1 引 言

    船舶工业是一个涉及学科面广、专业复杂的工业。中国船舶工业虽然发展很快,但和第一造船大国相比还有很大差距,目前面临的最大问题就是中国造船企业的设计周期比其他发达国家要长。近10年来,中国船舶制造行业CAD的自动化程度已经相当高,CAE也已经成为大型船舶制造企业的必备工具,这是中国船舶业近几年来突飞猛进的重要原因之一,数字化造船的理念已经成为造船领域的趋势。但是传统的CAE一直停留在单点式的分析模式上,要缩短产品的设计周期,现在关键是如何提高CAE仿真的效率,如何将单点式变成一体化,实现单一的数据模型完成多学科仿真

    2 MD Nastran简介

    MSC. Software公司推出的MD Nastran就是在这样的需求之上开发的。MD Nastran将一流的技水平台Nastran、Marc、Dytran、LS-Dyna,以及Actran软件的无限元技术集成到一个企业级的多学科仿真方案中。MD Nastran多学科仿真从2001年开始有很大的拓展,首先对传统的静力学和动力学进行了有效的增强,然后是融入一流的隐式非线性、显式非线件、多体动力学和声学分析。MD Nastran对物理现象的连续统一性给出了目前最为精准的批述。MDNastran的深入开发已历经6年,一方面通过战略收购,将Adams运动学/动力学、Marc非线性技术融入其中。另一方面通过战略合作,把LS-Dyna的高度瞬态非线性嵌入Nastran增强碰撞功能,把Actran的无限单元技术引入Nastran实现内外声场仿真的能力,后续还将把Star-CD技术集成进来以进一步增强流-固耦合的功能。利用第三方软件MpCCI,MD Nastran还可实现与其它流体软件之间的相互耦合。

    3 MD Nastran在CAE的优势

    3.1 公共的数据模型

    船舶行业已经使用的CAE软件很多,但由于各自平台的差异,需要分散建立各学科的CAE模型。相比将多个独立的仿真工具捆绑在一起分析的方法,MD Nastran可以减少50%的仿真时间,这主要是因为用户可以工作在一个公共的数据模型上来完成各类仿真。由于基于系统级的公共模型同时对多个学科的物理工程进行了表述,因此MDNastran允许所有的设计人员从通用的模型中调用数据。但这并不意味着所有学科都用完全一样的模型,而是能够从一个模型中提取出所需的载荷和约束来完成各类仿真。MD Nastran根据相互耦合影响的学科类型来决定分析是同时的、集成的、交叉的还是松散的耦合。包含运动、FEA和CFD的系统级模型有着广泛的多学科代表性。例如,整船在波浪载荷下的流体、运动,以及结构强度、振动、噪声的分析都可以基于公共的数据模型来完成。
 
    3.2 多学科仿真

    模拟高性能船,如穿浪船、气垫船、地效翼船等的航行,都是需要多学科仿真的很好实例,模拟的困难在于多学科之间的交互耦合作用。借助目前的前后处理器、计算力量和自动运行能力,对于单个学科专家仍然要通过许多离散的分析步骤来手工模拟仿真学科之间的复杂交互作用,这样必然会带来信息传输的丢失,降低模拟的精度。手工传递计算信息,或者将运动的信息作为静态的信息来施加到系统中,这个过程可重复性差,人为错误也难以避免。而MD Nastran能将学科之间的数据与信息传递变得动态实时,它们将处在一个开放的统一的循环环境中。无论是线性、非线性、运动、CFD,还是显式非线性动力学,MD Nastran允许多学科在求解器内核上集成仿真,而不是仅仅简单地相互之间连接。它已完全超越传统的多物理场系统,将多种学科深层次的链接/集成。这样,在船舶尤其是新船型、高附加值船型设计的早期就能实现各设计层面的联合工作。有限元分析和CFD之间的集成,也具有同样的效果。

    3.3 高性能计算

    MD Nastran第一个真正将软件移植到IPL-64系统,消除了以往的仿真工具对物理内存利用能力的限制。MD Nastran可以使用近乎无限大的物理内存,大幅度提高了计算效率。MD Nastran运行性能针对64位的超级计算机平台进行了专门的优化,极其复杂并极其巨大的模型仍可以通过多个64位处理器并行计算而得以仿真。正因为支持了64位运算(ILP)和SMP/DMP并行,才能使船舶CAE能够完成更多的工作。例如,在进行远距离水下爆炸分析时,即使没有USA接口,也可以在能够接受的时间内完成冲击波的传递计算。

    4 MD Nastran在船舶CAE中的成功应用

    船舶CAE在经过了多年使用之后,目前各单位、各部门都急需统一CAE平台,MD正是体现这一价值的平台。涉及的问题主要有以下方面:

    (1)结构静强度、刚度、振动、优化以及在复合材料领域的研究和应用,这些问题在传统的Nastra中就可以实现,并且计算精度高。而MD Nastran包含了原有的Nastran的所有功能,而且还进一步拓展了计算规模和计算效率,在功能上比原来的Nastran有更多、更新的内容。比如模型的装配定义和复合材料的研究方面,MD Nastran新增加的缝焊单元(CSEAM)可以模拟焊缝,并且可以连接高阶板壳单元,这在原有点焊单元和连接单元的基础上进一步增强了模型装配的功能。MD Nastran的CBEAM3单元,适用于自定义截面形状的复合材料梁,使用渐变法(VAM)计算梁的截面特性。对于细长的复合材料结构,用这种单元同样可以模拟空间的铺层特性。

    (2)结构非线性分析、失稳和失效分析,多物理场耦合,诸如修船和改装船时考虑的残余应力,全船的电磁场分析等,这些问题用MD Nastran中的So1400和So1600就可以实现仿真。So1400增强了Nastran原有非线性求解的功能,可以进行非线性接触模型的定义,具有非线性单元及材料。而且最为引人注目的是,MD Nastran新增的线性接触可以很方便地转换到S1400中进行非线性求解,不需要重新定义接触,MD Nastran的接触可以方便地根据客户的需求定义为线性接触、非线性接触或是粘结(Glue)。So1600则集成了Mare高度非线性、多物理场、加工成型、高级热分析和材料断裂力学的功能。这两大求解序列对于有效计算船舶的非线性问题,尤其是非线性屈曲,还有船用发动机的热机耦合和高度非线性问题提供了专业的CAE工具。例如美国NAVSEA就是用MD Nastran的非线性功能模拟维修舰艇的预变形和预应力状态。

    (3)船舶的碰撞、搁浅、晃荡、水下爆炸等显式非线性问题完全可以使用MD Nastran的So1700进行求解。So1700就是Dytran和LS-Dyna,这两个软件一直以来在非线性瞬态动力学领域都是主流产品,尤其在以往的船舶CAE分析中也有非常成功的范例,比如船船碰撞、船桥碰撞分析、晃荡分析等,而现在完全集成于MD Nastran的平台下,不需要重复建立模型,缩短CAE仿真的周期。

    (4)舰艇和豪华游船的减振降噪问题,这在以往的单点式CAE分析流程中处理非常复杂,很多声学软件都需要CAE分析者在结构振动计算完成后进行大量的数据处理,才能进行后续的噪声分析。MD Nastran R2版本加入MSC.Actran的无限元技术,这样就可以在MD Nastran中实现内外噪声的分析,而无须更换分析平台,省去了繁冗的手工数据处理,也方便了CAE分析。同时,针对大规模的外噪声计算,MD Nastran在数值算法上新增加了UMF-PACK(unsymmetric)求解器。

    (5)船舶领域越来越多地涉及到多体运动和控制方面的分析需求,比如船舶海洋结构物等的运动和操控性能的分析。MD Nastran的开发正是考虑了跨越多学科的需求,同时兼容了多体动力学和控制分析的MD Adams,所以它是真正意义上的多学科仿真平台。

    (6)船舶CAE分析还有一个重要的学科就是计算流体力学及流固耦合。MD Nastran通过战略合作,利用第三方软件MpCCI,实现和流体软件之间的真正意义上的流固耦合分析,而不是简单地将CFD分析的数据通过手工传递给FEA进行结构分析。后续MD Nastran还会将Star-CD技术集成进来,进一步增强MD Nastran在CFD领域的功能。MD就是把这种单点式的分析统一到一个平台上,用“单一船模型”来实现不同学科的CAE仿真,

    从而缩短船舶CAE分析的周期,加速设计流程的实施,最后实现和造船发达国家相同甚至更短造船周期的目标。

    5 结束语

    MD产品是应客户的需求而开发的,船舶制造业同样也有这种统一CAE数据模型的发展趋势,而MD Nastran广泛的多学科仿真功能就允许船舶行业的用户可以准确分析一系列多学科耦合问题,对船舶的性能有一个准确、快速的预测。MD Nas-tran还能减少在单点求解环境中的数据储备量,也就减少了研发成本。CAE发展的方向是实现从管理到流程再到分析的统一平台,而MD Nastran作为核心的求解软件,首先实现了CAE分析工具的统一,这对于船舶行业日后实现CAE企业级管理奠定了基础。