坞内船舶下水过程模拟校核优化方法、存储介质及设备与流程

1.本技术涉及船舶建造技术领域，具体而言，涉及一种坞内船舶下水过程模拟校核优化方法、存储介质及设备。


背景技术：

2.这部分中描述仅提供与本公开有关的背景信息且可以不构成现有技术。
3.根据不同船厂、不同船型，船舶下水方式有很多种，在船坞内建造的船舶，常用的简单、安全的下水方式是船坞下水，但是对于线载荷重量大的船舶，其下水从坐墩状态到配载状态，到临界起浮状态再到全浮状态的整个过程中，存在坞墩及船体结构局部强度超标的风险，需要确保整个过程中船体结构以及坞墩强度的安全性。通常在船舶下水前都会进行下水计算，船舶下水宏观上通过下水静水力计算预测。为了简化模型，一般把船体等效为变截面的弹性梁，将坞墩视为船底的弹性支撑，建立船体梁有限元模型，对船体变形及坞墩支反力进行计算。但是这种等效简化处理的方式，无法对船体局部结构进行校核，经常会出现船体局部结构不同程度损坏的情况。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种坞内船舶下水过程模拟校核优化方法，用于更精准的模拟船舶下水过程中船体和坞墩的受力情况。
5.本技术实施例的另一目的还在于提供一种实现上述方法的计算机存储介质及计算机设备。
6.第一方面，提供了一种坞内船舶下水过程模拟校核优化方法，包括以下步骤：
7.1)建立全船三维有限元模型，将全船三维有限元模型依据相应的肋位号分成若干个计算站，计算配载前全船重量在各计算站的分布；根据船坞坞墩的布置，建立坞墩支撑系统模型；
8.2)依据配载前全船重量在各计算站的分布和坞墩布置，计算干坞内船舶坐墩状态下船舶结构强度及坞墩支反力，判断计算结果是否符合要求，如果不符合要求，采用加强船舶结构强度、调整坞墩布置形式、改变坞墩结构参数中的至少一种方式，直到该步骤的计算结果符合要求；
9.3)输入下水控制参数和船舶配载条件，计算分析在配载状态、临界起浮状态和全浮状态下的船舶结构强度，计算分析在配载状态、临界起浮状态的坞墩支反力，判断该步骤中的各计算结果是否符合要求，如果不符合要求，则采用调整舱内配载形式、调整坞墩布置形式、坞墩结构参数中的至少一种方式，直到该步骤中的各计算结果均符合要求。
10.一种可能实施的方案中，在步骤1)包括：按照下水前船体重量及其分布，统计计算全船各计算站重量分布，重新分布计算站重量重心，并绘制出全船重量分布曲线。
11.一种可能实施的方案中，步骤2)包括：
12.21)基于全船有限元模型，根据配载前全船各计算站重量分布，调整计算站重量重
心与实船一致；
13.22)计算得出全船坞墩的刚度系数；
14.23)输入约束条件与载荷参数，计算得出干坞内船舶坐墩状态下船舶结构强度及坞墩支反力；
15.24)将船舶结构强度计算结果与结构许用应力做对比，将坞墩支反力与坞墩最大承重做对比，判断计算结果是否符合要求，如果不符合要求，采用加强船舶结构强度、调整坞墩布置形式、改变坞墩结构参数中的至少一种方式，直到该步骤的计算结果符合要求。
16.一种可能实施的方案中，步骤24)中，对于船底局部区域结构应力超许用应力的位置采用强船舶结构强度的方式，同时通过布置软木或者增大坞墩与船底的接触面积降低坞墩的刚度系数。
17.一种可能实施的方案中，步骤3)包括：
18.计算分析舱内配载全部配载完成状态下的艏部结构强度及坞墩支反力，如果计算结果不符合要求，则调整舱内配载方案和坞墩布置方式，直到计算结果符合要求。
19.一种可能实施的方案中，步骤3)包括：
20.船舶临界起浮时艉部结构强度及坞墩强度计算方式为：
21.通过新建重心偏移引起船体纵倾下的坐标系，计算分析在起浮临界状态下艉部结构应力、坞墩承载情况；如果计算结果不符合要求，则调整舱内配载方案，直到计算结果均符合要求；
22.一种可能实施的方案中，步骤3)包括：
23.船舶全浮状态下结构强度及变形计算方式为：
24.船舶在港池内正浮状态下，分析船体受重力与舷外静水压力下的结构强度与船体挠度变形情况，如果计算结果不符合要求，则调整舱内配载方案，直到计算结果符合要求。
25.一种可能实施的方案中，船舶临界起浮时艉部结构强度及坞墩强度计算方式包括：
26.321)基于全船有限元模型，根据配载后全船各站位重量分布调整计算站重量重心与实船一致；
27.322)计算得出全船坞墩刚度系数；
28.323)根据船舶重心偏移后的艏艉吃水高度差得出纵倾角度，并在全船三维有限元模型中重心位置新建纵倾角度下的坐标系；
29.324)根据艏艉吃水换算得到全船三维有限元模型重心处的平均吃水高度值，并按此施加静水压力值；
30.325)输入约束条件与载荷参数，当计算得出坞墩支反力为负数时，则船体上此处已经脱离坞墩，坞墩处于受拉状态，需要将受拉的坞墩在全船三维有限元模型中删除再继续迭代计算，直至剩余的坞墩都处于受压状态，以此校核在艏部起浮过程中艉部处的坞墩最大支反力。
31.第二方面，还提供一种计算机存储介质，其存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面任一可能实施例方案中所述的坞内船舶下水过程模拟校核优化方法。
32.第三方面，还提供一种计算机设备，包括存储器及处理器，所述存储器存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面任一可能实施例方案中所述的坞内船舶下水
过程模拟校核优化方法。
33.本技术中具有的有益效果：本技术通过建立全船的三维有限元模型，并根据计算站的重量分布和坞墩的布置，在配载前、配载后、临界起浮状态和全浮状态分别对船体的结构强度进行计算，在配载前、配载后、临界起浮状态分别对坞墩的受力状态进行计算，在计算结果不满足要求时，针对性的采用加强船舶结构强度、调整坞墩布置形式、改变坞墩结构参数等方式，使得各步骤中的计算结果均符合要求，获得更合理的坞墩布置方案及下水方案，提前预估整个下水过程的临界起浮状态并校核船体整个下水过程中的局部强度。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
35.图1为根据本技术实施例示出的坞内船舶下水过程模拟校核优化方法的流程示意图；
36.图2为根据本技术实施例示出的船舶坞墩布置艏部横剖面示意图；
37.图3为根据本技术实施例示出的船舶坞墩布置舯部典型横剖面示意图；
38.图4为根据本技术实施例示出的船艏横剖面上静水压力分布示意图；
39.附图标记说明：1、下水横梁；2、坞墩；3、硬木；4、工程塑料；5、楞木；6、船体外壳。
具体实施方式
40.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
41.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
42.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语
在本技术中的具体含义。
44.根据本技术的第一方面，首先提供了一种坞内船舶下水过程模拟校核优化方法，图1为根据本技术实施例示出的一种坞内船舶下水过程模拟校核优化方法的流程示意图。
45.在放水过程中由于全船重量分布不均，在起浮阶段浮态还没有调平时，艏艉起浮时间不同，导致艏部或者艉部外板及内部结构受到坞墩较大的支撑反力而变形，极易造成船体结构的损坏。这就需要提前对船舶下水过程的安全性进行评估，通过提前风险预报，针对结构强度不足的区域采用坞墩布置优化等措施，避免结构应力超标甚至破坏。
46.本技术通过建立全船三维有限元模型，利用数值模拟船舶下水从干坞状态、配载状态、临界起浮状态、全浮状态的整个过程状态，不断迭代优化选取合理的坞墩布置及舱内提前配载方案，预估整个下水过程的临界起浮状态并校核船体整个下水过程中的局部强度与坞墩强度，保证结构的安全性。下面对校核优化方法详细介绍。
47.坞内船舶下水过程模拟校核优化方法包括以下步骤：
48.1)建立全船三维有限元模型，将全船三维有限元模型依据相应的肋位号分成若干个计算站，计算配载前全船重量在各计算站的分布；根据船坞坞墩的布置，建立坞墩支撑系统模型。
49.具体的，按照下水前船体重量及其分布，统计计算全船各计算站重量分布，重新分布计算站重量重心，并绘制出全船重量分布曲线。
50.有限元建模范围为全船结构，主要包括：主船体、上层建筑、轴系、艉部支撑系统等构件。考虑建模工作量等原因，计算模型中可忽略一些对船体结构变形结果影响不大的次要因素，如较小的肘板和开孔等。
51.根据船坞坞墩布置图，建立坞墩支撑系统模型，具体的方式是：坞墩支撑系统可分为以下几种：
52.如图2所示，艏部下水横梁1上配楞木5。如图3所示，艉部与船舯部坞墩2配工程塑料3或配硬木4。用多点约束(mpc)结合弹簧单元模拟坞墩支撑系统，计算时默认坞墩2与艏部横梁1属于刚性结构不会发生变形，只对工程塑料3、硬木4及横梁上楞木5用mpc结合弹簧单元模拟。为了准确地模拟支撑系统及船体的受力及变形情况，计算弹簧单元的刚度系数k值，将k值赋予相应的弹簧单元。计算公式k＝ea/h，其中e为坞墩的弹性模量，a为坞墩的垂向实际接触投影面积，h为坞墩的高度。硬木4大小取1800mm*400mm，工程塑料3大小取1000mm*400mm。特别地，对于艉部线性收的区域，坞墩的投影面积需按与船体结构实际接触面积计算。
53.2)依据配载前全船重量在各计算站的分布和坞墩布置，计算干坞内船舶坐墩状态下船舶结构强度及坞墩支反力，判断计算结果是否符合要求，如果不符合要求，采用加强船舶结构强度、调整坞墩布置形式、改变坞墩结构参数中的至少一种方式，直到该步骤的计算结果符合要求。该状态下建造过程使用的艉部支撑系统均应拆除。
54.步骤2)包括：
55.21)基于全船有限元模型，根据配载前全船各计算站重量分布，调整计算站重量重心与实船一致；
56.22)计算得出全船坞墩的刚度系数；
57.23)输入约束条件与载荷参数，计算得出干坞内船舶坐墩状态下船舶结构强度及
坞墩支反力；
58.24)将船舶结构强度计算结果与结构许用应力做对比，将坞墩支反力与坞墩最大承重做对比，判断计算结果是否符合要求，如果不符合要求，采用加强船舶结构强度、调整坞墩布置形式、改变坞墩结构参数中的至少一种方式，直到该步骤的计算结果符合要求。
59.步骤24)中，对于船底局部区域结构应力超许用应力的位置采用加强船舶结构强度的方式，同时通过布置软木或者增大坞墩与船底的接触面积降低坞墩的刚度系数，以此降低船底局部区域结构应力。在坞墩强度不满足要求时，可以通过增加坞墩的数量，也可以增大坞墩的尺寸规格。
60.3)输入下水控制参数和船舶配载条件，计算分析在配载状态、临界起浮状态和全浮状态下的船舶结构强度，计算分析在配载状态、临界起浮状态的坞墩支反力，判断该步骤中的各计算结果是否符合要求，如果不符合要求，则采用调整舱内配载形式、调整坞墩布置形式、坞墩结构参数中的至少一种方式，直到该步骤中的各计算结果均符合要求。
61.具体的，根据出坞工艺要求，船舶起浮需要通过压载水调平船的姿态，或在干坞状态下舱内部分提前配载，在放水过程中坞内放水与舱内配载同步进行。步骤3)包括：
62.31)计算分析舱内配载全部配载完成状态下的艏部结构强度及坞墩支反力，如果计算结果不符合要求，则调整舱内配载方案和坞墩布置方式，直到计算结果符合要求。
63.步骤31)包括：311)基于全船有限元模型，根据配载前全船各计算站重量分布，调整计算站重量重心与实船一致；
64.312)计算得出全船坞墩的刚度系数；
65.313)增加配载的舱室为压载舱，根据总体提供的压载舱配载方案中各舱室舱容及重心位置，拟用多点约束mpc和质量点的形式分布在压载舱边界进行加载，即将压载舱内配载的重量加载在压载舱的形心位置，然后采用多点约束将配载作用在整个压载舱边界上；
66.314)如图4所示，根据总体输入当坞内注水暂停，压载舱配载完成，此时船的姿态已基本调平为平浮状态，按此时的平均吃水高度值对船体外壳6的二维单元以面压力的形式施加静水压力值；
67.315)加约束与载荷并提交计算；
68.316)将计算结果与结构许用应力做对比，主要考虑艏部压载舱区域的结构强度，将艏部坞墩支反力与坞墩最大承重做对比，满足坞墩强度校核。特别地，对于艏部区域结构应力或是坞墩支反力超的位置通过调整配载方案来满足结构强度要求。其他实施例中，也可以调整坞墩布置方式，比如增加坞墩，或者改变坞墩的尺寸规格。调整配载方案的方式可以是：将在一个舱内的配载分散在多个舱内，以分散配载重力的作用范围。
69.32)船舶临界起浮时艉部结构强度及坞墩强度计算方式为：
70.船舶艏艉起浮时间不同会造成艉部结构受到坞墩较大的支撑反力，通过新建重心偏移引起船体纵倾下的坐标系，计算分析在起浮临界状态下艉部结构应力、坞墩承载情况；如果计算结果不符合要求，则调整舱内配载方案，直到计算结果均符合要求。起浮临界状态是指对于大型尾机型船舶，艏部已起浮仅艉部局部坐墩，全船处于将浮未浮状态。
71.具体步骤如下：
72.321)基于全船有限元模型，根据配载后全船各站位重量分布调整计算站重量重心与实船一致；
73.322)计算得出全船坞墩刚度系数；
74.323)根据船舶重心偏移后的艏艉吃水高度差得出纵倾角度，并在全船三维有限元模型中重心位置新建纵倾角度下的坐标系；
75.324)根据艏艉吃水换算得到全船三维有限元模型重心处的平均吃水高度值，并按此施加静水压力值；
76.325)输入约束条件与载荷参数，当计算得出坞墩支反力为负数时，则船体上此处已经脱离坞墩，坞墩处于受拉状态，需要将受拉的坞墩在全船三维有限元模型中删除再继续迭代计算，直至剩余的坞墩都处于受压状态，以此校核在艏部起浮过程中艉部处的坞墩最大支反力。
77.33)船舶全浮状态下结构强度及变形计算方式为：
78.船舶在港池内正浮状态下，分析船体受重力与舷外静水压力下的结构强度与船体挠度变形情况，如果计算结果不符合要求，则调整舱内配载方案，直到计算结果符合要求。
79.具体步骤为：331)基于全船有限元模型，根据配载后全船各站位重量分布，调整重量重心与实船一致，332)模型中删除坞墩支撑系统，333)根据总体输入此时的船舶平均吃水高度值，按此施加静水压力值，334)加约束与载荷并提交计算，特别地，边界条件可采用惯性释放方法，利用结构的惯性(质量)力来平衡外力作用，335)此时船体呈现中拱状态，船舯部处拱起艏艉两端下垂，形成全船挠度变形曲线，预报船体结构局部强度应力数值。如果船体结构局部强度应力数值不满足要求，通过调整配载，改变全船的挠度变形曲线，直至计算结果符合要求。
80.经实船监测结果表明：本计算方法科学可靠为提前风险预报提供了技术支撑，有效保证了船舶下水结构的安全性：
81.(1)整个下水过程艉部坞墩支反力在干坞状态达到最大值170t，未超最大承重200t，满足坞墩强度校核；船底局部结构加强后整体结构应力为193mpa，结构应力小于许用应力。
82.(2)舱内提前配载及同步配载过程中，艏部船底局部结构加强后整体结构应力为90mpa，结构应力小于许用应力，坞墩支反力未超最大承重200t。
83.(3)临界起浮时未出现艉部坞墩支反力超坞墩最大承重的现象，结构应力为184mpa，结构应力小于许用应力，最大坞墩支反力为119t；坞墩脱离船体顺序为船体舯部处的坞墩最先脱离，然后向船艏、船艉逐渐脱离。
84.(4)船舶静浮状态下数值计算船舯处最大挠曲变形值200.3mm，与实际下水监测船舯处最大拱起挠曲变形206mm非常接近。
85.根据本技术的第二方面，还提供了一种计算机存储介质，其存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例中所述的坞内船舶下水过程模拟校核优化方法。
86.优选地，所述存储介质包括：rom、ram、磁碟、u盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
87.根据本技术的第三方面，本技术还提供一种计算机设备，包括存储器及处理器，所述存储器存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面实施例中任一项所述的坞内船舶下水过程模拟校核优化方法。
88.存储器包括：rom、ram、磁碟、u盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介
质。处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序。
89.优选地，所述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
90.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。