基于AQWA的游艇水動力分析方法

1、.基于AQWA的游艇水動力分析方法-機(jī)械制造論文基于AQWA的游艇水動力分析方法 撰文/ 廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院 黃斯慧 呂鴻冠 黃技 李志安利用海洋工程水動力分析軟件AQWA，在線性波浪條件下對一艘游艇進(jìn)行水動力分析，得到該游艇在不同海浪入射方向上的轉(zhuǎn)動力矩及船體外板應(yīng)力的時域變化規(guī)律，為游艇的前期設(shè)計及建造過程提供一種思路。一、引言游艇是一種新型的高級水上娛樂消費(fèi)品，它集日常居家、海上觀光和休閑娛樂等功能于一身，滿足個人及家庭享受生活的需要。我國的游艇產(chǎn)業(yè)發(fā)展只有十幾年，相對歐美等發(fā)達(dá)國家，我國的游艇建造技術(shù)仍然處于相對落后的階段。但是，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，游艇產(chǎn)業(yè)形勢日益樂觀，特別是對

2、于富裕階層的消費(fèi)者，游艇已經(jīng)成為必不可少的娛樂消費(fèi)品。由于游艇是一種較新的海上航行器，目前大部分船舶建造規(guī)范仍然不涉及游艇領(lǐng)域。直到近幾年，中國船級社CSS 頒布了游艇入級與建造規(guī)范等文件，才讓游艇的建造過程相對規(guī)范化。但是，由于游艇結(jié)構(gòu)的特殊性及功能的定制性，當(dāng)面對廣大消費(fèi)者的獨(dú)特設(shè)計需求時，游艇的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與航行性能一直困擾著游艇工程師。因此，尋找一種新的計算游艇水動力性能的方法對我國的游艇產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及游艇的安全性能有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。二、AQWA 簡介AQWA 是一款海洋工程水動力性能的計算軟件，在日常的生產(chǎn)設(shè)計中，AQWA 主要用于滿足各種結(jié)構(gòu)流體動力學(xué)特性評估相關(guān)分析的需求。AQWA 的

3、分析范圍從桅、桁到FPSOs，從TLPs 到半潛水系統(tǒng)，從停泊系統(tǒng)到救生系統(tǒng)，從漁船到大型船舶以及結(jié)構(gòu)與流體間交互作用。AQWA 的計算模塊覆蓋流體分析的全部范圍：AQWA-LINE 主要用于分析流體的衍射、輻射（包括淺水效應(yīng)）；AQWA-FER 主要用于分析具有隨機(jī)波的頻域；AQWA-DRIFT 主要用于分析具有隨機(jī)波（包括慢漂流）的時域；AQWA-NAUT 主要用于分析具有寬大波的非線性時域；AQWA-LIBRIUM 主要用于分析包括停泊線的靜動穩(wěn)定性。最后所有的模塊集成于強(qiáng)大的前后處理器AQWA圖形超級用戶界面。因此，AQWA 作為一款專業(yè)的海洋工程水動力分析軟件，在海洋航行器及海洋平臺

4、的結(jié)構(gòu)設(shè)計中一直具有不可取代的地位。游艇產(chǎn)業(yè)作為一種新興的產(chǎn)業(yè)，目前市面上AQWA 水動力分析在游艇設(shè)計中的應(yīng)用十分稀少。由于游艇自身結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致目前的船舶建造規(guī)范并不適用于游艇建造，即使近幾年中國船級社（CSS）頒布了有關(guān)游艇設(shè)計與建造的規(guī)范文件，但對于可定制性非常強(qiáng)的游艇來說，規(guī)范更新的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于游艇結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的速度，因此，通過較為成熟的水動力分析軟件AQWA 輔助游艇的設(shè)計與建造具有實(shí)際的工程意義。三、分析流程1. 分析模型簡介該模型是一艘小型游艇，船長12.8m，型寬4.5m，型深2.5m，吃水0.8m，設(shè)計水線11.0m，游艇的Rhino 渲染圖、型線圖、總布置圖如圖1 3 所

5、示。 2.AQWA 分析流程（1） 建立分析項(xiàng)目。啟動ANSYS Workbench，在Toolbox 中的Analysis Systems 找到HydrodynamicDiffractions，雙擊或拖曳到Project Schematic，并將游艇的模型IGS 文件導(dǎo)入Geometry，如圖4、5 所示。 （2）設(shè)計水線定義導(dǎo)入的模型為1：10 的縮小模型，分析前應(yīng)該將模型的大小調(diào)整為實(shí)船大小。在菜單欄里依次選擇Create-Body Transformation-Scale，將模型縮放比例改為10；再依次選擇Create-Body Transformation-Translate，將模型

6、移動到XY Plan 以下0.8m 處，操作過程如圖6 所示。 模型調(diào)整完畢后， 依次點(diǎn)擊Create-Slice， 以XYPlan 為切割基準(zhǔn)面對模型進(jìn)行切割，如圖7 所示。（3）模型整理。將船殼上半部分命名為UpperHull，下半部分命名為LowerHull，并從這兩部分建立Part，以保證生成網(wǎng)格的連續(xù)性，這部分工作十分重要，如果不進(jìn)行此項(xiàng)操作，則會導(dǎo)致后期的網(wǎng)格劃分失敗，操作如圖8 所示。 至此，模型的前期處理工作已經(jīng)完成，退出Geometry界面，進(jìn)入Model 進(jìn)行有限元網(wǎng)格的建立。（4）質(zhì)量點(diǎn)定義。AQWA 中默認(rèn)將船體的重量集中于一個質(zhì)量點(diǎn)（Point Mass），這個點(diǎn)與重

7、心重合，且集中了整船的質(zhì)量。定義質(zhì)量點(diǎn)后，一共有四個參數(shù)需要手動設(shè)置，其中重心高度根據(jù)型線圖及總布置圖計算得到，另外三個參數(shù)根據(jù)表計算得到，參數(shù)計算結(jié)果如圖9 所示。 （5）網(wǎng)格劃分。選擇Tree 中的Mesh，在Details ofMesh 中的Defeaturing Tolerance 中輸入0.1， 在MaxElement Size 中輸入0.2，其他選項(xiàng)默認(rèn)，點(diǎn)擊Generate生成網(wǎng)格。網(wǎng)格參數(shù)如圖10 所示，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖11 所示。 （6） 波浪定義。點(diǎn)擊Tree 中的Wave， 選擇WaveDirection，將波浪方向定義為360°，其它參數(shù)保持默認(rèn)，如圖12 所

8、示。點(diǎn)擊Tree 中的Wave， 選擇Wave Frequency， 將Details of Definition 中的Highest Frequency Definition 與Lowest Frequency Definition 選項(xiàng)改選為ManualDefinition，在Lowest Period 中輸入25；Shortest Period中輸入15。點(diǎn)擊Generate，完成波浪周期的設(shè)置。波浪周期的詳細(xì)設(shè)置參數(shù)如圖13 所示。 四、分析結(jié)果展示所有參數(shù)設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊Solve 進(jìn)行求解。船體外板濕表面壓強(qiáng)的時域分布如圖14 16 所示，不同波浪入射方向下船體各個自由度上收到的波浪力矩如圖17 所示。 五、結(jié)語本文利用AQWA 對一艘游艇進(jìn)行水動力分析，并對詳細(xì)的分析流程進(jìn)行展示和介紹。通過上述分析可以看出，AQWA 作為一款成熟的海洋工程水動力分析軟件，在進(jìn)行游艇分析時，具有一定的優(yōu)勢。（1）基于ANSYS Workbench 平臺的操作，將分析流程規(guī)范化、參數(shù)化，從而大大降低了分析難度與精度。（2）AQWA 的模