德国船厂的大生意 - 文章

德国船厂的大生意

作者：安世亚太公司

再没有比豪华游轮上的服务更完美的了。每一艘顶级游轮都被不遗余力地建成一作豪华的宫殿。乘客的每一个要求，甚至是恶作剧，对乘务人员来说往往都是无条件满足的。它的豪华程度也许只有高档酒店才能与之媲美。

然而，每一艘豪华游轮都是一综大生意。它的设计必须保证在遇到海上危险时最大程度地保护乘客，包括罕见的海上风暴。此外，与其它大的投资一样，游轮必须给船主带来效益。在造船厂，必须考虑生产率和创新。

传统企业采用最新技术

德国最著名的游轮制造商－Jos. L.Meyer GmbH & Co，正致力于满足上述各方面的需求。Meyer船厂虽然是一个已经有202年的历史的传统企业，却采用目前最先进的有限元分析软件－ANSYS，对游轮的设计、制造进行分析。

Meyer船厂最有代表性的成功之处，是它最新游轮航行的平稳性。虽然振动问题永远无法彻底避免，Meyer船厂却成功地将之降到最小的程度。

船的分析绝不局限于振动问题。Meyer船厂使用ANSYS对造船的方法进行了革新。例如大胆地使用激光焊接的蜂窝钢甲板结构。ANSYS软件提供的分析和优化功能，解决了传统方法无法解决的问题。例如焊缝的收缩问题，收缩量达到1mm/m或0.1%，在船的装配时会有影响。

产品验证

据负责分析的Dieter Gritl博士透露，Meyer船厂使用ANSYS最多的是静力分析。这些分析是一些船级社规定的。这些船级社为保险公司确定对船的保险金额。著名的船级社有伦敦的Lloyd’ Register of Shipping，奥斯陆的Det Norske Veritas以及纽约的American Bureu of Ships。它们确认船的设计是否达到使用要求。

缩短生产周期

没有船级社的认证，船是无法得到保险的，这在拥挤的海洋和众多法庭面前是非常危险的。不幸的是，商业和革新的步伐超出了船级社的分析能力。应此，Meyer船厂及其同行，自己承担以前船级社的分析工作。这些船级社根据船厂提供的图纸建模，Dieter Gritl博士说，无论是使用Nastran或是Patran，这些协会通常需要三到四个月才能拿出初始结果。更糟糕的是，它们不是以电子文档提供，而只给报告，无法直接反馈到船厂的CAD系统中去。这对有2000 多员工、八个月就可以建造一艘价值5 亿美元游轮的Meyer 船厂来说，是无法接受的。Meyer船厂有世界上最大的船修，它有1215 英尺长，333 英尺宽，大约200 英尺高，足以容纳任何Meyer 船厂建造的船。

造船商最关心的是风暴对船身结构造成的应力。当一个大浪通过船的中部时，船的中部上升，船头和船尾下降，这种情况叫做中拱（见图1）。相反，当船在两个浪的波谷时，叫做中垂（见图2)。

Meyer 船厂综合考虑中拱, 中垂以及侧摆，创建了整船的3D 有限元模型（见图1、2、3）。其中使用特殊的宏TCIGES 将CAD软件CATIA 建立的模型传输到ANSYS里面。这个模型非常大，有19769个结点，46676个单元，其中有26341 个壳单元，20319 个梁单元以及16 个质量单元。一共有118602 个自由度。创建初始模型花了两个人几个月的时间，分析时采用了运算速度最快的工作站。

在Meyer 船厂，ANSYS 在SGI 的UNIX工作站上运行，它的CPU为主频为175MHz R1000。在使用ANSYS 以前，Meyer船厂依赖咨询顾问作有限元模型。邮寄图纸以及发送传真就要花费很多时间，得到有用的结果往往需要三个星期。通常需要与咨询顾问反复几次，每一次都要花费相当可观的资金。自从自己使用了ANSYS，所有工作只
需要几个小时，而且没有额外的花费。

计算速度对于分析是致关重要的。一艘游轮设计生产时间仅有8个月，期间船主及设计者几乎每天都要对设计进行改动。对于游轮，Meyer 船厂必须满足设计者对于大的公共空间的要求。这些要求包括更大的窗户、门甚至阳台。这样的游轮外观漂亮，空气通畅，却给船的结构安全性带来挑战。

船上的隔板可能被穿洞、挪位甚至整个去掉，严重影响了整船的结构的统一性。此外，船内部装饰的品位的要求，使补偿上述额外开孔变得很困难。例如使用了船口栏板和角板补强的隔板让人感觉很难看。

任何对船身结构明显的修改都需要新的分析计算。通常这种计算在设计快要结束时，以及船开始在船坞建造时结束。因此Meyer船厂必须对这个庞大的模型反复计算。由于独立使用ANSYS 进行分析计算，因此对钢结构设计的修改的反映更加迅速。这使设计提高效率，节省了时间和资金。在Meyer船厂要让分析跟上设计修改的步伐，没有自己的分析能力使无法想象的。分析的主要工作，就是确定在不同载荷工况下，船体梁的弯曲和剪切应力分布。Meyer船厂还对船的局部结构作静力分析，主要是一些由甲板覆盖的横向和纵向框架的钢梁系统。这些分析能够最优地布置门窗等结构，以减小应力集中。此外，船厂的工程师还可以通过模态分析，灵活地优化局部结构，以避免船的梁系统的共振。通常，振动最剧烈的部位在船尾，因为这里离螺旋桨最近。

一般钢梁系统的自振频率接近螺旋桨叶片的passing 频率，有发生共振的危险，因此钢梁系统被增强，增大它的自振频率，避免共振。利用ANSYS的模态分析，Meyer船厂成功地解决了共振的问题。这项改进在船的试航中根据振动测量演示给船主。这艘游轮是71000吨的Century号，它有817英尺长，106 英寸宽。它有889 个客房，可容纳2119 位乘客。它的姐妹船-Galaxy 号和Mercury号，还要长出36英尺，多出59间客房，总重73000吨，可载客2244位。这三艘游轮最高航速位21.5 节。在ANSYS和Catia的计算机屏幕上，可以看到两艘更大的船-Superstar Leo 号和Superstar Virgo 号。这两艘75000 吨的游轮将在亚洲与1000 位乘客，以24 节的速度作处女航。

大多数Meyer 船厂造的船要小得多，也没有那么豪华。这些船包括轮渡（主要为印尼）、油轮、特殊用途的船以及运载家畜的船。其中最大一艘，ALShuwaikh 号，能容纳125000 只羊。

无论是什么类型的船，Meyer船厂的设计分析部尤其关注如下工作：

■ 提供详细的甲板及横向和纵向隔板上的应力分布，以通过船级社的认证见图4、5。

■ 确定柱和梁上的载荷分布
■ 确定门、窗、阳台等大开口处、顶部结构、侧面的壳的应力集中。这项工作利用ANSYS 提供的子模型功能，将整体分析的结果很方便地传递到局部模型上，进行近一步分析，见图6。

Gritl 博士说，ANSYS 给Meyer 船厂带来的最大的好处，来自ANSYS 的容易使用、强大的前后处理、方便的在线帮助，以及子模型。船厂的工程师还喜欢ANSYS的参数化设计语言-APDL，它能用简练的、通用的方法控制模型。船厂一般使用ANSYS的结构分析，包括稳态、瞬态、动力、模态、屈曲、接触和大变形大应变等线性、非线性功能，此外实体建模、划分网格、后处理、子结构、子模型以及优化功能应用也很普遍。

Meyer船厂的经验表明，采用ANSYS对船的结构进行分析、优化，很好地满足了乘客、船主的要求。此外，为船厂节约大量成本，带来显著效益。(end)

(投稿) (2006-12-27，阅读4274次)

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