基于 PCL 的集装箱船屈服强度校核工具开发

刘 俊，黄 铭

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心 船海协创中心，上海 200240；3. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

基于 PCL 的集装箱船屈服强度校核工具开发

刘 俊1,2，黄 铭3

(1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心 船海协创中心，上海 200240；3. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

为了保障集装箱船船体结构的安全，在设计阶段常常需要根据规范要求进行直接分析并进行整体和局部强度的校核。由于船舶运行的载荷和必须考虑的工况复杂，同时各种工况下船体结构不同部位和不同构件的校核许用水平不一，无法直接借助通用软件的后处理功能直观判断构件是否满足要求。本文基于 PCL 语言，针对中国船级社集装箱船屈服强度校核要求，经过二次开发实现了许用应力以及衡准值的自动计算，并通过云图、三色图以及报告直观输出校核结果，该工具有助于对设计结果的快速反馈。

集装箱船；PCL；直接计算；强度校核

0 引 言

集装箱船是三大主力船型之一，以其装卸快捷、航速高、货物安全性好等特点，受到了国际运输市场的青睐。集装箱船装载标准规格的集装箱，通常采用垂向直壁式结构，货舱口几乎和货舱等宽，这种开口显著削弱了船的抗弯、抗扭和横向强度，为了保障船体结构的安全，在设计阶段常常需要根据规范要求进行直接分析，并进行整体和局部强度的校核。由于船舶运行的载荷和工况复杂，同时各种工况下船体结构的应力许用水平因其部位和构件类型的不同而各异，尽管现有通用软件后处理功能很强大，应力以及变形都可以直观显示，但无法快速判断构件是否满足强度要求。

MSC. PATRAN & NASTRAN 是船舶结构分析领域的基准软件，国际船级社协会的大部分成员认可采用

Nastran 软件作为船舶分析的验证软件[1]。众多研究者利用该软件高度的集成能力和良好的适用性，采用PCL 语言进行了二次自主开发，宋亚玲等[2]实现了扣除腐蚀余量、荷载计算、施加疲劳荷载、提取结果及分析的自动化，唐旭东[3]利用 PCL 语言编写程序来计算船体剖面惯性矩、剖面模数及中和轴位置等剖面特性，冯国庆等[4–5]初步实现散货船以及舰船强度评估的自动化，刘玉川等[6]开发了中国船级社有限元直接计算软件 CSR-DSA.，这些成果集成在 PATRAN 中，扩展了软件的功能，增加了分析以及前后处理的效率。

为了满足快速分析反馈需要，本文采用 PCL 语言，基于中国船级社（CCS）《集装箱船结构强度直接计算指南》（后文简称 CCS 指南），在 MSC. PATRAN 进行二次开发，不需要手动定义许用应力，实现了集装箱船整船以及舱段直接有限元分析屈服强度的快速自动校核。

1 PCL 语言简介

PCL 为 Patran Command Language 的缩写，类似 C语言和 Fortran 语言，包含一般高级语言具有的大部分数据类型，提供了大量的函数。运用 PCL 语言可以对Patran 进行二次开发，如根据需要创建用户界面和数据库、为设计或者优化创建参数化模型、在 MSC.Patran中集成商业或者用户开发的分析代码、显示用户定义图形、读写 MSC.Patran 数据库、创建新的或者改进MSC.Patran 功能、分析文件的数据库管理以及排除单调、重复的流程等。用户完成开发后，可以通过在“init.pcl”文件中加入相关语句实现开发功能的自动调用[7]。

2 集装箱船校核要求及本系统功能

2.1 集装箱船校核要求

CCS 指南分别对集装箱船整船以及舱段直接分析的校核作了相关规定。

集装箱船整船分析的计算工况一般由静水工况和最大垂向波浪弯矩（LC1）、最大水平波浪弯矩（LC2）、L/2 处最大扭矩（LC3）、3L/8 处最大扭矩（LC4）、5L/8 处最大扭矩（LC5）等波浪载荷工况组合而成，一共 5 个。屈服强度分析的许用应力要求见表 1[8]。表中 σe与 τ 分别为 Vonmises 等效应力和剪应力。

集装箱船舱段分析考虑中间 1 个 40 ft 箱位空舱、船舶横倾中间 1 个 40 ft 箱位空舱、船舶横倾、船舶纵荡 4 种情况，各种情况下根据需要分别考虑不同货舱内和舱盖上的集装箱载荷作用，组合之后一共是 9 个计算工况。舱段分析的屈服强度校核远较整体分析繁琐，不同工况下分别有等效应力、剪应力、船长/船宽/型深单主应力等不同校核量要求，而应力许用值的大小与构件种类、计算工况、材料屈服强度以及校核量等因素都相关[8]，相较整船校核复杂很多，具体要求如表 2所示。表中，σL为船长方向正应力；σW为船宽或船深方向正应力；τ 为腹板总高度（或总深度）内的平均剪应力；κ 为高强度钢系数。

表1 整船分析许用应力Tab.1 Allowable stresses of global analysis

表2 舱段分析船体构件各工况下的许用应力Tab.2 Allowable stresses of cargo tank structural strength analysis

由表 1 和表 2 可知，依据 CCS 指南对集装箱船进行结构屈服强度校核时，应力许用值大小需要依据多

种因素确定，直接计算完成之后，虽可借助后处理功能直观看到结构的应力分布，却无法快速判断构件是否满足屈服强度要求，手工校核繁琐而且容易出错。

2.2 构件衡准值的定义及系统功能

定义构件衡准值 R 为有限元应力计算值和许用值比值，即：

可以知道，当 R ＜ 1 时，构件满足屈服强度要求，所以衡准值 R 的大小直接反映构件是否满足屈服强度要求。本文开发系统基于 CCS 集装箱船强度指南，实现了衡准值 R 的云图和三色图直观显示以及报告的输出、查看功能。其中衡准三色图中，R 大于 1.2 的单元显示为黑色，R 在 1.0 ～ 1.2 之间显示为红色，R 在 0.8 ～1.0 之间显示为绿色，R 小于 0.8 显示为浅蓝色，通过三色图可以快速找到不满足规范要求的构件（黑色和红色显示单元）。另外，衡准结果还可通过报告形式输出，并能选择只输出衡准值大于某一过滤值的结果，同时报告中会给出相应单元的位置坐标及属性名称，便于定位需要加强的构件。

与冯国庆、刘玉川[4–6]等的工作不同，本软件系统不需要手动定义许用应力，而是直接从数据库读取设计阶段的材料屈服强度设计值，根据所选择的校核工况、构件名称、应力校核量的类型等条件，按照指南要求（见表 1 和表 2）自动计算许用应力，进而通过与计算应力对比得到衡准值；此外，衡准结果可分别以云图、三色图和报告 3 种方式输出，使用者能迅速判断结构是否满足屈服强度要求，从而对设计进行快速反馈。软件使用简单方便、反馈直观。

3 程序组成及界面

本系统核心部分包括有限元分析校核量的提取、相应构件许用应力值的计算、衡准值计算、衡准结果图形和报告输出。其主要界面及相互之间关系分别如图 1 和图 2 所示。

校核时，首先在“设置”“条件”界面选择船级社，船型，有限元模型范围以及有限元分析采用的应力单位等校核条件，合成工况 LC1G-3G 的结果；然后进入“创建”界面，根据需要选择创建对象，创建对象可以是“云图”、“三色图”或是“报告”，确定具体校核计算工况、校核量，校核构件以及是否考虑应力集中等，根据要求创建云图、三色图或报告；另外，可进入“查看”“报告”界面，查看创建的报告或是其他文本文件。

图1 系统主要界面Fig.1 Main interfaces of the strength assessment system

图2 系统主要界面之间的关系Fig.2 Relationship between the main interfaces

在操作过程中，如果发现条件设置有误，可随时返回条件设置界面重新设置。

4 示 例

采用本系统对某集装箱船进行强度校核，其中工况 3 下外底板部位船长方向正应力云图如图 3 所示，得到的衡准值云图和三色图以及输出报告（定义只输出 R ＞ 0.9 的单元信息）如图 4 ～ 图 6 所示。与手动校核结果对比表明，使用本系统快速准确。

图3 外底板船长方向正应力云图Fig.3 Nephogram of σLof outer bottom

图4 外底板船长方向正应力衡准云图Fig.4 Nephogram of RσLof outer bottom

图5 外底板船长方向正应力衡准三色图Fig.5 Three color diagram of RσLof outer bottom

图6 外底板船长方向正应力衡准报告Fig.6 Report of RσLof outer bottom

5 结 语

本系统根据中国船级社指南对 MSC.Patran 进行二次开发，从数据库读取设计阶段的构件材料屈服强度值，可直接根据设置自动计算构件应力许用值，结合集装箱船直接分析的数值结果，从而得到衡准水平并以云图、三色图或是报告的形式输出。借助本系统，可快速直观进行屈服强度校核并及时对设计方案提出反馈意见和建议。

[1]袁晓兵. MSC助力数字化造船[J]. 中国制造业信息化, 2005, 34(7): 57–59. YUAN Xiao-bing. MSC boost digital shipbuilding[J]. Design and Manufacturing Engineering, 2005, 34(7): 57–59.

[2]宋亚玲, 吴剑国, 林勇. 基于热点应力法的船舶结构疲劳分析系统开发[J]. 船舶, 2012, 23(3): 34–39. SONG Ya-ling, WU Jian-guo, LIN Yong. Development of huh structure fatigue analysis system by hot spot stress method[J]. Ship & Boat, 2012, 23(3): 34–39.

[3]唐旭东. 利用PCL语言查看船体剖面特性[J]. 船舶, 2011, 22(3): 27–29. TANG Xu-dong. Examination on hull section characteristics with PCL language[J]. Ship & Boat, 2011, 22(3): 27–29.

[4]冯国庆, 赵南, 任慧龙, 等. 基于PCL的散货船直接强度评估系统开发[J]. 船海工程, 2011, 40(2): 5–8. FENG Guo-qing, ZHAO Nan, REN Hui-long, et al. Development of direct strength assessment system for bulk carrier based on patran command language[J]. Ship & Ocean Engineering, 2011, 40(2): 5–8.

[5]冯国庆, 任慧龙, 李辉, 等. 基于PCL的舰船结构强度评估系统开发[J]. 舰船科学技术, 2010, 32(5): 18–23. FENG Guo-qing, REN Hui-long, LI Hui, et al. Development of the structural strength assessment system for warships based on patran command language[J]. Ship Science and Technology, 2010, 32(5): 18–23.

[6]刘玉川, 金立明, 王丽荣, 等. 中国船级社有限元直接计算软件CSR-DSA[J]. 计算机辅助工程, 2010, 19(2): 13–15. LIU Yu-chuan, JIN Li-ming, WANG Li-rong, et al. Direct finite element computation software CSR-DSA of China classification society[J]. Computer Aided Engineering, 2010, 19(2): 13–15.

[7]MSC. PCL and customization for MSC. Patran v9.0[Z]. Beijing: MSC, 2001.

[8]中国船级社. 集装箱船结构强度直接计算指南(2005)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

Developing of strength assessment system of container ship based on Patran command language

LIU Jun1,2, HUANG Ming3
(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, CISSE, Shanghai 200240, China; 3. School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Strength assessments of the hull structure using finite element FE analysis are usually required during design process to ensure the structural safety of the Container Ship. Since allowable stresses are depended on many factors, such as the scope of the FE model, material yield strength, load cases, position of the component and the kind of the stress etc, it is difficult to judge if the stresses level of the structural components meet the strengthen criterion, although the stresses distribution can be displayed with the Postprocessor module of the software. Based on the MSC.Patran, a tool has been developed to calculate the allowable stresses and assessment results, moreover to output the nephogram, three color diagram and report of assessment values with PCL, and it is helpful to obtain the feedback to designer after structure analysis conveniently and rapidly.

container ship；PCL；direct calculation；strength assessment

U 661.4

A

1672 – 7619(2016)11 – 0061 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.012

2016 – 03 – 02；

2016 – 04 – 13

刘俊(1971 – )，女，博士，副教授，从事计算结构力学以及岩土工程数值方法研究。