VB.NET和NASTRAN混合编程在船体梁振动计算中的应用

周清华，肖蕾，耿厚才

(江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

VB.NET和NASTRAN混合编程在船体梁振动计算中的应用

周清华，肖蕾，耿厚才

(江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

以Visual Studio.NET为开发平台，基于VB.NET和NASTRAN采用混合编程的方法开发适用于方案设计阶段的船体梁振动计算软件。通过图形化用户界面控制参数的选择和输入实现船体梁垂向振动经验估算、附连水质量计算、一维梁有限元模型的参数化建模、后台调用NASTRAN计算船体梁垂向和水平振动，以及固有频率和模态振型自动提取等功能。以35 000 m3液化乙烯运输船为例，对比软件计算值与经验估算值和整船三维有限元分析值，结果表明，该软件对于低阶船体梁振动计算具有良好的可靠性和实用性。

VB.NET；NASTRAN；一维梁；模态分析；垂向振动

船体振动水平直接影响到人员的舒适性、设备的可靠性以及结构的安全性，船舶振动预报与减振降噪已成为船东、船厂和船级社亟待解决的难题。方案设计阶段作为船体总振动控制的最佳阶段，在确定船舶尺度、装载和推进方案时需考虑避开主船体的低阶共振。如何准确地获得船体梁自由振动特性，对于采取合理的设计方案和减振措施，避免船体梁与主要激励源发生共振是至关重要的。

目前船体梁的振动计算方法主要有经验估算法和数值解法。经验估算法基于实测数据统计分析，适用于剖面惯性矩、质量分布等重要参数尚未确定的合同设计阶段，可为方案设计提供参考[1]；在数值解法中，计及流固耦合的三维有限元方法主要用于详细设计阶段的强迫振动响应评估，计算精度较高，但数据大，耗时多，难以在一般工程设计中应用[2]。船舶是由板梁组合而成的空心薄壁箱型结构,工程上常将船体简化为梁模型，运用迁移矩阵法或一维梁有限元法计算船体梁低阶振动的固有频率，不同计算方法的计算结果是非常接近的[3]。其中，一维梁有限元法将船体梁有限元离散化为多自由度振动方程，采用有限元分析程序进行模态分析。该方法简单实用，但要求技术人员具备相关的力学知识和操作技能。为了减少在模型创建、参数定义和分析设置等前处理阶段花费过多的时间和精力，提高船舶振动性能评估的自动化程度，笔者基于一维梁有限元法，将NASTRAN强大的模态分析功能和Visual Basic.NET(简称VB.NET)在图形化用户界面设计的优势相互结合，开发一款操作简单、实用性强的船体梁振动计算软件(HGVAS)。

本软件主要分为3个功能模块：船体梁垂向振动经验估算、附连水质量计算和一维梁有限元分析，计算工作流程见图1。

1 计算原理

1.1 船体梁垂向振动固有频率经验估算

基于均直梁的弯曲理论，采用经验公式估算首阶垂向振动固有频率，主要经验公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:fv为首阶垂向振动频率，Hz；Iv为船舯剖面惯性矩，m4；Δ为排水量，t；L为船长，m；C为统计系数；B为型宽，m；D为型深，m；ΔV为包括附连水质量的船舶总质量，t；α，β为船型修正系数；f0为母型船的船体固有频率；I0、Δ0和L0为母型船的舯剖面惯性矩、包括附连水质量在内的船体总质量与船长。

二阶及以上垂向振动固有频率为

(5)

式中:一般货船k=0.845，散货船k=1.0，油船k=1.02；i为船体梁振动阶数。

1.2 附连水质量计算

船体梁的质量由船舶的有效质量与附连水质量两部分构成。船舶的有效质量包括船体结构的净质量与船上货物、油水及设备等质量。附连水质量采用刘易斯图谱法计算。在软件中，采用等效密度的形式将船体梁的质量平摊至各段船体梁。

前5阶总振动各个剖面处单位长度上的附连水质量分别为[4]

垂向振动mav=0.5πavCvKiρb2

(6)

水平振动mah=0.5πahChKiρd2

(7)

式中：av为浅水修正系数；ah为狭航道修正系数；Cv、Ch为垂向、水平振动时的附连水质量修正系数；Ki为三维流动修正系数；ρ为海水密度，t/m3；b、d为计算剖面处的水线半宽和吃水，m。

1.3 一维梁有限元法

一维梁有限元法把船体梁离散为若干个通过节点连接的梁单元，对第n段梁建立平衡方程式[5]

(8)

将梁单元的质量等效到两端节点，形成节点质量矩阵mi、mj，利用达朗贝尔原理考虑惯性力；将外力等效至两端节点，形成节点外载荷Pi、Pj。第j个节点的平衡方程式为

(9)

组合所有节点的平衡方程式，代入式(8)可得船体梁一维梁有限元分析的振动控制方程

(10)

式中:M、K为船体梁总质量矩阵、总刚度矩阵。

解式(10)可求得船体梁的圆频率ω和振型。

NASTRAN提供了两种质量矩阵形式，即集中质量矩阵和耦合质量矩阵。相比于集中质量矩阵，采用耦合质量矩阵的梁单元既有平动分量，又有转动分量，计算结果更加精确。NASTRAN默认的质量矩阵为集中质量，在模型文件中写入PARAM,COUPMASS,1即可选择耦合质量矩阵。

2 HGVAS软件的开发

2.1 VB.NET参数化建模

采用参数化建模方式创建一维梁有限元模型，由于计算考虑了前3阶垂向和水平振动，需创建1个干模态和6个湿模态计算模型，湿模态模型文件可以基于附连水质量计算的结果自动生成。VB.NET文件的输入或输出是通过流来实现，System.IO名称空间提供了用于文件和流操作的各种类型[6]。在软件中主要利用Directory类、File类和StreamWriter类，实现目录建立、文件建立和字符写入等操作，主要方法如下。

2.1.1 创建模型文件

1)利用Directory.CreateDirectory方法在程序当前路径下建立目录，用于存放模型文件，以便数据管理。

代码如下：

Directory.CreateDirectory(Application.StartupPath & "vib_model")

2)创建一个文件流sw，该对象在上述目录下利用File.CreateText方法创建模型文件。

代码如下：

Dim sw As StreamWriter=File.CreateText(path_dryM)

2.1.2 写入模型数据

利用StreamWrite.WriteLine方法向文本流中写入模型数据，包括分析控制参数、单元类型和属性、材料属性和单元节点位置信息。

部分代码如下。

Using (sw)

sw.WriteLine("SOL 103")

……

sw.WriteLine("ENDDATA")

2.2 VB.NET调用NASTRAN

1)调用NASTRAN求解。VB.NET中有丰富的函数调用功能，允许用户不但可以调用内部函数，还可与基于Windows的应用程序无缝集成，利用Shell函数实现后台调用NASTRAN求解。其中，path_nastran为NASTRAN执行文件的安装路径，AppWinStyle.NormalFocus为指定NASTRAN后台运行时的窗口样式。

代码如下：

Shell("path_nastran&" "&path_dryM", AppWinStyle.NormalFocus)

2)判断NASTRAN计算是否结束。通过判断是否存在临时文件.aeso，检查NASTRAN是否运行完毕，部分代码如下。

Do

If (Not File.Exists(drym.aeso)) Then

File.Delete(Application.StartupPath & "drym.DBALL)

End If

Loop Until File.Exists(Application.StartupPath & "drym.DBALL)=False

2.3 VB.NET后处理

1)提取固有频率。使用StreamReader类的ReadLine方法逐行读取结果文件，并将相关数据存入相应变量中。

部分代码如下：

Dim sr_drym As StreamReader=New StreamReader(Application.StartupPath& "drym.f06")

row0_drym=sr_drym.ReadLine()

2)图形绘制模态振型。模态振型的绘制分为两步：

①创建Graphics对象，即建立一块画布。

部分代码如下：

Form1.PictureBox1.Image=Nothing

Dim bm1 As New Bitmap(wid1, hgt1)

Dim g1 As Graphics=Graphics.FromImage(bm1)

②使用Graphics对象提供的DrawLine、DrawString、DrawCurve等方法绘制直线、曲线、标注文字等。

部分代码如下：

g1.DrawLine(pen,30,100,290,100)

g1.DrawString("z",f,Brushes.Black,0,90)

g1.DrawCurve(pen,Points_v1)

部分窗口界面见图2和图3。

3 实船计算与分析

选取江南造船(集团)有限责任公司自主研发设计和建造的35 000 m3液化乙烯运输船为应用对象，实船主要参数如下：垂线间长176 m；船宽29.6 m；型深19.4 m；结构吃水11.0 m；设计航速16 kn，以满载出港为计算工况。在进行比较分析时，选取了较为精确的整船三维有限元法，其计算模型和典型垂向振动振型见图4和图5。表1为考虑了附连水质量的垂向振动计算结果。

对于本例中的垂向振动，经验估算法的计算结果离散度较大，这是由目标船型的特点而造成的，刚度和重量分布与经验公式的统计船型有所不同，因而导致结果存在差别。以均值为比较对象，HGVAS计算的前3阶频率与之偏差分别为2.46%、3.91%和6.78%。计算结果表明，一阶频率的计算结果最为接近，随着振动阶数的增加，偏差逐渐增大。这是由于高阶振动时节点的间距逐渐减小，已接近或小于船宽，梁横截面发生翘曲，此时不仅要考虑弯曲变形，还应考虑剪切滞后效应的影响。剪切滞后效应导致构件有效宽度减小，船体梁弯曲刚度下降，并且随着振动阶数的上升而明显增加[7]。由于HGVAS未考虑剪切滞后效应的影响，致使其一阶以上固有频率的计算值均略高于均值和三维有限元分析值。

表1 垂向振动计算结果比较

4 结论

利用VB.NET和NASTRAN混合编程，设计开发了一套界面友好、操作简单、计算快速、结果直观的船体梁振动计算软件，实现了计算参数的交互输入和分析结果的可视化输出，技术人员无需专业的有限元知识即可运用该软件完成低阶船体梁总振动计算，且前三阶固有频率的计算误差在7%以内，可以满足工程应用的要求，并有效地提高船体梁振动分析的自动化程度。

[1] 赵耕贤.船舶与海洋结构物设计中的关键技术之一:—船舶振动[J].船舶，2001,10(5)：34-42.

[2] 翁长俭.我国船舶振动冲击与噪声研究近年进展[J].中国造船，2001,42(3)：68-84.

[3] 王慧彩，赵德有.用有限元法计算船体总振动时刚度阵奇异处理分析[J].中国海洋平台，2003,18(2)：5-8.

[4] 中国船级社.船上振动控制指南[K].北京：人民交通出版社，2000.

[5] 陈志坚．舰艇振动学[M].北京:国防工业出版社，2010.

[6] DEITEL H M, DEITEL P J, NIETO T R. Visual Basic.NET高级程序员指南[M].周靖,译.北京：清华大学出版社,2003.

[7] 李志强，赵德有，居桦桦.考虑剪切滞后影响的平面Timoshenko梁振动特性研究[J].中国海洋平台，2007,22(5)：19-21.

Development and Application of Hull Girder Vibration Calculation Software Based on VB.net and NASTRAN

ZHOU Qing-hua, XIAO Lei, GENG Hou-cai

(Jiangnan Shipyard (Group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

A hull girder vibration calculation software applied to the initial design stage was developed by VB.NET and NASTRAN mixed programming approach based on Visual Studio.NET platform. It’s convenient for user to input and select the relevant control parameters in the graphical user interface. The functions include hull girder vertical vibration empirical formula estimate, added mass calculation, one-dimensional beam finite element model parameter modeling, hull girder vertical and horizontal vibration calculation using NASTRAN, natural frequency and modal shape automatically extract. A 35 000 m3LEG carrier was taken as the research object, the calculated values using the software were compared with the ones of empirical formula method and global finite element analysis method, indicating that the software is reliable and applicable for the low order hull girder vibration analysis.

VB.NET; NASTRAN; one-dimensional beam; modal analysis; vertical vibration

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.016

2016-08-08

周清华(1984—)，男，工学硕士，工程师

U661.44

A

1671-7953(2017)02-0069-04

修回日期：2016-09-08

研究方向:舰船环境载荷和结构安全性评估