船舶结构与疲劳寿命虚拟测试系统设计

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1、船舶结构与疲劳寿命虚拟测试系统设计哈尔滨工程大学船舶与海洋工程力学研究所李陈峰任慧龙赵学谦冯观摘要虚拟测试技术是一种基于计算机仿真学的新兴测试手段。与传统测试手段相比，其具有成本低、效率高、可控性强等优点。为了合理地测试船体结构的疲劳寿命，采用虚拟测试技术，结合传统的船舶强度与疲劳理论，开发了基于OpenGL和MFC的船舶结构疲劳寿命虚拟测试系统。该系统可模拟不同海况条件下，船舶在海洋中航行的各种情况，进而模拟船舶三维结构的动态响应，检验船舶的结构与疲劳强度。关键词：虚拟测试船舶强度疲劳寿命OpenGLAbstractVirtualtestisanewtesti

2、ngmethodwhichbasesoncomputersimulationtechnology.Comparedwithtraditionaltest,virtualmethodhasgreatadvantagesuchaslowercost,higherefficiency,highercontrollability,andsoon.Inthispaper,combinedwiththetraditionalstrengthandfatiguetheoryoftheship,basedonOpenGLandMFCArchitecture,anadvanced

3、virtualtestingsystemoftheshipstructurefatiguelifewasdeveloped.Bythissystem,theshipmotionindifferentseaconditionscanbesimulated,thendynamicresponseoftheshipstructurecanbesimulated,andshipstrengthandfatiguelifecanbecalculated.Keywords：Virtualtest,Shipstrength,fatiguelife,OpenGL1前言近些年来，

4、随着计算机技术的飞速发展，基于实验的传统测试手段正逐渐被快速发展的[1-2]虚拟测试技术所取代。尤其在航空航天、汽车等大规模复杂系统的研发与制造过程中，虚拟测试技术已经成为了不可或缺的必要工具，在节省经费、缩短研制周期、完善产品质量等方面发挥了积极的作用。对于船体结构的设计，尤其是船舶结构抗疲劳节点的设计，考虑到船体结构的复杂性和疲劳试验的破坏性，很少对其进行疲劳试验研究。通常的做法是借鉴以往的设计经验，并借助依靠理论分析来进行研制。因此，突破传统船舶结构的疲劳预报方法的局限性，建立快速、有效的船舶疲劳试验方法，提高船舶结构抗疲劳节点的设计能力和缩短研制周期，对

5、我国船舶设计水平的提高具有重要意义。本文借鉴已有的虚拟测试系统的组织形式和实现方法，综合运用虚拟试验技术、船舶结构理论以及疲劳理论，建立模拟实船海上试验的船舶结构疲劳寿命虚拟测试技术。其基本思想是通过对被测样船及其工作环境进行仿真建模，测试出样船在虚拟环境中的疲劳应力，然后对该试验数据进行疲劳分析，进而获得样机的疲劳损伤结果。基金项目：作者简介：李陈峰(1981-),男,讲师,博士.E-mail:lichenfeng@hrbeu.edu.cn;1912系统总体设计图1船舶结构疲劳寿命虚拟测试框架在实际测试中，一个完整的测试过程一般必须经过三个阶段：（1）准备阶段

6、；（2）测试阶段；（3）数据处理阶段。对于疲劳测试，测试准备包括测试工况的选择、应变片的布置等；在测试阶段，记录疲劳应力测试结果；在数据处理阶段，对测试结果进行疲劳分析。按照这种思路，船舶结构疲劳寿命虚拟测试框架如图1所示：3虚拟航态显示3.1虚拟海况模拟本文采用基于海浪谱的线性叠加法对海浪进行仿真计算。所谓线性叠加法就是将海浪视为由多个不同幅值、不同频率、不同方向和不同随机相位的波叠加而成，其基本思想是生成[3]一个与真实海浪具有相同谱特性的高度场。本文采用的是双叠加法海浪模型，波面任意点高度随时间变化情况可由下式获得：nm2i(x,y,t)ai

7、jcositxcosjysinjij(1)i1j1g式中：aij、i、j和ij分别代表组成波的波幅、频率、方向角以及初相位，(x,y)为波面某点的坐标。从理论上讲，的变化范围为，但实际上海浪能量多分布在主波方j向两侧各/2的范围内。则为（0～2π）上均匀分布的随机变量ij关键是如何确定波振幅a，本文采用考虑方向传递的二维海浪谱模拟虚拟海况，对于ij给定的海况，结合海浪谱与方向函数，各组成波的波幅可由下式获得：a2S(,)dd(2)ijij方向谱形式如下：S(,)SG(3)本文的频谱S(

8、)采用了Pierson-