6款主流海工分析软件功能对比

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本文重点介绍当前几款主要海工分析软件,并且分析海工软件的特点对比与发展趋势,希望对从事海洋工程设计工作的工程师学习和应用有所帮助!

二、当前其他主流海工分析软件

1、WAMIT

WAMIT(Wave Analysis MIT)是计算零航速浮式结构物与波浪相互作用的分析软件,由麻省理工学院的J.N Newman先生开发,于1987年首次推出。1999年,C. H. Lee与Newman共同成立WAMIT公司。

WAMIT软件发展中比较重要的版本是2000年推出的WAMIT 6.0及其升级版。在该系列版本中WAMIT具备了高阶面源计算方法。其高阶模块具备了不同周期、不同波浪来向作用下的二阶载荷波浪计算分析的能力。

WAMIT当前最新版本为7.0,该版本主要增加了并行运算功能。WAMIT自诞生以来逐渐成为浮体分析计算领域的标志性软件,其计算结果经常作为计算结果精度对比的参照物,足以证明WAMIT软件在业界所具有的广泛影响力和认可度。当前,全世界共有超过100个机构、公司和研究院所在使用WAMIT。

WAMIT有两个不同模块,一个是基本模块,另一个是高阶模块。WAMIT本质上是一个进行频域浮体计算的软件,其功能仅限于计算,软件自身不具备前处理、后处理功能。其运行界面如图1.14所示。

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图1.14 WAMIT运行界面

WAMIT基本模块具备的计算功能包括:浮式结构物静水刚度、附加质量、辐射阻尼、波浪力(包括绕射力)、二阶定常波浪力。

WAMIT高阶模块计算功能包括:高阶面源法及考虑二阶速度势影响的二阶差频、和频载荷。WAMIT在求解二阶差频、和频载荷时可以通过压力积分求解(同AQWA解法),也可以通过自由表面法(Free Surface)来进行计算。

相比而言,通过自由表面法得到的结果更精确,但是也付出更多的计算时间。
WAMIT还可以通过广义刚度法实现更广泛的计算分析,譬如多个结构物铰接、添加月池阻尼等。另外,WAMIT可以考虑液舱晃荡的影响,其计算结果能够较好的反映出液舱共振运动对于整体运动性能的耦合影响。

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图1.15 WAMIT主要计算功能

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图1.16使用WAMIT建立的TLP面源模型

WAMIT软件没有前处理功能,计算模型需要通过第三方软件建立。运行完毕后,WAMIT会输出面元模型文件,但需要通过其他程序查看,如利用Tecplot。WAMIT计算结果以文本格式输出。用户可以通过其他软件或者自己编程来读取这些结果文件。

需要注意的是,WAMIT软件的计算结果(如浮体的运动RAO)是关于自由水面的,这与一般软件有所差别。

WAMIT可以计算液舱晃荡影响,但不能直接考虑阻尼或者能量耗散的影响,液舱共振周期峰值很高,与实际不符。不过WAMIT通过广义矩阵法来给液舱添加阻尼,但首先需要用户掌握广义矩阵法。

当今海洋工程研究和分析领域WAMIT具有非常重要的地位,正如其网站的广告语所说的“The State of the Art in Wave Interaction Analysis”,WAMIT已经成为了经典,其蕴含的理论发展思想值得业界思考和借鉴。未来,WAMIT依旧是海洋工程水动力分析领域的标杆。

2、MOSES

MOSES(Multi-operational Structural Engineering Simulator)由Ultramarine公司开发,该软件的第一个版本于1977年推出。在漫长的发展历程中,MOSES软件逐渐成熟,其功能涵盖了海上安装、水动力计算、稳性校核、结构计算等众多方面。当前Ultramarine被Bentlay集团收购,MOSES软件与SACS、Maxsurf组成了Bentlay旗下的船舶海洋工程分析包,成为Bentlay发展海洋工程软件,争夺相关市场的有力组成部分。

MOSES软件可以建立舱室模型,支持船舶或浮式平台的压载调载计算,同时能够胜任导管架拖拉上船、下水、扶正等安装分析工作。软件针对组块浮托安装定义了LMU、DSU单元,可以方便的实现海上组块浮托安装分析。软件能够进行水动力计算,其理论包括三维势流理论、切片理论和Morrison方程三种方法,能够方便快速地进行浮体频域运动分析。软件内具有多种缆索单元可以进行系泊、海上吊装、铺管等多种涉及缆索动力学的分析。

MOSES软件最大的特点在于其自身拥有一套文件编制方法,具有独特的编程规则。通过编写运行文件,用户可以依据自己的需要实现自定义计算,通过其内置的接口可以将文件以文本、表格、动画、图片等多种格式输出。同时软件与SACS具有接口,可以方便的进行导管架结构的相关分析。

MOSES软件有四大模块:静水力计算、水动力计算、频域时域分析与后处理、结构计算。对于船舶,MOSES可以采用田中公式(Tanaka Method)进行横摇粘性阻尼的计算。MOSES可以使用远场法、近场法来计算二阶定常波浪力。水动力计算结果可以另存为文本文件,进行其他的计算时可以直接调用该文件而不用重新计算,节省了计算时间。但MOSES软件不具备不规则频率消除功能,其水动力计算结果精度较差。

MOSES的频域分析和时域分析可以进行浮体运动、系泊以及动态压载的计算和模拟。MOSES软件还具有结构计算功能,但随着其他海洋工程结构分析软件的发展,该功能有所弱化。

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图1.17 MOSES软件组块浮托安装

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图1.18 MOSES传统界面

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图1.19 MOSES新界面

MOSES软件长期以来作为海洋工程安装分析领域的首选软件而被业界熟知。由于其与SACS软件具有接口,几乎垄断了导管架安装分析市场。MOSES软件在组块浮托安装分析中也基本处于垄断的地位。但是由于MOSES软件水动力计算精度不高,其在复杂水动力分析诸如浮式平台系泊分析、多体耦合水动力分析等方面不尽如人意。另外,由于软件是以命令文件形式进行运行,设定和选项数量庞大复杂,加之界面简单,可操作性低,使得初学者非常难以入门。一旦充分理解和掌握了MOSES软件的分析流程和思路,使用者就会发现MOSES从某种程度上来讲是随心所欲,无所不能的。

MOSES软件被Bentlay收购后,其软件界面方面得到了很大改善,与SACS、Maxsurf软件的整合方面取得一定进步。按照Bentlay的发展思路,Maxsurf将作为MOSES的前处理程序,MOSES软件将专注于海洋工程浮式结构物水动力计算、静水力分析和海上安装分析,其与SACS的接口将界面化,可操作性大大加强。未来,MOSES软件作为Bentlay公司海洋工程分析软件包中重要的核心成员将在海洋工程分析领域扮演更重要的角色。

3、Hydrostar与Ariane

Hydrostar是法国船级社(BV)推出的水动力计算软件,主要由陈晓波博士主持开发,第一个版本于1991年推出,当前版本为7.25(2014年)。

Hydrostar理论和算法上与WAMIT几乎相同,基本具有WAMIT的所有功能。在二阶载荷的计算理论上,Hydrostar融入了陈晓波博士的中场法理论,该理论也是近年来为数不多的具有重要影响力的二阶载荷分析理论。中场法避免了远场法和近场法各自的缺点,是Hydrostar独有的计算功能。

Hydrostar除了常规频域水动力分析功能外,还具有消除不规则频率、考虑能量耗散的耐波性/液舱晃荡耦合分析、二阶载荷中场理论、多方向下低频载荷计算等功能。另外,Hydrostar拥有较完全的后处理功能,可以以多种形式输出计算结果,查看计算模型和波面变化情况,进行短期/长期谱分析。最新版本Hydrostar支持并行计算,计算效率显著提高。

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图1.20 Hydrostar主要计算功能

Hydrostar由许多模块组成,如hslec读取面源模型文件;hsbln平衡模型文件,可以按照吃水切割面源模型;hsrdf进行辐射绕射计算;hstnk计算液舱影响;hsmcn计算浮体运动;hsdft计算多方向二阶载荷;hsmdf计算同方向二阶载荷;hsprs计算压力分布;hswld计算截面波浪载荷;hspec频域短期/长期分布计算等等。主要模块下还有子模块,可以实现更多的设置、计算与后处理功能。

HydroStar具有一定的前处理功能,其内部针对一般常见浮式结构物均有建模支持,用户通过选择需要进行分析的浮体类型,并指定浮体主尺度数据即可建立面源计算模型,此外还可以依据需要调整模型网格情况。另外,通过第三方建模软件也可以将模型导入到Hydrostar进行计算分析。

通常情况下,液舱晃荡的分析可以准确捕捉液舱运动特性与耦合计算时整体运动共振情况。若不考虑液舱本身内部的能量耗散作用,液舱产生的共振幅值非常大,与实际不符。新版本的Hydrostar对耐波性/液舱晃荡问题进行了优化,通过考虑液舱内“阻尼”情况,最终给出更贴近实际的结果。

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图1.21 Hydrostar主要模块

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图1.22 Hydrostar圆柱模型与计算域

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图1.23 Hydrostar水动力计算模型与波面相互影响

Ariane是BV与MCS(当前为Wood Group旗下公司)合作推出的系泊分析软件。软件可以针对FPSO、半潜式平台、驳船等结构物进行系泊分析。Ariane软件的计算理论较为简单,使用浮体运动RAO来计算平台的一阶运动,通过准静态法计算缆绳响应,从本质上讲该软件是半耦合的系泊分析软件。

由于理论的局限性,软件应用范围有限,不适用于复杂的系泊分析(诸如Spar、 TLP等)。软件整体开发程度有限,界面简单,计算结果精度一般。该软件的有点是数据输入较为方便,计算快,适合初期设计或者大量工况(譬如10万乃至几十万个工况)分析。软件后处理功能强大,可以以Excel文件或文本文件格式输出结果,方便用户进一步处理。

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图1.24 Ariane软件界面

由于推广力度以及用户使用习惯等方面的原因,Hydrostar推出以来应用范围有限,Arine由于本身理论的局限性,限制了发展。BV当前积极推进Hydrostar、Ariane、Hemo等软件的整合程度,力图涵盖水动力分析、系泊分析、结构分析等几个主要海工分析方向,扩展软件和规范的应用范围。2013年,BV在新加坡成立了陈晓波博士领衔的海洋工程研究中心。未来,BV开发的软件和海工规范将迎来更快的发展。

4、Sesam

Sesam是由挪威船级社DNV(今为DNV-GL)推出的海洋工程分析软件。

Sesam的发展历史非常悠久。1966年,挪威技术学院的学生Pal Bergen依据有限元方法编写了通用有限元程序,他将这套程序命名为“Sesam”。1968年DNV从Bergen手中购买了这套软件,并投入人员进行开发。1969年,第一个Sesam商业化版本Sesam69发布。经过多年的发展,Sesam成为海洋工程结构分析的行业标准软件。

20世纪80年代早期,DNV推出新版Sesam,它具有交互式几何建模方法和自动有限元网格生成技术,以及交互式图表后处理能力。其后的发展中Sesam逐渐增加了水动力分析、立管分析、导管架分析等功能,逐渐形成了以GeniE、HydroD、DeepC为核心的软件包,涵盖水动力分析、安装分析、导管架结构分析、浮式结构分析、混凝土平台分析、立管分析等几乎所有海洋工程所能涉及到的问题。

GeniE是Sesam的建模及前处理模块。HydroD是水动力计算模块,其中Wadam为水动力计算程序。另外,Sesam还包括两个水动力计算模块Waveship和Wasim。Waveship主要针对船舶进行水动力分析,其理论为二维切片理论,可以进行零航速和中等航速状态下的计算。在分析中可以估算粘性横摇阻尼的影响并能够完成波浪压力的输出。Wasim理论为三维势流理论,可以针对有航速船舶进行时域非线性水动力计算。

Sesam的水动力计算结果通过Postresp模块进行处理。Postresp是Sesam的核心后处理程序,功能强大,能够将结果的以图表的形式输出,并进行频域短期预报和长期预报计算。用户可通过Xtract查看浮式结构物的运动模拟情况和波面变化情况。

Simo、Riflex、Mimosa和DeepC组成了Sesam的系泊/立管分析模块。

Simo可以进行海上安装和系泊计算。Riflex可以进行系泊缆或立管的动态响应分析。Mimosa可以进行频域系泊计算分析。DeepC整合Simo和Riflex进行立管/系泊系统耦合分析。

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图1.25 Sesam主要模块

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图1.26 Sesam模型 

多年的发展使得Sesam功能不断增加,模块数量增多。对于熟悉Sesam分析流程的工程师而言,使用Sesam完成一项分析工作可能会涉及到多个模块的数据传递,需要具有非常丰富的使用经验。DNV在软件开发过程中也意识到了这个问题,Sesam Manager应运而生。Sesam Manager按照工作流程排序,用户通过拖拽相应计算模块来构成分析骨架,每步分析按照顺序来做即可。整个界面直观大方,非常方便。

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图1.27 Sesam Manager

Sesam能够完成几乎所有的海洋工程分析工作,功能强大,界面友好,加之内部支持DNV规范校核,其发展势头非常强劲。当前越来越多的海洋工程公司选择Sesam作为主力分析工具。Sesam模块众多,数据和模型管理起来有些繁琐,使用者需要进行一段时间的训练才能熟练。

Wadam的核心是较早版本的WAMIT,近年来功能更新缓慢,使得Wadam难以满足一些特定问题的分析要求。另外,Sesam的后处理程序PostResp界面古老,操作繁琐。Sesam支持命令行运行,熟悉这项功能可以极大的提高工作效率。

总而言之,Sesam软件是当今海洋工程分析软件中非常重要的一款软件。由于DNV在海洋工程领域的领先地位,使得Sesam在实际项目和规范的双重推动下快速发展,占据了较大的市场份额。加之DNV每年都会维持大额的软件研发投入,使得Sesam一直处于不断更新的状态,未来Sesam在海洋工程行业的影响力将越来越大,继续扮演举足轻重的角色。

5、Orcaflex

Orcaflex是由英格兰的Orcina开发的动力学分析软件。1986年,海洋工程结构和水动力咨询公司Orcina成立,同年推出了Orcaflex的第一个版本。1989年该公司又推出了OrcaBend和OrcaLay。

经过多年的发展,Orcina公司已经成为世界领先的海洋工程动力学分析软件开发公司。Orcaflex软件以其友好的界面,持续不断的功能改进,多样的动力学分析能力成为当今海洋工程动力学分析软件的领先者,其全球用户超过260家。Orcaflex的功能还在不断增强,当前最新的版本为V10。

Orcaflex主要功能包括海洋工程缆索动力分析、立管动力分析、浮式平台的动力分析等。可以解决的问题包括:船舶耐波性、系泊、系泊疲劳、立管强度、立管疲劳、立管VIV(需要shear7支持)、海上安装、铺管、结构物模态等等。

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图1.28 Orcaflex模型三维渲染显示

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图1.29 Orcaflex模型与结果显示

Orcaflex并不能进行三维辐射-绕射水动力计算,用户可以将WAMIT、AQWA、MOSES等水动力计算软件的数据结果导入到Orcaflex中进行后续分析。软件在浮体动力分析中可以考虑的载荷包括:一阶波浪载荷、二阶和频差频载荷、风载荷、流载荷、附加质量与辐射阻尼、用户添加的线性/非线性阻尼等。对于杆状结构物或尺度/波长比较小的结构物,Orcaflex可以通过定义6Dbouy、3Dbouy来对该类物体进行分析。

Orcaflex的分析手段主要为时域分析,可以使用浮体RAO进行计算浮体运动响应或者通过波浪力来求解浮体运动。其系泊分析方法是全耦合的,即载荷均以时域形式计算,平台运动与系泊系统耦合求解,同时考虑系泊缆的动态效应。

Orcaflex可以对复杂系统进行运动模态分析。软件可以对系泊缆、管道结构物进行基于规则波的疲劳分析和基于雨流计数法的疲劳分析。

管道分析是Orcaflex的强项。软件可以很好地模拟张紧式立管(TTR)、不同类型悬链线外输管道(SCR)、海底管道、隔水管等海洋工程用管道。计算结果可以直接通过内置规范校核功能进行规范校核。通过Shear7接口,软件可以进行立管涡激振动的分析。

Orcaflex的模型可以通过界面快速建立也可以通过命令行形式建模。软件内置的后处理功能非常强大,可以通过鼠标操作得到用户几乎所有想要得到的结果。同时,Orcaflex具备Matlab、Python、C++、VBA的编程接口,用户可以通过外部编程实现快速建模、复杂数据快速处理和自定义计算等高级功能。

Orcaflex的开发公司Orcina只是一个不足50人的公司,就是这样的一个小公司,做出了如此伟大的产品,其成功的发展经验值得海洋工程界学习借鉴。当前Orcaflex占据了大部分海工专业动力学分析软件市场,未来其开发公司Orcina还将继续推进Orcaflex的深度开发与功能更新。值得注意的是,当前海工软件公司被大集团收购的现象层出不穷,未来Orcina能否保持长久以来的独立开发地位值得观察。

三、海工软件的特点对比与发展趋势

1、主要海洋工程软件、发展趋势与授权方式

经过多年的工程实践和理论发展,当今的海洋工程已经能够完全能够通过计算机软件来完成大多数的设计工作。当前,海洋工程分析软件可以分为5大类:水动力分析软件、系泊分析软件、立管分析软件、结构分析软件、安装分析软件,另外还有一些具有特定计算功能的软件。常见的分析软件有:

  • 水动力分析软件---AQWA、WAMIT、Hydrostar、MOSES、Waveload等。

  • 系泊分析软件---AQWA、Simo、Orcaflex、FLexcom、MOSES、Harp、Mimosa、Ariane等。

  • 立管分析软件---Orcaflex、Flexcom、DeepC、Harp、Abaqus、AQWA等。

  • 结构分析软件---Sesam、SACS、Abaqus、ANSYS、Homer、Patran、Nastran等。

  • 安装分析软件---MOSES、Sima、AQWA、Orcaflex、FLexcom等

  • 其他的分析软件还有Offpipe、shear7、OSAP、Fluent、Fast等。

6款主流海工分析软件功能对比

图1.30 常用海工软件

针对不断发展的设计需要,海工分析软件未来将呈现以下的发展趋势:

  • 功能多元化:未来海洋工程软件能够实现的分析功能将来越多,各个软件开发商都将力图通过推出功能多元化的软件产品来巩固既有市场,抢占其他市场。

  • 界面友好化:过去的分析软件囿于计算机能力,在用户界面上投入较少,前后处理都比较简陋。随着计算机技术的发展和用户对数据可视化、界面可操作性的要求逐渐增强,当前几乎所有的软件开发公司都在用户界面上下大力气进行开发和改良。未来的海工软件将具备更加友好的界面和更加便捷的前后处理功能。

  • 模块集成化:当前的海洋工程分析软件均以模块形式来实现分析功能,模块之间通过接口来实现数据传递,各个模块组成软件包来实现更多分析功能。由于功能越来越多,软件模块太过于复杂,使得用户使用起来有诸多不便。未来模块集成化,通过统一界面来实现多种计算功能将是软件的发展的趋势。

  • 竞争激烈化:随着海工软件市场竞争逐渐激烈,近年来收购活动非常频繁,譬如开发了Flexcom、Ariane的爱尔兰MCS公司被Wood Group收购;开发了MOSES的Utralmarine、开发了SACS的EDI、开发了Maxsurf的Formation Design Systems被本特力(Bentlay)收购;开发AQWA的Century Dynamic被ANSYS收购。海工软件市场逐渐形成了四方争夺的局面,这四方和相应产品分别为:

    ① 挪威船级社开发的Sesam;

    ② Bentlay旗下的SACS+MOSES+Maxsurf;

    ③ ANSYS旗下的AQWA+ANSYS+Workbench;

    ④ BV开发的Hydrostar+Ariane+Homer。

其中,Sesam、Bentlay、ANSYS占据了大部分市场,BV的软件进入市场较晚,差距较大,但具备后发优势,近年来的发展势头强劲。

由于海洋工程软件市场专业且较为封闭,市场规模有限,未来的竞争格局将更加激烈。这对于用户来说是个好消息,激烈的竞争必将产生更符合设计人员需求的软件,从而推动相关设计分析工作的快速高效进行。

一般说来,海工分析软件的授权方式分为证书文件和加密狗两种。多数软件具备局域网引用功能,即局域网内一台机器有证书或者加密狗,其他网内用户可以通过引用实现本机软件的授权使用,通常情况下局域网内一个证书同一时刻只能有一个用户使用。

海工软件的价格很高。软件一般分为基本功能和高级功能两个部分,个别软件是按照模块出售。小的软件譬如WAMIT、Orcaflex单一证书价格在二三十万人民币之间,Sesam单个模块价格在百万人民币左右,这就意味着从事海工设计的机构或者公司需要一定的投资才能具备基本的设计能力。

逐渐发展的海工软件对于设计人员也提出了更高的要求。完成一项设计工作可能需要涉及多种软件的组合,有的情况下还需要工程师自行编程。譬如进行FPSO单点系泊设计,工程师不但要会使用水动力分析软件进行多工况的水动力分析,还要对系泊分析软件和相关分析方法非常熟悉,同时还需要根据结构工程师的要求提供设计载荷,必要的时候还需要编程提取计算结果。

一名从事海洋工程设计工作的工程师不单单需要处理本专业的工作,对于其他专业的理论、分析方法、软件操作使用、规范要求都要有一定的理解。所有的这些都对工程师的理论功底和技能水平提出了更高的挑战。掌握多种软件,具备多种能力才能在复杂纷繁的工作中游刃有余。

2、浮体分析软件功能对比

为了更直观的了解本章介绍的海工浮体分析软件的能力,本节对七种软件在前处理、后处理、水动力分析能力、系泊分析能力、安装分析能力五个方面进行了对比并给出了综合评价。评价以★数目多少来表征,符号★较多的表明该软件在该方面能力更突出。

表1.1 几种浮体分析软件能力比较和评价[1]

名称

前处理能力

后处理能力

水动力分析能力

系泊分析

能力

安装分析

能力

综合评价

AQWA

★★

★★

★★

★★★

★★

★★★

WAMIT

/

/

★★★

/

/

★★

MOSES

★★★

★★

Hydrostar

★★

★★

★★★

/

/

★★

Sesam

★★★

★★

★★

★★★

★★

★★★

Ariane

/

★★

/

Orcaflex

★★★

★★★

/

★★★

★★

★★

综合来看AQWA软件是比较出色的,它既具备较强的前后处理能力,又具备比较完整的分析功能。正如前文所说,往往完成一个项目的工作需要多种软件的共同配合,AQWA软件多样化的分析能力非常适合从体浮体分析的专业人员的入门软件和主要分析工具。

6款主流海工分析软件功能对比

 

6款主流海工分析软件功能对比
END

信息来源:作者:高巍,仿真秀科普作者 原创文章,首发仿真秀公众号(ID:fangzhenxiu2018),部分图片源自网络

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