE se ha convertido en una herramienta poderosa e indispensable en el diseño de estructuras navales y es la base para resolver una gran cantidad de problemas de optimización de ingeniería. Para adaptarse al rápido desarrollo de la industria de la construcción naval y resolver problemas prácticos de ingeniería, existe una necesidad urgente de llevar a cabo la aplicación y el desarrollo de CAE en el diseño de estructuras navales.

2. Características del diseño de la estructura del barco y estado actual del desarrollo CAE.

Los barcos a menudo operan en condiciones ambientales como alta velocidad, fuertes corrientes y fuertes flujos de aire. El diseño de la estructura de un barco no sólo debe considerar la resistencia longitudinal general, la resistencia local y la estabilidad estructural del barco, sino también la vibración, el impacto y el ruido. Se puede observar que el diseño de estructuras navales es un área temática con un alto contenido técnico y un diseño difícil. Otro aspecto importante de la dificultad del diseño de la estructura de un barco es que, debido al enorme tamaño de los barcos, en muchos casos es imposible realizar pruebas completas como en coches y aviones. El diseño de la estructura del barco tradicional se completa combinando la experiencia para mejorar el barco nodriza y realizar análisis y cálculos cualitativos de la estructura simplificada. Su diseño, cálculo y análisis estructural contienen una gran cantidad de componentes de experiencia. La dificultad de las pruebas de estructuras de buques ha aumentado la dependencia del diseño de estructuras de buques en la tecnología de simulación numérica, y la tecnología CAE se ha convertido en una herramienta importante para el diseño de estructuras de buques.

CAE significa literalmente ingeniería asistida por ordenador. Su concepto es muy amplio y puede incluir todos los aspectos de la informatización de la ingeniería y la fabricación. Sin embargo, el CAE tradicional se refiere principalmente al análisis, cálculo y simulación en el diseño de ingeniería, y su núcleo es la tecnología de análisis de elementos finitos basada en la mecánica computacional moderna. CAE comenzó a mediados de la década de 1950 y el verdadero software CAE nació a principios de la década de 1970. A mediados de la década de 1980, el software CAE comercial general y especial fue tomando forma gradualmente. En los últimos 40 años, la tecnología CAE se ha combinado con la mecánica computacional, las matemáticas computacionales, las ciencias de la ingeniería relacionadas, la gestión de ingeniería y la tecnología informática moderna en rápido desarrollo, desde la inspección ineficiente hasta la simulación eficiente, desde la solución estática lineal hasta el análisis de simulación dinámica no lineal y múltiples. -El acoplamiento físico ha logrado un gran desarrollo y logros. En una atmósfera de mercado cada vez más globalizada, la competencia entre empresas se caracterizará por la competencia en el rendimiento del producto y los costos de fabricación. La superioridad incomparable de CAE en el desarrollo de productos y el diseño innovador lo convierte en una condición importante para que las empresas industriales modernas ganen en la competencia del mercado cada vez más feroz. Con el software CAE, se puede analizar el rendimiento, la seguridad y la confiabilidad de proyectos y productos, y se puede simular su estado de trabajo futuro y su comportamiento operativo en operaciones virtuales, de modo que se puedan descubrir defectos de diseño tempranamente y se puedan lograr diseños optimizados. Al tiempo que logramos innovación, podemos mejorar la calidad del diseño, reducir los costos de I+D y acortar los ciclos de I+D. CAE, junto con el software CAD/CAM, se ha convertido en una de las principales tecnologías de la información que apoyan la informatización de la industria de la ingeniería y las empresas manufactureras.

Con el desarrollo de la tecnología de software CAE, CAE se ha utilizado ampliamente en diversas industrias. En la actualidad, el software CAE se ha utilizado ampliamente en la industria nuclear, ferroviaria, petroquímica, fabricación de maquinaria, transporte de automóviles, electrónica, ingeniería civil, biomedicina, industria ligera, electrodomésticos y otros campos de investigación industrial y científica en el extranjero. CAE también se está desarrollando rápidamente en la industria de la construcción naval. En la actualidad, los principales institutos de investigación naval han introducido el software CAE para llevar a cabo el trabajo diario de diseño e investigación, y las principales sociedades de clasificación han adoptado el software de elementos finitos CAE para diseñar e investigar sus propios cálculos estandarizados.

Aplicación de tres tecnologías CAE principales en el diseño de estructuras navales

En la actualidad, la tecnología CAE se ha utilizado ampliamente en el diseño de estructuras navales y ha penetrado en varios campos de los cálculos del diseño de estructuras navales. A continuación se presenta la aplicación de CAE en varios campos de cálculo de estructuras de barcos.

3.1 Resistencia

La resistencia es el primer aspecto a considerar en el diseño de estructuras de buques.

El cálculo de la resistencia de la estructura del barco incluye principalmente el cálculo de la resistencia longitudinal general y la resistencia local de todo el barco. La resistencia longitudinal consiste en verificar la flexión longitudinal del casco, calcular la tensión de los miembros estructurales longitudinales en cada sección del casco en condiciones de olas y compararla con la tensión permitida para determinar la resistencia del casco. Los cálculos tradicionales de resistencia longitudinal de los barcos generalmente solo calculan secciones típicas y, a menudo, requieren múltiples cálculos aproximados para obtener el resultado final. Sin embargo, al realizar un modelado de elementos finitos de todo el barco, el cálculo de la resistencia longitudinal del barco resulta más fácil. La Figura 1 es el resultado del cálculo de un cierto estado vertical en la resistencia longitudinal del barco en condiciones de mar de nivel 6. Según el cálculo CAE del modelo de elementos finitos de todo el barco, la tensión de cualquier componente de cada sección del molde de todo el barco se puede reflejar en los resultados del cálculo. En la actualidad, el cálculo de elementos finitos de la resistencia longitudinal de todo el barco requiere mucho tiempo para establecer un modelo tridimensional, y el cálculo CAE de la resistencia longitudinal de todo el barco requiere un período más largo. Sin embargo, si ya existe el modelo CAD tridimensional de todo el barco, el cálculo CAE del barco resultará muy conveniente.

El cálculo de la resistencia local de la estructura del casco incluye principalmente el cálculo de la resistencia de la estructura inferior, la resistencia de la estructura lateral, la resistencia de la estructura del bulbo, la resistencia de la estructura de la cubierta, la resistencia de la estructura del mamparo, la resistencia de la base del equipo principal, etc. Los métodos de cálculo tradicionales generalmente se basan en estructuras de vigas y estructuras de placas simplificadas para calcular la estructura local del barco, y el modelo de cálculo suele ser un modelo plano, que a menudo no puede completar los cálculos de estructuras espaciales complejas. Sin embargo, el problema de resistencia de cualquier estructura local compleja de un barco se puede resolver fácilmente utilizando la tecnología CAE y los resultados del cálculo son muy detallados. La Figura 2 es el resultado del cálculo de elementos finitos de la resistencia local de la estructura del fondo del barco.

Figura 1 Cálculo de la resistencia longitudinal de todo el barco Figura 2 Cálculo por elementos finitos de la resistencia de la estructura del fondo

En la actualidad, la tecnología CAE es ampliamente utilizada en el cálculo de la resistencia de las estructuras de los barcos, y CAE se ha convertido en el cálculo de la resistencia real de las estructuras de los barcos. Una herramienta indispensable.

3.2 Rigidez

Bajo la condición de que se cumpla la resistencia de la estructura del barco, otro indicador importante del diseño de la estructura del barco es la rigidez, es decir, bajo la carga predeterminada, la deformación del barco. La estructura debe estar dentro del límite permitido dentro del rango. El reglamento estipula que la deformación estática de todo el barco bajo la acción de las olas no excederá una quinta parte de su eslora. La Figura 3 es el resultado del cálculo CAE de la rigidez estructural de la cuaderna de popa de dos brazos de un barco típico.

El uso de software de cálculo CAE avanzado puede reflejar verdaderamente la capacidad de carga real de la estructura y puede considerar problemas de deformación de estructuras complejas que no se pueden calcular con métodos tradicionales, y los resultados son más precisos y confiable.

Figura 3 Cálculo de la rigidez estructural del marco de popa de doble brazo Figura 4 Cálculo de la estabilidad estructural del marco de placa de cubierta

3.3 Estabilidad

Estabilidad análisis de la estructura del barco, es decir, el cálculo de la inestabilidad de la estructura del barco es una parte importante del cálculo de la estructura del barco. El cálculo de la estabilidad de la estructura del barco a menudo incluye el cálculo de la tensión de Euler inestable de la estructura del pilar, el cálculo de la tensión de Euler inestable de la estructura de la placa longitudinal de la cubierta y el cálculo de la inestabilidad de las estructuras del marco de la cubierta y del marco de la placa del fondo. La Figura 4 muestra los resultados del cálculo de la estabilidad de una estructura de celosía de plataforma típica. Los métodos de cálculo tradicionales sólo se pueden utilizar para calcular la inestabilidad estructural de columnas y estructuras de placas simples. El método CAE se puede utilizar para calcular rápidamente la inestabilidad de estructuras complejas.

3.4 Vibraciones

El cálculo de las vibraciones de la estructura del barco es muy importante para el diseño de la estructura del barco. Según la especificación, la frecuencia natural de la vibración total del barco debe evitar la frecuencia del motor principal, la frecuencia del eje y la frecuencia de las palas de la hélice, y las frecuencias naturales de la vibración estructural de la placa de popa y del marco de la placa deben evitar la frecuencia de excitación de la hélice. Los paneles y marcos de la góndola deben estar libres de las frecuencias del motor principal.

Figura 5 Cálculo de la vibración total del barco

Figura 6 Cálculo de la vibración de la cola del barco

El método tradicional de cálculo de la vibración total del barco consiste en simplificar todo el barco en veinte La raíz es una viga hueca con una sección transversal variable, y luego la masa de agua adjunta calculada mediante la fórmula empírica se suma a la masa total del barco para calcular la vibración. Este método de cálculo puede obtener resultados de cálculo bastante simplificados, pero ignorará la vibración transversal total, la expansión y contracción y otras formas de vibración que encontrará el barco real. El cálculo de vibración CAE de todo el barco puede establecer con precisión el modelo de elementos finitos de todo el barco. La influencia del agua en la vibración total se considera de acuerdo con la forma espacial de la placa exterior del casco y no es necesario calcular la vibración total. masa de agua adjunta mediante fórmulas empíricas manuales. Los resultados del cálculo CAE de todo el barco pueden simular completamente la vibración de todo el barco en el agua. La Figura 5 muestra el modo de vibración total del barco.

La vibración de la estructura de popa del barco es un problema difícil en la vibración de la estructura del barco. No solo involucra la frecuencia natural de la estructura del barco en sí, sino que también involucra la vibración del acoplamiento fluido-estructura del. estructura del barco y el campo de flujo circundante. Para estudiar en detalle la vibración de la estructura de cola de un barco, los métodos tradicionales sólo pueden realizar análisis cualitativos, mientras que la tecnología CAE proporciona una solución técnica.

La Figura 8 muestra los resultados del cálculo de la vibración de popa del barco. La literatura [4] también utiliza el programa de elementos finitos SESAM para predecir la respuesta de la vibración de la popa del barco.

El problema de vibración de la estructura de popa también es un problema común en la vibración local de los barcos. Los métodos de cálculo tradicionales sólo pueden simplificarlo y obtener resultados aproximados. La referencia [5] utilizó el método de elementos finitos para establecer un modelo sólido de la estructura del marco de popa y realizó cálculos modales secos y húmedos detallados.

3.5 Impacto

En la actualidad, la resistencia al impacto de los buques es un tema cada vez más valorado por los profesionales relevantes, especialmente para los buques de guerra, debido a la resistencia al impacto de las estructuras de los buques. es una garantía importante para la vitalidad del barco. Al diseñar la estructura de un barco, no sólo se deben tener en cuenta las fuertes cargas de viento y olas, sino también la carga de impacto de las explosiones explosivas. Este campo se divide en dos categorías principales: investigación computacional sobre la resistencia de las estructuras de los barcos a las explosiones submarinas sin contacto e investigación sobre la resistencia de las estructuras de los barcos a las explosiones de contacto y la penetración del blindaje, denominadas colectivamente investigación de impacto en estructuras de los barcos. Los métodos tradicionales no pueden calcular la resistencia al impacto de los barcos. En los últimos años, con el desarrollo del hardware informático y la tecnología CAE, la evaluación del impacto CAE y los cálculos desde las estructuras locales del barco hasta todo el barco se pueden realizar gradualmente en microcomputadoras. En la literatura [6], se utiliza MSC. DYTRAN, y en la referencia [7], MSC.DYTRAN se utilizó para simular numéricamente la respuesta dinámica de toda la estructura de un barco de superficie bajo la carga de impacto de una explosión submarina. La Figura 7 muestra un método finito para calcular el impacto de una explosión submarina. Explosión submarina en un metamodelo. La Figura 8 muestra los resultados del cálculo de la resistencia al impacto de la base del motor diésel.

Figura 7 Cálculo del impacto de explosión submarina de todo el barco

Figura 8 Cálculo de la resistencia al impacto de la base del motor diésel

La escala de cálculo CAE de la resistencia al impacto de toda la estructura del barco es generalmente relativamente grande. La calidad de la malla, la selección de unidades, la selección de materiales, el método de aplicación de carga externa y la selección del algoritmo de cálculo del modelo de elementos finitos tienen un impacto importante en los resultados del cálculo. El cálculo CAE de todo el barco sigue siendo un campo de alta tecnología y se necesita urgentemente mucha energía para la investigación y el desarrollo.

3.6 Ruido

El ruido estructural de los buques incluye principalmente la investigación sobre el ruido interior en los camarotes de los buques y la investigación sobre el ruido submarino de las estructuras de los buques. El control del ruido de los barcos siempre ha sido inseparable de la vibración de la estructura del barco, pero es muy diferente de la vibración de la estructura del barco. La vibración de las estructuras de los barcos a menudo sólo necesita resolver problemas de baja frecuencia, mientras que el ruido de las estructuras de los barcos suele tener un amplio rango de frecuencia, desde unos pocos Hz hasta cientos de miles de Hz. El método de elementos finitos en la tecnología CAE no es suficiente, porque si se van a calcular los problemas acústicos utilizando el método de elementos finitos, a medida que aumenta la frecuencia, la densidad de la red será muy grande, e incluso el modelo de cálculo de una estructura simple será tan tan grande que las computadoras existentes no pueden completar el cálculo. Por lo tanto, en el campo del ruido, el método de elementos finitos se utiliza a menudo para cálculos de frecuencias bajas y medias-bajas. Los problemas por encima de frecuencias medias y altas requieren otras tecnologías CAE, incluido el método estadístico de energía, la tecnología de elementos límite, la tecnología de elementos infinitos, etc. . La Figura 9 es un ejemplo de cálculo de radiación sonora para una estructura de barco completa simplificada utilizando el software AUTOSEA.

Figura 9 Cálculo de la radiación sonora de todo el barco

IV. Características de la aplicación de la tecnología CAE en estructuras de barcos

La tecnología CAE se utiliza en diversos campos del diseño de estructuras de barcos. y cálculo. CAE tiene las siguientes ventajas en el diseño de estructuras de barcos:

1. Visual CAE se utiliza para calcular estructuras de barcos. El tamaño, los materiales, las condiciones de contorno y las condiciones de carga de la estructura analizada se pueden ver en las imágenes. La mayoría del software CAE proporciona un buen entorno de interacción persona-computadora.

2. Autenticidad El uso de la tecnología CAE para modelar estructuras de barcos puede reflejar la verdadera geometría de la estructura del barco. Ya sea una estructura plana o una estructura tridimensional, ya sea una estructura plana simple o una estructura espacial compleja, la función de modelado de CAE se puede simplificar adecuadamente de acuerdo con las necesidades del problema y el modelado refleja la situación real. de la estructura, sentando las bases para cálculos precisos.

3. Utilice herramientas CAE para realizar cálculos detallados en la estructura del barco según la configuración de los parámetros del modelo, las condiciones de carga y los parámetros de cálculo, se pueden obtener resultados de cálculo detallados. Según las necesidades del diseñador, se pueden obtener los resultados del cálculo de cualquier pieza y las condiciones físicas de la estructura se pueden reflejar en detalle de acuerdo con la precisión de los parámetros proporcionada por el diseñador.

4. Fuertes capacidades de cálculo numérico. Actualmente, el software CAE de uso común adopta una variedad de métodos de cálculo numérico eficientes y puede resolver una gran cantidad de problemas lineales y no lineales. Los diferentes software CAE suelen tener diferentes enfoques funcionales, como por ejemplo MSC.

Los software NASTRAN y ANSYSABAQUS, que son muy maduros en el campo de la mecánica lineal de elementos finitos, tienen su particularidad en el campo del contacto y la fricción no lineal de elementos finitos ANSYS-LSDYNA y MSC; DYTRAN utiliza el algoritmo de dinámica explícito, que es mejor que el cálculo relacionado con la penetración de armadura. SYSNOISE es un software profesional de ingeniería de análisis acústico y de vibraciones que tiene múltiples métodos de solución acústica, como el método de elementos finitos, el método de elementos infinitos, el método de elementos límite directo/indirecto, etc. El software AUTOSEA es una herramienta de diseño acústico y de vibraciones estructurales basada en métodos estadísticos de análisis energético. HYPERMESH es superior a la generación de malla y es muy adecuado para el diseño de optimización de la mecánica estructural actual.

Aunque la aplicación de la tecnología CAE a los cálculos de diseño de estructuras de barcos tiene las ventajas anteriores, todavía existen los siguientes problemas:

1. Cómo modelar rápidamente es una cuestión importante en el diseño CAE de estructuras de barcos. Tarea. Debido a las características de la industria de la construcción naval, el diseño CAD bidimensional de estructuras navales seguirá existiendo durante mucho tiempo y desempeñará un papel importante en la ingeniería. Actualmente, se necesita mucho tiempo para pasar del diseño de dibujos CAD 2D a la generación de modelos CAE 3D.

2.CAE sigue siendo relativamente difícil de usar. Debido a la existencia de una gran cantidad de software CAE, y cada software CAE tiene una sólida experiencia profesional, para hacer un buen uso de un software CAE específico, los diseñadores y usuarios deben tener un conocimiento profesional considerable en campos relacionados. El software CAE todavía lo utilizan un pequeño número de profesionales.

3. Modificar el diseño requiere una gran cantidad de cálculos CAE. Debido a que el proceso de cálculo de CAE es relativamente complejo, realizar una modificación del diseño equivale a reiniciar el cálculo de CAE. En muchos casos, es necesario rehacer el mallado y la definición de las condiciones de contorno. Para un problema a pequeña escala, el aumento en la carga de trabajo de recálculo no es obvio, pero para un cálculo a gran escala, consumirá mucho tiempo de la máquina.

4. Actualmente, no existe una norma de control de calidad para los cálculos CAE de estructuras de buques. Aunque CAE se ha utilizado en la industria de la construcción naval durante mucho tiempo y una gran cantidad de tareas se analizan y calculan a través de CAE, la simplificación del modelado CAE, la calidad de la malla, el establecimiento de condiciones límite y el método de carga de elementos externos. Todas las cargas están relacionadas con la experiencia del personal de análisis y cálculo y la precisión de los resultados del cálculo también varía mucho. A menudo sucede que diferentes personas calculan el mismo problema y obtienen resultados diferentes.

Resumen y perspectiva del verbo (abreviatura del verbo)

Con el desarrollo de la tecnología de diseño de estructuras navales, CAE ha logrado grandes avances en la resistencia, rigidez, estabilidad, vibración, impacto y Las aplicaciones del ruido serán cada vez más amplias y profundas. CAE no sólo puede resolver problemas de mecánica clásica tradicional de estructuras de barcos, sino también problemas en disciplinas emergentes como la explosión y el impacto. CAE no sólo juega un papel enorme en el cálculo mecánico de estructuras existentes, sino que también juega un papel irremplazable en la innovación del diseño de estructuras navales y el uso de nuevos materiales y nuevas formas estructurales.

De cara al futuro, la tecnología CAE en el diseño de estructuras navales tendrá las siguientes características:

1. Amplía aún más el campo de los cálculos CAE de estructuras navales. Los cálculos CAE de estructuras de barcos ampliarán las áreas temáticas de cálculo de forma más precisa, como los cálculos de acoplamiento fluido-estructura, cálculos de acoplamiento acústico y de vibración, cálculos de mecánica estructural y termodinámica bajo impactos de alta velocidad, etc.

2. El diseño CAD y el cálculo CAE están más estrechamente integrados. Los planos de diseño a partir de dibujos 2D y 3D de estructuras de barcos se pueden convertir fácilmente en modelos geométricos para análisis CAE.

3. El funcionamiento del software CAE es más sencillo y práctico. La tecnología CAE se convertirá en una herramienta práctica para el personal técnico y de ingeniería a mayor escala, en lugar de estar sólo en manos de unos pocos profesionales. Herramientas CAE más fáciles de usar e inteligentes ayudarán a la mayoría de los técnicos de diseño de estructuras navales a resolver los problemas de diseño diarios.

4. Parametrización del cálculo CAE para problemas específicos. La serialización de modelos de productos siempre ha sido tarea de los diseñadores. En muchos campos del diseño de estructuras de barcos, es necesario calcular problemas similares con estructuras similares, y la parametrización CAE de problemas específicos facilitará enormemente el diseño de optimización estructural de los diseñadores.

5. Estandarización de cálculos CAE para estructuras de buques. De acuerdo con los diferentes campos del cálculo del diseño de la estructura del barco, se desarrolla un proceso de cálculo CAE estandarizado para garantizar la exactitud del cálculo del diseño de la estructura del barco CAE.