MSC对船舶和海洋工程CAE仿真解决方案

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MSC对船舶和海洋工程CAE仿真解决方案

王小宁　崔志敏爱我船舶网{^.V!|9p1@@;UVx
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摘　　要爱我船舶网(f'It7y,A3g

享誉全球船舶和海洋工程领域的世界最大工程校验，有限元分析和计算机仿真应用软件(CAE)供应商MSC公司，对船舶和海洋工程中的结构设计和分析，提出了从几何建模，结构静动力/屈曲分析，疲劳寿命预测和船体碰撞，水下爆炸影响和加工工艺仿真的全套解决方案，在世界船舶行业得到普遍应用。船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,-k9M8d)hdv)T?
关键词:MSC，船舶行业，CAE，解决方案
中图法分类号：U662.9
文章编号　2000A01-13dL0JCRl#e
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(一)　前　　言船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,*Axc.` x7c
船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,P
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　　目前全球造船业正处在复苏和逐步兴盛的上升时期，进入了一个充满机会和活力的诱人市场。随着船主和承运人对船舶性能要求的提高，全球船舶和海洋工程市场的竞争日趋激烈。毫无疑问，全球造船业机会与挑战并存，获取利润需要强有力的竞争手段和技术领先作为保障。降低设计成本，缩短产品开发周期，提供更完善的服务和维护，对法规变化的快速反应能力等，已经成为船舶和海洋工程项目成功的关键。
全球各大船级社，纷纷加大对先进CAD/CAM/CAE技术的投入，把基于计算机辅助工程的设计技术与自动化制造技术有机集成。已在相当长的时期内通过引进商用CAE软件，开发了满足规范的分析法设计要求的专用CAE系统，支持船舶和海上设施设计和建造规范的实施，为各下属船厂和生产单位提供审图依据；同时进行有关安全技术的研究试验和入级标准研究，利用引进的CAE软件，结合自编软件，为评定和仲裁船舶和海上设施的失效提供详细准确的技术依据。

在各船级社或船舶制造商选中的商用软件中，MSC Software Corporation(简称MSC)公司的软件产品倍受青睐，独享广大市场。MSC创建于1963年，总部设在美国洛杉矶，是享誉全球最大的工程校验，有限元分析和计算机仿真应用软件(MCAE)供应商，是世界最著名最权威最可*的大型通用结构有限元分析软件MSC.NASTRAN的开发者。37年来，MSC公司致力于计算机辅助工程分析、校验、仿真应用系统的开发和研究，始终领导着MCAE领域的发展方向。其产品作为世界公认的MCAE工业标准，覆盖了工程仿真分析的各个方面，广泛用于航空航天、机械制造、汽车、船舶、电子、通信、能源、冶金、材料工程、科学研究等各个工业领域，用户遍及世界100多个国家和地区的主要设计制造工业公司和研究机构。MSC公司在全球各大船厂和研发机构拥有大量用户。船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,*x&t5h+lN9R
　　MSC自1993年进入中国以来，分别在北京、成都和上海开设了办事处。MSC在中国船舶行业拥有很广的用户群，包括中国船舶工业总公司所属武汉船舶设计研究所、中国船舶科学研究中心、哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所、中国船舶及海洋工程设计研究院、上海船用柴油机研究所、武汉第二船舶设计研究所、南京船舶雷达研究所、洛阳船舶材料研究所、天津航海仪器研究所、江南造船厂、沪东造船厂和中国船级社、中国船级社上海分社、天津航海所、海军设计所以及上海交通大学、哈尔滨工程大学、华东船舶工业学院、武汉海军工程大学和天津大学等。
(二)　MSC对船舶和海洋工程CAE解决方案p9d!}iys,j
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　　1. 船舶行业对CAE分析的需求-- 25 Wang5C$i[$} zk"S!V0Cd*@{C0v
　　船舶设计和制造商及维护商需要借助CAE软件完成：(1) 按规范完成船舶结构设计，包括总体结构(应力)分析，屈曲分析，噪声和振动分析，热分析以及疲劳寿命分析。(2) 关于超越规范时因维护问题或应承运要求提出的高级咨询，或有关海事安全的技术咨询，如撞击-船-船，船-码头，货船晃动和波浪载荷的流体动力学问题等等。
2. MSC公司的CAE解决方案
MSC为船舶行业提供的解决方案是一个完整的系统，它由软件工具、技术服务和行业经验三部分组成。
MSC为船舶行业提供 cA!R)p`        _ u
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　　先进的软件只是工具，需要通过高素质，专业化的服务，才能使软件发挥最大效益；MSC在船舶行业的成功实践积累的宝贵经验，能够使后继的用户在引进CAE软件时，从行业的高起点开始，共享强手的开发思路和工具，争取同步发展。船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,LR[/j8}"B
　　从船舶行业涉及面广，专业性强，问题复杂等特点出发，非常强调引进的CAE产品的先进性，开放性，系统性和扩展性等几大特点：船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,I&c,f
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　　(1) 先进性——与国际发达的船舶工业水平相比，我国还有相当差距，所以在技术引进时一定要引进当今世界最先进和普遍采用的设计手段，以保证我们在引进的起步阶段就与国际水平同步。
(2) 开放性——船舶工业不断朝着国际化方向发展，良好的系统开放性一方面可便于与其它合作伙伴间的应用系统进行数据和技术交流；另一方面也便于设计人员根据自己的产品特点开发自己专用的应用系统。bbs.25wang.com"{*WUVX"G3]@
(3) 系统性——系统性是保证整个应用软件系统能否正常工作的关键。由于CAE的应用直接关系到整个设计的成败，因此在追求某一软件功能性的同时，应十分重视整个系统的系统性，以保证各应用之间数据的准确传递。
(4) 扩展性——系统的扩展开放性将保证设计人员可根据产品的开发需要随时开发或增加新的工具到整个系统中，保证开发的顺利进行。

MSC公司针对船舶行业需求提出的CAE解决方案的软件配置包括并行框架系统—MSC.PATRAN，结构分析仿真系统MSC.NASTRAN，流体—结构耦合仿真系统MSC.DYTRAN，高度非线性结构仿真系统MSC.MARC，以及疲劳可*性分析系统MSC.Fatigue。,I-B?5jX$Fba{ z
　　3. MCAE的并行框架系统—MSC.PATRAN船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,6M:}AZXu
　　以MSC.PATRAN为核心的框架可以方便地实现用户CAE系统的先进性、开放性、系统性和扩展性等特点。例如，由于各自设计任务的不同可以选择相应的CAD/CAM软件。MSC.PATRAN前端可直接访问包括UG、 CATIA、 Pro/E等在内的各种CAD/CAM软件数据，后端可将包括MSC.NASTRAN、 MSC.DYTRAN、 MSC.MARC、 MSC.Fatigue等应用软件及第三方结构分析软件和用户自编软件集成起来。MSC.PATRAN本身提供了有限元分析的离散模型和材料模型，边界条件以及计算结果可视化。详情见如下的配置框图： :w*F_:aDo
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图2　MSC公司关于船舶行业CAE软件引进配置框图bbs.25wang.com@:K9@k8^ h_3b5[

MSC.PATRAN的另一个特色是具有快速的图形处理和显示能力，这对完成详细的整船分析这类大模型问题，是一个非常关键的强力支持。bbs.25wang.com8@
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　　4. 结构分析软件SMC.NASTRAN
结构分析是船舶设计最为基本和重要的环节。作为世界CAE工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件，MSC.NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项，MSC.NASTRAN的主要功能模块有：基本分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等)，动力学分析模块，热传导模块，非线性分析模块，设计灵敏度分析及优化模块，超单元分析模块，气动弹性分析模块，DMAP用户开发工具模块及高级对称分析模块。MSC.NASTRAN完美的梁、板和壳单元技术，尤其适合船体结构分析。MSC.NASTRAN在结构动力学、模态综合、流体-结构耦合、优化设计、分析可*性和二次开发等方面较其它有限元分析软件相比具有很大优势。bbs.25wang.com
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　　MSC.NASTRAN全面的动力学分析包括：正则模态及复特征值分析，频响及瞬态响应分析，(噪)声学分析，随即响应和频谱分析及动力灵敏度分析等，尤为擅长处理船舶类大型系统的动力问题。船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,.B/D5DT!G`0I:aG
　　在流行的商用CAE软件中，MSC.NASTRAN具有独特和强大的流体-结构耦合分析方法包括流体-结构耦合算法，可用于声学和噪声分析；水弹性流体单元分析方法适于模拟船舶与波浪相互作用；虚质量法用于模拟船舶与流体相互作用或油箱晃动等问题。

MSC.NASTRAN具有全面的静力、模态、屈曲、瞬态响应、频率响应、气动弹性和颤振分析的设计灵敏度和优化分析功能。其优化分析既可完成用于概念设计的拓扑优化，又能完成用于详细设计的形状和尺寸优化，是船体结构或轮机设备减重设计的理想工具。-- 25 Wang je3zMh/l^x
　　作为开放式体系结构MSC.NASTRAN的开发工具DMAP语言(Direct Matrix Abstraction Program)有着30多年的应用历史，它不同于其它软件所用的宏命令语言，可深入MSC.NASTRAN的内核。一个DMAP模块可由成千上万个FORTRAN子程序组成，并采用高效的方法来处理矩阵。实际上MSC.NASTRAN是由一系列DMAP子程序顺序执行来完成的。DMAP能帮助用户改变或直接产生新的求解序列，通过矩阵的合并、分离、增加、删除、或将矩阵输出到有限元后处理、机构分析、测试相关性等一些外部程序中，DMAP还允许在MSC.NASTRAN中直接执行外部程序。另外，用户还可利用DMAP编写用户化程序，操作数据库流程。例如，通过DMAP语言，可将船的虚质量加到MSC.NASTRAN中。在日本，日立造船已经有过成功实践。在中国，通过国内的DMAP专家和波浪载荷研究领先单位如天津大学建工学院(MSC公司的技术支持中心)的合作，已经能够方便实现这一功能。$~
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　　MSC.NASTRAN在1997年已成为中国船级社指定的船舶分析验证软件(CCS/CC(1997)118附件)，并在船舶行业各研究所，船厂和高校，得到广泛应用。爱我船舶网/eisMH7Wu)^
　　在日本、韩国、美国和英国等各船级社及船厂，MSC.NASTRAN已经成为用分析法设计和校核新船结构的基本结构分析工具。
5. 安全性仿真软件MSC.DYTRAN
MSC.DYTRAN是非线性瞬态动力响应仿真软件，适于结构瞬时非线性响应和流体-结构耦合作用分析，可分析船体与船体间的碰撞，船体与码头间的碰撞，油舱晃动，水下爆炸对船体结构的冲击等瞬态过程。目前还没有一个商用软件具有MSC.DYTRAN所有的独特的流体-结构耦合功能，能够准确地直接模拟波浪与船体的相互作用。船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,#J8g,e.Bc s1W?*?
　　在亚太地区，有很多船舶用户在船舶设计中应用MSC.DYTRAN，也在船舶和海洋工程咨询项目中以MSC.DYTRAN作为软件工具。
6. 高度非线性分析软件MSC.MARC船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,.ApU k"U        Jn
　　高度非线性的结构分析软件MSC.MARC提供对船体或零部件的高度非线性静动力，屈曲分析和热分析，以及断裂失效分析，并能模拟船舶零部件的压力加工、焊接和热处理等加工工艺过程和组装过程。船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,$b]$m.WIe9K5hA
　　在日本Class NK, MSC.MARC被用于评定船体加筋部件高应变区表面裂纹的裂尖张开位移，以及船体受水冲击压力下的非线性屈曲和断裂。
7. 疲劳和可*性仿真软件MSC.Fatigue
MSC.Fatigue是通过计算机的疲劳耐久性仿真技术的最具代表性主导仿真工具，可进行初始裂纹分析、裂纹增长分析、焊接寿命分析、整体及局部寿命分析、疲劳优化等，在全球航空航天、汽车、铁道和船舶行业受到广泛认可。
由于船舶和海上设施在各种复杂的环境中反复长期使用，船体和轮机部件有可能在冲击或循环载荷作用下发生断裂破坏从而造成重大海上事故。以往主要通过大量试验来判别，不但耗时长而且很不经济。利用MSC.Fatigue软件，可以非常经济和有效地对结构完整性，安全性和可*性及服役寿命给出评定。-- 25 Wang2I
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　　8. 用户自编软件及应用系统
MSC.PATRAN除了为通用的CAD/CAE/CAM软件提供完整的集成环境外，还为用户在此基础上开发专业化应用系统提供了方便条件。MSC.PATRAN宏命令语言(PCL)是MSC.PATRAN提供的综合程序语言和自定义工具，类似于C语言，可用于生成应用程序或特定的用户界面。显示自定义图形，读写MSC.PATRAN数据库，建立新的或增强功能。通过PCL，其它商品化或自编分析程序可被集成到MSC.PATRAN软件系统中。用户可利用MSC.PATRAN的PCL工具按照任务的要求建立自行的快速建模、分析、和可视化系统，同时也可将自己的应用软件挂*在MSC.PATRAN环境下与其它分析仿真工具共享资源。如美国Electric Boat, ABS, Bath iron和Newport News等公司，以MSC.PATRAN为开发平台，以MSC.PATRAN和集成的自编软件为求解器，开发了船舶结构专用快速建模和分析系统。在欧洲的Lloyds和Vickers，也有超过50套MSC.PATRAN作为前后处理界面，利用MSC.PATRAN方便灵活的用户化特点，构造专用仿真系统，集成自编软件。 bbs.25wang.com.K)S3\ anK&s3xZ&R L/M;V
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(三)　MSC在船级社的应用爱我船舶网1S
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作为MSC的长期用户，船舶工业规范制定和实施监控机构的各大船级社，例如英国Lloyds、德国Lloyds、美国ABS、日本Class NK、中国船级社CSS、韩国KR等世界级船级社，都在MSC提供的商用CAE软件平台上，开发了用于结构分析的专用软件系统，对船舶结构进行直接强度计算。bbs.25wang.com
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　　其中的日本Class NK，早在70年代就引进MSC.NASTRAN作为船体结构分析的核心求解器。1994年MSC收购世界第二大有限元软件公司PDA并发布基于并行工程的前后处理界面MSC.PATRAN后, MSC.PATRAN又在Class NK落户。MSC公司产品成为Class NK为下属船厂提供一流船舶结构完整性设计和安全性服务的主导工具。例如，Class NK在1989年启动了一个按NK规范和直接强度计算指南，能够在一周内快速完成船体结构有限元分析的高级船体结构分析支持系统NASTASS，该项目于1994年完成。该系统由数据生成系统，有限元分析系统和设计评定系统三部分组成，其中MSC.NASTRAN作为求解器，被集成到自编的前后处理器中，对常规油轮、双层油轮、集装箱船、散装货轮等船体结构完成应力和屈曲评定。这套系统由于具备参数化建模和革命性的自动识别结构部件位置和连接关系的结构编辑定位技术，加上NASTRAN快速可*的分析，成为非常先进和高效的船体结构分析支持系统。
之后，Class NK又在1994年，启动了一项高级结构分析和振动系统ASSAS项目，为船体结构从设计到失效的全寿命期间提供完整评估，包括从波浪载荷计算到局部强度评估的一系列分析，能够输出与屈服应力，屈曲和疲劳寿命等相关的评估结果，这套系统集成了最先进的商用求解器和自编软件，其中的MSC.NASTRAN作为结构分析的主要软件完成线性、非线性和动力分析。该系统成为Class NK支持走在规范之前的设计和技术服务的有力工具。爱我船舶网0Glk-@
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　　此外，Class NK的船体结构振动分析支持系统HSVAS，也是基于MSC.NASTRAN的动力求解能力开发的。船舶,船舶工程技术,音乐,中国摇滚乐,摇滚,技术,放样,船舶重工,船舶企业,船舶学校,
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　　在美国ABS，1993年发布的动态船舶设计和结构评定系统SAFEHULL，是对ABS历史上140年沿用的传统船舶设计和评定方法的一次革命性突破。SAFEHULL系统运行在Windows平台下，将新的强度评定准则，船舶几何建模，各类载荷计算和有限元分析系统集成一体，能够快速设计和评定散装货轮，油轮和集装箱船。SAFEHULL系统的有限元分析软件采用MSC.NASTRAN。自1993年发布以来，经过多次版本更新和升级，成为船级社中非常有影响力的船舶设计和评定系统。
  在其他世界领先船级社的分析法设计、设计更新、设计咨询中，代表世界最新CAE技术成果，经过严格质量认证的MSC公司软件产品MSC.NASTRAN, PATRAN, NSC.DYTRAN, MSC.MARC和MSC.FATIGUE等，也同样发挥着重要作用，在此不再赘述。f3O-R$J\Ya

王小宁（美国MSC公司）
崔志敏（美国MSC公司）