CN114912305B - 基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法，包括以下步骤：S1、将autodyn中完成的船体结构爆炸响应计算结果导出为autodyn.wrl文件；S2、使用毁伤后网格形貌重构软件对autodyn.wrl文件进行处理，将其导出为.bdf通用格式；S3、将.bdf格式导入ABAQUS软件中完成前处理；S4、利用ABAQUS显式动力学求解器对处理后的模型开展剩余强度计算，获得船体剩余极限强度。本发明弥补了船体遭受极端毁伤后的剩余极限强度评估方法的空白，不受到船体形状、爆炸工况的限制，具有极高的通用性和极广的适用范围，具有较大的工程应用价值。

Description

基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法
技术领域
本发明涉及舰船毁伤评估领域，更具体地说，涉及一种基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法。
背景技术
舰船在执行任务的过程中可能会面临诸如鱼雷、反舰导弹等诸多极端载荷的威胁，准确评估舰船在遭遇极端载荷后剩余承载能力可以使舰船最大程度地发挥战斗力与保全生命力，但试验的经济成本以及军事能力保障等诸多问题让实船的毁伤试验难以开展，借助仿真软件开展评估是目前普遍接受的方案。
当前主流的剩余极限强度评估方法代表为Smith方法，其通过对典型横剖面结构进行删除，能够粗略地评估其剩余承载能力，但是仅仅通过典型横剖面的信息不足以反映复杂的结构毁伤，同时该方法也无法考虑结构变形后的特征信息。同时，主流的有限元求解程序无法满足在模拟船体结构爆炸毁伤的前提下，同步评估剩余极限强度的需求，使得对于舰船结构遭受爆炸毁伤特别是伴随着船体出现大面积破坏的极端工况，现有的求解方法无法评估其剩余承载能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法，其联合ANSYS-autodyn、ABAQUS求解器以及自主编写的毁伤后网格形貌重构软件能够实现舰船结构遭受极端毁伤后的剩余极限强度评估。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法，包括以下步骤：
S1、将autodyn中完成的船体结构爆炸响应计算结果导出为autodyn.wrl文件；
S2、使用毁伤后网格形貌重构软件对autodyn.wrl文件进行处理，将其导出为.bdf通用格式；
S3、将.bdf格式导入ABAQUS软件中完成前处理；
S4、利用ABAQUS显式动力学求解器对处理后的模型开展剩余强度计算，获得船体剩余极限强度。
按上述方案，所述步骤S1具体为，使用autodyn开展结构爆炸响应计算，待计算稳定后，获取计算结果以及结构毁伤后的形貌，利用所述autodyn中的Export VRWL功能，将计算结果的导出格式设置为autodyn.wrl文件。
按上述方案，所述步骤S2中，所述毁伤后网格形貌重构软件为自主编写，所述.bdf格式文件用于有限元软件求解，所述毁伤后网格形貌重构软件针对显式动力学求解器ANSYS-Autodyn的结果文件格式进行转换，使所述显式动力学求解器中获得的结果进入到Abaqus求解器中进一步分析。
按上述方案，所述毁伤后网格形貌重构软件根据拉格朗日单元的节点位置信息进行节点与单元的信息提取，形成适用于有限元计算的通用格式.bdf；
所述毁伤后网格形貌重构软件处理流程为：软件首先只抓取.wrl文件中的节点编号及其相对应的坐标信息，并记录在软件的数据库中所述毁伤后网格形貌重构软件抓取.wrl文件信息时，将自动忽略模型的节点编号、材料、厚度、接触条件、边界条件，然后将抓取的节点信息按照Abaqus显式动力学求解器能够识别的固定格式进行自动编写，并将文件格式转换为.bdf格式。
按上述方案，所述步骤S3中，所述前处理的过程中，计算中导致的船体结构二次破片孤立结构网格直接删除。
按上述方案，所述步骤S3中，所述前处理的过程中，以网格长细比、单元扭曲度、单元翘曲量对重构模型的网格进行调整，不同的后续求解器对网格质量的要求不同，判断原则为网格长细比不超过1：5，单元翘曲量不超过5度、单元扭曲度满足单元任意夹角不小于30度。
按上述方案，所述步骤S3中，所述前处理的过程中，对甲板破口长宽尺寸为破口所在处甲板厚度20倍的区域移除所有纵向构件，删除纵向结构网格。
按上述方案，所述步骤S3中，前处理过程中，在弯曲应力超过板格临界屈曲应力的受压区域内，对相应构件的剖面面积进行折减，折减系数：
Figure BDA0003552860680000031
其中，σcr是临界屈曲应力，σi是构件的弯曲应力，
若
Figure BDA0003552860680000032
则取/>
Figure BDA0003552860680000033
若/>
Figure BDA0003552860680000034
则对相应构件的剖面面积进行折减。
按上述方案，所述步骤S4具体为：对完成前处理的模型重新赋予单元属性和边界条件，使用显式动力学求解器开展剩余极限强度计算，得到毁伤后模型的剩余极限强度。
实施本发明的基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法，具有以下有益效果：
1、本发明联合ANSYS-autodyn、ABAQUS求解器以及自主编写的毁伤后网格形貌重构软件实现舰船结构遭受极端毁伤后的剩余极限强度评估，能够较好的解决当今主流求解方法无法合理模拟船体结构爆炸毁伤同时评估剩余极限强度的问题；
2、本发明方法巧妙的根据特征信息完成节点与单元信息的提取，通过将.wrl文件转化为.bdf文件，解决了ANSYS-autodyn的船体爆炸响应结果文件.wrl无法直接用于有限元计算的缺点；
3、本发明方法弥补了船体遭受极端毁伤后的剩余极限强度评估方法的空白，且不受到船体形状、爆炸工况的限制，具有极高的通用性和极广的适用范围，具有较大的工程应用价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法的流程结构示意图；
图2是本发明的船体结构遭遇爆炸载荷后的毁伤形貌图；
图3是本发明的毁伤后网格形貌重构软件转换界面；
图4是本发明的ABAQUS前处理后计算模型示意图；
图5是本发明的显示动力学求解剩余极限强度计算结果图；
图6是本发明的装药起爆过程中的冲击波传播过程；
图7是本发明的船体结构遭遇爆炸载荷后的毁伤情况；
图8是本发明的毁伤后结构模型；
图9是本发明的修正后结构模型；
图10是本发明的施加边界后计算模型；
图11是本发明的修正模型受载后变形。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-11所示，本发明的基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法，包括以下步骤：
S1、将autodyn中完成的船体结构爆炸响应计算结果导出为autodyn.wrl文件；
步骤S1具体为，使用autodyn开展结构爆炸响应计算，待计算稳定后，获取计算结果以及结构毁伤后的形貌，利用autodyn中的Export VRWL功能，将计算结果的导出格式设置为autodyn.wrl文件。
S2、使用毁伤后网格形貌重构软件对autodyn.wrl文件进行处理，将其导出为.bdf通用格式；
步骤S2中，毁伤后网格形貌重构软件为自主编写，.bdf格式文件用于有限元软件求解。毁伤后网格形貌重构软件针对显式动力学求解器ANSYS-Autodyn的结果文件格式进行转换，使显式动力学求解器中获得的结果进入到Abaqus求解器中进一步分析，毁伤后网格形貌重构软件根据拉格朗日单元的节点位置信息进行节点与单元的信息提取，形成适用于有限元计算的通用格式.bdf。毁伤后网格形貌重构软件处理流程为：软件首先只抓取.wrl文件中的节点编号及其相对应的坐标信息，并记录在软件的数据库中毁伤后网格形貌重构软件抓取.wrl文件信息时，将自动忽略模型的节点编号、材料、厚度、接触条件、边界条件，然后将抓取的节点信息按照Abaqus显式动力学求解器能够识别的固定格式进行自动编写，并将文件格式转换为.bdf格式。
S3、将.bdf格式导入ABAQUS软件中完成前处理；
步骤S3中，前处理的过程中，计算中导致的船体结构二次破片孤立结构网格直接删除，以网格长细比、单元扭曲度、单元翘曲量对重构模型的网格进行调整，不同的后续求解器对网格质量的要求不同，判断原则为网格长细比不超过1：5，单元翘曲量不超过5度、单元扭曲度满足单元任意夹角不小于30度，对甲板破口长宽尺寸为破口所在处甲板厚度20倍的区域移除所有纵向构件，删除纵向结构网格，在弯曲应力超过板格临界屈曲应力的受压区域内，对相应构件的剖面面积进行折减，折减系数：
Figure BDA0003552860680000051
其中，σcr是临界屈曲应力，σi是构件的弯曲应力，
若
Figure BDA0003552860680000052
则取/>
Figure BDA0003552860680000053
若/>
Figure BDA0003552860680000054
则对相应构件的剖面面积进行折减。
S4、利用ABAQUS显式动力学求解器对处理后的模型开展剩余强度计算，获得船体剩余极限强度。
步骤S4具体为：对完成前处理的模型重新赋予单元属性和边界条件，使用显式动力学求解器开展剩余极限强度计算，得到毁伤后模型的剩余极限强度。
本发明的优选实施例中，包括以下步骤：
S1、使用Solidworks-Hypermesh完成模型的前处理，其中模型为船体结构并分为三个舱段，且具有四层甲板和双层内底，船体结构为钢结构。然后以Nastran求解模块导出dat格式模型文件，在ANSYS-autodyn中完成模型的流固耦合与接触设置，开展框架式结构的爆炸响应计算。设置炸药材料为TNT，当量为200KG，起爆点位置位于中间舱段的1-2甲板几何中心。
爆炸响应计算显示冲击波的传播过程与结构的变形与毁伤情况，具体计算结果如图1-2所示，将毁伤后模型以wrl格式导出。然后使用自行编写的毁伤后网格形貌重构软件对wrl文件进行格式转换，如图3所示，使之成为可以进一步处理的有限元网格文件。
S2、利用毁伤后网格形貌重构软件转换的毁伤后，模型只保留了结构的变形信息，如图4所示，不具备材料属性以及无法判断结构单元是否失效。毁伤后网格形貌重构软件是一款针对现行显式动力学求解器ANSYS-Autodyn的结果文件格式转换软件，使在上述求解器中获得的结果能够进入到Abaqus等求解器中进一步分析。其目的在于解决不同软件封闭性而导致的文件格式的不兼容，从而引起的数据信息丢失甚至无法读取的情况。
毁伤后网格形貌重构软件抓取.wrl文件信息时，将自动忽略模型的节点编号、材料、厚度、接触条件、边界条件等信息，因为这些信息的代码编写规则与有限元求解器差别过大，无法按照软件内置算法完成转换。
于是对该模型进行单元失效和剖面面积折减，其遵循原则和计算公式如下：
(1)对于爆炸冲击导致的结构二次破片等孤立结构网格直接删除；
(2)对于甲板破口面积大于甲板厚度20倍的区域移除其范围内所有纵向构件；
(3)在弯曲应力超过板格临界屈曲应力的受压区域内，对相应构件的剖面面积进行折减，其中折减系数
Figure BDA0003552860680000061
若φ>1，则取φ＝1；若φ<1，则对相应构件的剖面面积进行折减。
完成失效结构单元的删除和折减后，对结构属性进行重新赋予，其中主要包括：各个甲板、舱壁、纵桁、横梁、龙骨和船底板等构件的材料属性设置以及各自的厚度设置，如图5所示，最终获得计算模型。
S3、对于完成前处理后的计算文件，对其进行边界条件与求解步进行设定。边界条件主要包括模型两侧端面处施加简支边界，并在端面处施加弯矩，其中弯矩即为预知的船体原始板架的极限强度，具体数值如下表1所示，如图6所示，为前处理后的模型；然后利用Abaqus自带的显示动力学求解器进行船体剩余极限强度的计算。如图7所示，修正模型在受载后的的变形破坏模式，计算获得的船体剩余极限强度也在表1中写出。以此最终完成结构在爆炸毁伤后的剩余极限强度评估。
表1剩余极限强度计算对比
工况 中拱(106kN·m) 中垂(106kN·m)
原始板架 3.94 -2.78
200kg TNT 1-2甲板中心 3.66 -1.17
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将autodyn中完成的船体结构爆炸响应计算结果导出为autodyn.wrl文件；
S2、使用毁伤后网格形貌重构软件对autodyn.wrl文件进行处理，将其导出为.bdf通用格式；
所述毁伤后网格形貌重构软件为自主编写，所述.bdf格式文件用于有限元软件求解，所述毁伤后网格形貌重构软件针对显式动力学求解器ANSYS-Autodyn的结果文件格式进行转换，使所述显式动力学求解器中获得的结果进入到Abaqus求解器中进一步分析；
所述毁伤后网格形貌重构软件根据拉格朗日单元的节点位置信息进行节点与单元的信息提取，形成适用于有限元计算的通用格式.bdf；
所述毁伤后网格形貌重构软件处理流程为：软件首先只抓取.wrl文件中的节点编号及其相对应的坐标信息，并记录在软件的数据库中所述毁伤后网格形貌重构软件抓取.wrl文件信息时，将自动忽略模型的节点编号、材料、厚度、接触条件、边界条件，然后将抓取的节点信息按照Abaqus显式动力学求解器能够识别的固定格式进行自动编写，并将文件格式转换为.bdf格式；
S3、将.bdf格式导入ABAQUS软件中完成前处理；
所述前处理的过程中，计算中导致的船体结构二次破片孤立结构网格直接删除；
所述前处理的过程中，以网格长细比、单元扭曲度、单元翘曲量对重构模型的网格进行调整，不同的后续求解器对网格质量的要求不同，判断原则为网格长细比不超过1：5，单元翘曲量不超过5度、单元扭曲度满足单元任意夹角不小于30度；
所述前处理的过程中，对甲板破口长宽尺寸为破口所在处甲板厚度20倍的区域移除所有纵向构件，删除纵向结构网格；
S4、利用ABAQUS显式动力学求解器对处理后的模型开展剩余强度计算，获得船体剩余极限强度；
所述步骤S3中，前处理过程中，在弯曲应力超过板格临界屈曲应力的受压区域内，对相应构件的剖面面积进行折减，折减系数：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_2
是临界屈曲应力，/>
Figure QLYQS_3
是构件的弯曲应力，若/>
Figure QLYQS_4
，则取/>
Figure QLYQS_5
，若/>
Figure QLYQS_6
，则对相应构件的剖面面积进行折减。
2.根据权利要求1所述的基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法，其特征在于，所述步骤S1具体为，使用autodyn开展结构爆炸响应计算，待计算稳定后，获取计算结果以及结构毁伤后的形貌，利用所述autodyn中的Export VRWL功能，将计算结果的导出格式设置为autodyn.wrl文件。
3.根据权利要求1所述的基于船体结构毁伤形貌的剩余极限强度评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：对完成前处理的模型重新赋予单元属性和边界条件，使用显式动力学求解器开展剩余极限强度计算，得到毁伤后模型的剩余极限强度。
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