0 引言

集装箱船是三大主力船型之一，以其装卸快捷、航速高、货物安全性好等特点，受到了国际运输市场的青睐。集装箱船装载标准规格的集装箱，通常采用垂向直壁式结构，货舱口几乎和货舱等宽，这种开口显著削弱了船的抗弯、抗扭和横向强度，为了保障船体结构的安全，在设计阶段常常需要根据规范要求进行直接分析，并进行整体和局部强度的校核。由于船舶运行的载荷和工况复杂，同时各种工况下船体结构的应力许用水平因其部位和构件类型的不同而各异，尽管现有通用软件后处理功能很强大，应力以及变形都可以直观显示，但无法快速判断构件是否满足强度要求。

MSC. PATRAN & NASTRAN是船舶结构分析领域的基准软件，国际船级社协会的大部分成员认可采用Nastran软件作为船舶分析的验证软件^[1]。众多研究者利用该软件高度的集成能力和良好的适用性，采用PCL语言进行了二次自主开发，宋亚玲等^[2]实现了扣除腐蚀余量、荷载计算、施加疲劳荷载、提取结果及分析的自动化，唐旭东^[3]利用PCL语言编写程序来计算船体剖面惯性矩、剖面模数及中和轴位置等剖面特性，冯国庆等^{[4 -5]}初步实现散货船以及舰船强度评估的自动化，刘玉川等^[6]开发了中国船级社有限元直接计算软件CSR-DSA.，这些成果集成在PATRAN中，扩展了软件的功能，增加了分析以及前后处理的效率。

为了满足快速分析反馈需要，本文采用PCL语言，基于中国船级社（CCS）《集装箱船结构强度直接计算指南》（后文简称CCS指南），在MSC. PATRAN进行二次开发，不需要手动定义许用应力，实现了集装箱船整船以及舱段直接有限元分析屈服强度的快速自动校核。

1 PCL语言简介

PCL为Patran Command Language的缩写，类似C语言和Fortran语言，包含一般高级语言具有的大部分数据类型，提供了大量的函数。运用PCL语言可以对Patran进行二次开发，如根据需要创建用户界面和数据库、为设计或者优化创建参数化模型、在MSC.Patran中集成商业或者用户开发的分析代码、显示用户定义图形、读写MSC.Patran数据库、创建新的或者改进MSC.Patran功能、分析文件的数据库管理以及排除单调、重复的流程等。用户完成开发后，可以通过在“init.pcl”文件中加入相关语句实现开发功能的自动调用^[7]。

2 集装箱船校核要求及本系统功能 2.1 集装箱船校核要求

CCS指南分别对集装箱船整船以及舱段直接分析的校核作了相关规定。

集装箱船整船分析的计算工况一般由静水工况和最大垂向波浪弯矩（LC1）、最大水平波浪弯矩（LC2）、L/2处最大扭矩（LC3）、3L/8处最大扭矩（LC4）、5L/8处最大扭矩（LC5）等波浪载荷工况组合而成，一共5个。屈服强度分析的许用应力要求见表 1^[8]。表中σ_e与τ分别为Vonmises等效应力和剪应力。

集装箱船舱段分析考虑中间1个40 ft箱位空舱、船舶横倾中间1个40 ft箱位空舱、船舶横倾、船舶纵荡4种情况，各种情况下根据需要分别考虑不同货舱内和舱盖上的集装箱载荷作用，组合之后一共是9个计算工况。舱段分析的屈服强度校核远较整体分析繁琐，不同工况下分别有等效应力、剪应力、船长/船宽/型深单主应力等不同校核量要求，而应力许用值的大小与构件种类、计算工况、材料屈服强度以及校核量等因素都相关^[8]，相较整船校核复杂很多，具体要求如表 2所示。表中，σ_L为船长方向正应力；σ_W为船宽或船深方向正应力；τ为腹板总高度（或总深度）内的平均剪应力；κ为高强度钢系数。

由表 1和表 2可知，依据CCS指南对集装箱船进行结构屈服强度校核时，应力许用值大小需要依据多种因素确定，直接计算完成之后，虽可借助后处理功能直观看到结构的应力分布，却无法快速判断构件是否满足屈服强度要求，手工校核繁琐而且容易出错。

2.2 构件衡准值的定义及系统功能

定义构件衡准值R为有限元应力计算值和许用值比值，即：

$R = \frac{\text{计算应力}}{\text{许用应力}}\text{。} $

(1)

可以知道，当R < 1时，构件满足屈服强度要求，所以衡准值R的大小直接反映构件是否满足屈服强度要求。本文开发系统基于CCS集装箱船强度指南，实现了衡准值R的云图和三色图直观显示以及报告的输出、查看功能。其中衡准三色图中，R大于1.2的单元显示为黑色，R在1.0~1.2之间显示为红色，R在0.8~1.0之间显示为绿色，R小于0.8显示为浅蓝色，通过三色图可以快速找到不满足规范要求的构件（黑色和红色显示单元）。另外，衡准结果还可通过报告形式输出，并能选择只输出衡准值大于某一过滤值的结果，同时报告中会给出相应单元的位置坐标及属性名称，便于定位需要加强的构件。

与冯国庆、刘玉川^[4-6]等的工作不同，本软件系统不需要手动定义许用应力，而是直接从数据库读取设计阶段的材料屈服强度设计值，根据所选择的校核工况、构件名称、应力校核量的类型等条件，按照指南要求（见表 1和表 2）自动计算许用应力，进而通过与计算应力对比得到衡准值；此外，衡准结果可分别以云图、三色图和报告3种方式输出，使用者能迅速判断结构是否满足屈服强度要求，从而对设计进行快速反馈。软件使用简单方便、反馈直观。

3 程序组成及界面

本系统核心部分包括有限元分析校核量的提取、相应构件许用应力值的计算、衡准值计算、衡准结果图形和报告输出。其主要界面及相互之间关系分别如图 1和图 2所示。

校核时，首先在“设置”“条件”界面选择船级社，船型，有限元模型范围以及有限元分析采用的应力单位等校核条件，合成工况LC1G-3G的结果；然后进入“创建”界面，根据需要选择创建对象，创建对象可以是“云图”、“三色图”或是“报告”，确定具体校核计算工况、校核量，校核构件以及是否考虑应力集中等，根据要求创建云图、三色图或报告；另外，可进入“查看”“报告”界面，查看创建的报告或是其他文本文件。

在操作过程中，如果发现条件设置有误，可随时返回条件设置界面重新设置。

4 示例

采用本系统对某集装箱船进行强度校核，其中工况3下外底板部位船长方向正应力云图如图 3所示，得到的衡准值云图和三色图以及输出报告（定义只输出R > 0.9的单元信息）如图 4~图 6所示。与手动校核结果对比表明，使用本系统快速准确。

5 结语

本系统根据中国船级社指南对MSC.Patran进行二次开发，从数据库读取设计阶段的构件材料屈服强度值，可直接根据设置自动计算构件应力许用值，结合集装箱船直接分析的数值结果，从而得到衡准水平并以云图、三色图或是报告的形式输出。借助本系统，可快速直观进行屈服强度校核并及时对设计方案提出反馈意见和建议。