周清華，肖蕾，耿厚才

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

VB.NET和NASTRAN混合編程在船體梁振動(dòng)計(jì)算中的應(yīng)用

周清華，肖蕾，耿厚才

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

以Visual Studio.NET為開發(fā)平臺(tái)，基于VB.NET和NASTRAN采用混合編程的方法開發(fā)適用于方案設(shè)計(jì)階段的船體梁振動(dòng)計(jì)算軟件。通過圖形化用戶界面控制參數(shù)的選擇和輸入實(shí)現(xiàn)船體梁垂向振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)估算、附連水質(zhì)量計(jì)算、一維梁有限元模型的參數(shù)化建模、后臺(tái)調(diào)用NASTRAN計(jì)算船體梁垂向和水平振動(dòng)，以及固有頻率和模態(tài)振型自動(dòng)提取等功能。以35 000 m3液化乙烯運(yùn)輸船為例，對(duì)比軟件計(jì)算值與經(jīng)驗(yàn)估算值和整船三維有限元分析值，結(jié)果表明，該軟件對(duì)于低階船體梁振動(dòng)計(jì)算具有良好的可靠性和實(shí)用性。

VB.NET；NASTRAN；一維梁；模態(tài)分析；垂向振動(dòng)

船體振動(dòng)水平直接影響到人員的舒適性、設(shè)備的可靠性以及結(jié)構(gòu)的安全性，船舶振動(dòng)預(yù)報(bào)與減振降噪已成為船東、船廠和船級(jí)社亟待解決的難題。方案設(shè)計(jì)階段作為船體總振動(dòng)控制的最佳階段，在確定船舶尺度、裝載和推進(jìn)方案時(shí)需考慮避開主船體的低階共振。如何準(zhǔn)確地獲得船體梁自由振動(dòng)特性，對(duì)于采取合理的設(shè)計(jì)方案和減振措施，避免船體梁與主要激勵(lì)源發(fā)生共振是至關(guān)重要的。

目前船體梁的振動(dòng)計(jì)算方法主要有經(jīng)驗(yàn)估算法和數(shù)值解法。經(jīng)驗(yàn)估算法基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，適用于剖面慣性矩、質(zhì)量分布等重要參數(shù)尚未確定的合同設(shè)計(jì)階段，可為方案設(shè)計(jì)提供參考[1]；在數(shù)值解法中，計(jì)及流固耦合的三維有限元方法主要用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)評(píng)估，計(jì)算精度較高，但數(shù)據(jù)大，耗時(shí)多，難以在一般工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用[2]。船舶是由板梁組合而成的空心薄壁箱型結(jié)構(gòu),工程上常將船體簡(jiǎn)化為梁模型，運(yùn)用遷移矩陣法或一維梁有限元法計(jì)算船體梁低階振動(dòng)的固有頻率，不同計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果是非常接近的[3]。其中，一維梁有限元法將船體梁有限元離散化為多自由度振動(dòng)方程，采用有限元分析程序進(jìn)行模態(tài)分析。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但要求技術(shù)人員具備相關(guān)的力學(xué)知識(shí)和操作技能。為了減少在模型創(chuàng)建、參數(shù)定義和分析設(shè)置等前處理階段花費(fèi)過多的時(shí)間和精力，提高船舶振動(dòng)性能評(píng)估的自動(dòng)化程度，筆者基于一維梁有限元法，將NASTRAN強(qiáng)大的模態(tài)分析功能和Visual Basic.NET(簡(jiǎn)稱VB.NET)在圖形化用戶界面設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)相互結(jié)合，開發(fā)一款操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的船體梁振動(dòng)計(jì)算軟件(HGVAS)。

本軟件主要分為3個(gè)功能模塊：船體梁垂向振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)估算、附連水質(zhì)量計(jì)算和一維梁有限元分析，計(jì)算工作流程見圖1。

1 計(jì)算原理

1.1 船體梁垂向振動(dòng)固有頻率經(jīng)驗(yàn)估算

基于均直梁的彎曲理論，采用經(jīng)驗(yàn)公式估算首階垂向振動(dòng)固有頻率，主要經(jīng)驗(yàn)公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:fv為首階垂向振動(dòng)頻率，Hz；Iv為船舯剖面慣性矩，m4；Δ為排水量，t；L為船長(zhǎng)，m；C為統(tǒng)計(jì)系數(shù)；B為型寬，m；D為型深，m；ΔV為包括附連水質(zhì)量的船舶總質(zhì)量，t；α，β為船型修正系數(shù)；f0為母型船的船體固有頻率；I0、Δ0和L0為母型船的舯剖面慣性矩、包括附連水質(zhì)量在內(nèi)的船體總質(zhì)量與船長(zhǎng)。

二階及以上垂向振動(dòng)固有頻率為

(5)

式中:一般貨船k=0.845，散貨船k=1.0，油船k=1.02；i為船體梁振動(dòng)階數(shù)。

1.2 附連水質(zhì)量計(jì)算

船體梁的質(zhì)量由船舶的有效質(zhì)量與附連水質(zhì)量?jī)刹糠謽?gòu)成。船舶的有效質(zhì)量包括船體結(jié)構(gòu)的凈質(zhì)量與船上貨物、油水及設(shè)備等質(zhì)量。附連水質(zhì)量采用劉易斯圖譜法計(jì)算。在軟件中，采用等效密度的形式將船體梁的質(zhì)量平攤至各段船體梁。

前5階總振動(dòng)各個(gè)剖面處單位長(zhǎng)度上的附連水質(zhì)量分別為[4]

垂向振動(dòng)mav=0.5πavCvKiρb2

(6)

水平振動(dòng)mah=0.5πahChKiρd2

(7)

式中：av為淺水修正系數(shù)；ah為狹航道修正系數(shù)；Cv、Ch為垂向、水平振動(dòng)時(shí)的附連水質(zhì)量修正系數(shù)；Ki為三維流動(dòng)修正系數(shù)；ρ為海水密度，t/m3；b、d為計(jì)算剖面處的水線半寬和吃水，m。

1.3 一維梁有限元法

一維梁有限元法把船體梁離散為若干個(gè)通過節(jié)點(diǎn)連接的梁?jiǎn)卧瑢?duì)第n段梁建立平衡方程式[5]

(8)

將梁?jiǎn)卧馁|(zhì)量等效到兩端節(jié)點(diǎn)，形成節(jié)點(diǎn)質(zhì)量矩陣mi、mj，利用達(dá)朗貝爾原理考慮慣性力；將外力等效至兩端節(jié)點(diǎn)，形成節(jié)點(diǎn)外載荷Pi、Pj。第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的平衡方程式為

(9)

組合所有節(jié)點(diǎn)的平衡方程式，代入式(8)可得船體梁一維梁有限元分析的振動(dòng)控制方程

(10)

式中:M、K為船體梁總質(zhì)量矩陣、總剛度矩陣。

解式(10)可求得船體梁的圓頻率ω和振型。

NASTRAN提供了兩種質(zhì)量矩陣形式，即集中質(zhì)量矩陣和耦合質(zhì)量矩陣。相比于集中質(zhì)量矩陣，采用耦合質(zhì)量矩陣的梁?jiǎn)卧扔衅絼?dòng)分量，又有轉(zhuǎn)動(dòng)分量，計(jì)算結(jié)果更加精確。NASTRAN默認(rèn)的質(zhì)量矩陣為集中質(zhì)量，在模型文件中寫入PARAM,COUPMASS,1即可選擇耦合質(zhì)量矩陣。

2 HGVAS軟件的開發(fā)

2.1 VB.NET參數(shù)化建模

采用參數(shù)化建模方式創(chuàng)建一維梁有限元模型，由于計(jì)算考慮了前3階垂向和水平振動(dòng)，需創(chuàng)建1個(gè)干模態(tài)和6個(gè)濕模態(tài)計(jì)算模型，濕模態(tài)模型文件可以基于附連水質(zhì)量計(jì)算的結(jié)果自動(dòng)生成。VB.NET文件的輸入或輸出是通過流來實(shí)現(xiàn)，System.IO名稱空間提供了用于文件和流操作的各種類型[6]。在軟件中主要利用Directory類、File類和StreamWriter類，實(shí)現(xiàn)目錄建立、文件建立和字符寫入等操作，主要方法如下。

2.1.1 創(chuàng)建模型文件

1)利用Directory.CreateDirectory方法在程序當(dāng)前路徑下建立目錄，用于存放模型文件，以便數(shù)據(jù)管理。

代碼如下：

Directory.CreateDirectory(Application.StartupPath & "vib_model")

2)創(chuàng)建一個(gè)文件流sw，該對(duì)象在上述目錄下利用File.CreateText方法創(chuàng)建模型文件。

代碼如下：

Dim sw As StreamWriter=File.CreateText(path_dryM)

2.1.2 寫入模型數(shù)據(jù)

利用StreamWrite.WriteLine方法向文本流中寫入模型數(shù)據(jù)，包括分析控制參數(shù)、單元類型和屬性、材料屬性和單元節(jié)點(diǎn)位置信息。

部分代碼如下。

Using (sw)

sw.WriteLine("SOL 103")

……

sw.WriteLine("ENDDATA")

2.2 VB.NET調(diào)用NASTRAN

1)調(diào)用NASTRAN求解。VB.NET中有豐富的函數(shù)調(diào)用功能，允許用戶不但可以調(diào)用內(nèi)部函數(shù)，還可與基于Windows的應(yīng)用程序無縫集成，利用Shell函數(shù)實(shí)現(xiàn)后臺(tái)調(diào)用NASTRAN求解。其中，path_nastran為NASTRAN執(zhí)行文件的安裝路徑，AppWinStyle.NormalFocus為指定NASTRAN后臺(tái)運(yùn)行時(shí)的窗口樣式。

代碼如下：

Shell("path_nastran&" "&path_dryM", AppWinStyle.NormalFocus)

2)判斷NASTRAN計(jì)算是否結(jié)束。通過判斷是否存在臨時(shí)文件.aeso，檢查NASTRAN是否運(yùn)行完畢，部分代碼如下。

Do

If (Not File.Exists(drym.aeso)) Then

File.Delete(Application.StartupPath & "drym.DBALL)

End If

Loop Until File.Exists(Application.StartupPath & "drym.DBALL)=False

2.3 VB.NET后處理

1)提取固有頻率。使用StreamReader類的ReadLine方法逐行讀取結(jié)果文件，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入相應(yīng)變量中。

部分代碼如下：

Dim sr_drym As StreamReader=New StreamReader(Application.StartupPath& "drym.f06")

row0_drym=sr_drym.ReadLine()

2)圖形繪制模態(tài)振型。模態(tài)振型的繪制分為兩步：

①創(chuàng)建Graphics對(duì)象，即建立一塊畫布。

部分代碼如下：

Form1.PictureBox1.Image=Nothing

Dim bm1 As New Bitmap(wid1, hgt1)

Dim g1 As Graphics=Graphics.FromImage(bm1)

②使用Graphics對(duì)象提供的DrawLine、DrawString、DrawCurve等方法繪制直線、曲線、標(biāo)注文字等。

部分代碼如下：

g1.DrawLine(pen,30,100,290,100)

g1.DrawString("z",f,Brushes.Black,0,90)

g1.DrawCurve(pen,Points_v1)

部分窗口界面見圖2和圖3。

3 實(shí)船計(jì)算與分析

選取江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)和建造的35 000 m3液化乙烯運(yùn)輸船為應(yīng)用對(duì)象，實(shí)船主要參數(shù)如下：垂線間長(zhǎng)176 m；船寬29.6 m；型深19.4 m；結(jié)構(gòu)吃水11.0 m；設(shè)計(jì)航速16 kn，以滿載出港為計(jì)算工況。在進(jìn)行比較分析時(shí)，選取了較為精確的整船三維有限元法，其計(jì)算模型和典型垂向振動(dòng)振型見圖4和圖5。表1為考慮了附連水質(zhì)量的垂向振動(dòng)計(jì)算結(jié)果。

對(duì)于本例中的垂向振動(dòng)，經(jīng)驗(yàn)估算法的計(jì)算結(jié)果離散度較大，這是由目標(biāo)船型的特點(diǎn)而造成的，剛度和重量分布與經(jīng)驗(yàn)公式的統(tǒng)計(jì)船型有所不同，因而導(dǎo)致結(jié)果存在差別。以均值為比較對(duì)象，HGVAS計(jì)算的前3階頻率與之偏差分別為2.46%、3.91%和6.78%。計(jì)算結(jié)果表明，一階頻率的計(jì)算結(jié)果最為接近，隨著振動(dòng)階數(shù)的增加，偏差逐漸增大。這是由于高階振動(dòng)時(shí)節(jié)點(diǎn)的間距逐漸減小，已接近或小于船寬，梁橫截面發(fā)生翹曲，此時(shí)不僅要考慮彎曲變形，還應(yīng)考慮剪切滯后效應(yīng)的影響。剪切滯后效應(yīng)導(dǎo)致構(gòu)件有效寬度減小，船體梁彎曲剛度下降，并且隨著振動(dòng)階數(shù)的上升而明顯增加[7]。由于HGVAS未考慮剪切滯后效應(yīng)的影響，致使其一階以上固有頻率的計(jì)算值均略高于均值和三維有限元分析值。

表1 垂向振動(dòng)計(jì)算結(jié)果比較

4 結(jié)論

利用VB.NET和NASTRAN混合編程，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套界面友好、操作簡(jiǎn)單、計(jì)算快速、結(jié)果直觀的船體梁振動(dòng)計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算參數(shù)的交互輸入和分析結(jié)果的可視化輸出，技術(shù)人員無需專業(yè)的有限元知識(shí)即可運(yùn)用該軟件完成低階船體梁總振動(dòng)計(jì)算，且前三階固有頻率的計(jì)算誤差在7%以內(nèi)，可以滿足工程應(yīng)用的要求，并有效地提高船體梁振動(dòng)分析的自動(dòng)化程度。

[1] 趙耕賢.船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一:—船舶振動(dòng)[J].船舶，2001,10(5)：34-42.

[2] 翁長(zhǎng)儉.我國(guó)船舶振動(dòng)沖擊與噪聲研究近年進(jìn)展[J].中國(guó)造船，2001,42(3)：68-84.

[3] 王慧彩，趙德有.用有限元法計(jì)算船體總振動(dòng)時(shí)剛度陣奇異處理分析[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2003,18(2)：5-8.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.船上振動(dòng)控制指南[K].北京：人民交通出版社，2000.

[5] 陳志堅(jiān)．艦艇振動(dòng)學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[6] DEITEL H M, DEITEL P J, NIETO T R. Visual Basic.NET高級(jí)程序員指南[M].周靖,譯.北京：清華大學(xué)出版社,2003.

[7] 李志強(qiáng)，趙德有，居樺樺.考慮剪切滯后影響的平面Timoshenko梁振動(dòng)特性研究[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2007,22(5)：19-21.

Development and Application of Hull Girder Vibration Calculation Software Based on VB.net and NASTRAN

ZHOU Qing-hua, XIAO Lei, GENG Hou-cai

(Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

A hull girder vibration calculation software applied to the initial design stage was developed by VB.NET and NASTRAN mixed programming approach based on Visual Studio.NET platform. It’s convenient for user to input and select the relevant control parameters in the graphical user interface. The functions include hull girder vertical vibration empirical formula estimate, added mass calculation, one-dimensional beam finite element model parameter modeling, hull girder vertical and horizontal vibration calculation using NASTRAN, natural frequency and modal shape automatically extract. A 35 000 m3LEG carrier was taken as the research object, the calculated values using the software were compared with the ones of empirical formula method and global finite element analysis method, indicating that the software is reliable and applicable for the low order hull girder vibration analysis.

VB.NET; NASTRAN; one-dimensional beam; modal analysis; vertical vibration

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.016

2016-08-08

周清華(1984—)，男，工學(xué)碩士，工程師

U661.44

A

1671-7953(2017)02-0069-04

修回日期：2016-09-08

研究方向:艦船環(huán)境載荷和結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估