船體艙段三維有限元模型參數(shù)化建模方法研究

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(華南理工大學(xué) 交通學(xué)院，廣州 510641)

現(xiàn)階段船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的直接計(jì)算一般運(yùn)用通用有限元軟件。其中，有限元模型的建模主要是由手工建模完成，這種建模方法的效率及重復(fù)利用率較低，直接應(yīng)用通用有限元軟件建模需要較高的有限元應(yīng)用技巧且較費(fèi)時(shí)，拉長(zhǎng)了分析周期。這種建模方式不能滿足現(xiàn)實(shí)船舶設(shè)計(jì)建造的要求，也不具備處理突發(fā)事件的能力。

因此，提出參數(shù)化建模的方法，所謂參數(shù)化建模，也即自動(dòng)化建模，是指由用戶在界面上輸入必要的參數(shù)，程序根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，最終完成模型創(chuàng)建作為輸出。整個(gè)建模的主要過(guò)程由程序完成，期間只需少量的用戶操作。用參數(shù)化建模的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)船體有限元模型的自動(dòng)建模，能顯著地縮短船體結(jié)構(gòu)有限元分析的周期，提高效率。

在船體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模的探索中，國(guó)內(nèi)外的許多船舶工作者都為之作出了不懈的努力[1-4]。

在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，筆者提出了一個(gè)參數(shù)化建模研究的思路。

1 研究思路

用PCL語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼，并導(dǎo)入MSC.Patran中，同時(shí)充分利用MSC.Patran的功能，最終實(shí)現(xiàn)三維船體艙段的有限元自動(dòng)建模。其中，難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)在于有限元模型自動(dòng)生成方法的設(shè)計(jì)，即由程序自動(dòng)生成高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格的方法。

船體艙段結(jié)構(gòu)是由桿、梁、板、殼等構(gòu)件組成的彈性體，是一個(gè)大型空間薄壁板梁組合結(jié)構(gòu)。根據(jù)船體艙段結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以預(yù)先對(duì)其有限元模型的網(wǎng)格進(jìn)行規(guī)劃。

首先，從單元類(lèi)型上講，船體艙段有限元模型所用的單元主要是一維單元和二維單元。其中，一維單元主要是2節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧?節(jié)點(diǎn)的桿單元，二維單元主要是3節(jié)點(diǎn)的三角形殼單元和4節(jié)點(diǎn)的四邊形殼單元。

其次，從船體艙段的結(jié)構(gòu)特征看，可以把船體艙段上的單元?dú)w類(lèi)為縱向單元和橫向單元，或是把整個(gè)網(wǎng)格分為縱向網(wǎng)格和橫向網(wǎng)格兩部分。其中，把沿著船長(zhǎng)方向的網(wǎng)格稱為縱向網(wǎng)格，其上的單元即縱向單元；把全部橫向構(gòu)件上的網(wǎng)格稱為橫向網(wǎng)格，其上的單元即橫向單元。

先通過(guò)輸入的信息直接生成縱向有限元網(wǎng)格，再以縱向網(wǎng)格為基礎(chǔ)，在相應(yīng)的肋位上利用已有的節(jié)點(diǎn)作為邊界，進(jìn)而生成橫向的有限元網(wǎng)格。

1.1 縱向網(wǎng)格的自動(dòng)生成方法

遵循一定的規(guī)則輸入若干個(gè)典型橫剖面上的插值點(diǎn)的插值信息(如點(diǎn)的幾何信息，選用的插值類(lèi)型，等等)，程序根據(jù)輸入信息用幾何線構(gòu)造一個(gè)空間的幾何骨架，然后在此幾何骨架的基礎(chǔ)上生成縱向的有限元網(wǎng)格。

用分段的三次非均勻B樣條曲線對(duì)船體外殼或甲板在每個(gè)典型橫剖面上的輸入點(diǎn)進(jìn)行插值，并根據(jù)實(shí)際建模的需要對(duì)所構(gòu)造的三次非均勻B樣條曲線進(jìn)行插值計(jì)算以獲取建模所需的其它點(diǎn)[5]。在每個(gè)剖面上對(duì)全部的插值點(diǎn)進(jìn)行連線，然后對(duì)相鄰剖面上的插值點(diǎn)進(jìn)行連線，這2組線構(gòu)成了一個(gè)空間的幾何骨架，最后，在此幾何骨架上生成縱向的有限元網(wǎng)格[6，7]。

對(duì)于縱向構(gòu)件的其它部分，如內(nèi)殼、縱艙壁等，也用相同的方法完成，所不同的是這些部分在橫剖面上的投影表現(xiàn)為直線段，因此只需進(jìn)行線性插值計(jì)算而無(wú)需用樣條曲線進(jìn)行插值。

縱向網(wǎng)格的整個(gè)創(chuàng)建過(guò)程如圖1所示。

圖1 縱向網(wǎng)格創(chuàng)建的流程

縱向網(wǎng)格生成的同時(shí)，在程序中根據(jù)輸入的信息對(duì)各部分構(gòu)件進(jìn)行分組，以便對(duì)模型進(jìn)行檢查以及進(jìn)行各部分構(gòu)件屬性賦值的操作。從總體上看，縱向網(wǎng)格生成的整個(gè)過(guò)程是一個(gè)由點(diǎn)連線，進(jìn)而在由線所構(gòu)成的幾何骨架上生成縱向網(wǎng)格的過(guò)程，在這一過(guò)程中，由幾何元素所承載的信息最終傳遞到有限元網(wǎng)格的單元之中?？v向網(wǎng)格的生成也為接下的橫向網(wǎng)格的生成奠定了基礎(chǔ)。

選取一個(gè)雙底雙殼的三維船體艙段結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其縱向網(wǎng)格的生成如圖2～4所示。

1.2 橫向網(wǎng)格的自動(dòng)生成方法

對(duì)于三維船體艙段上的橫向網(wǎng)格，由于船體橫向構(gòu)件所在的區(qū)域通常是一些細(xì)帶狀的二維區(qū)域，且其邊界上的節(jié)點(diǎn)的位置和個(gè)數(shù)一般都已預(yù)先確定，因此，盡管在二維區(qū)域上生成有限元網(wǎng)格的方法有多種，但要在這些細(xì)帶狀的二維區(qū)域中自動(dòng)生成高質(zhì)量的二維網(wǎng)格仍然困難。

為了解決此問(wèn)題，在現(xiàn)有的網(wǎng)格生成理論基礎(chǔ)上提出了一種新的二維有限元網(wǎng)格的鋪設(shè)算法，用于在細(xì)帶狀二維區(qū)域自動(dòng)生成包含三角形單元和四邊形單元的有限元網(wǎng)格，其中，四邊形單元占主要部分，而少量的三角形單元?jiǎng)t是為了加強(qiáng)算法對(duì)邊界的適應(yīng)性。

基本原理主要基于Blacker和文獻(xiàn)[8]和[9]。同時(shí)，筆者提出一些新的算法規(guī)則，使算法所生成的單元更能有效適應(yīng)細(xì)帶狀的二維區(qū)域。

圖5 橫向網(wǎng)格生成算法的流程圖

主要步驟包括單元和節(jié)點(diǎn)的生成、相交、縫合、把網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)移至內(nèi)部固定節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格局部調(diào)整、均勻化共6個(gè)部分。算法的主要過(guò)程見(jiàn)圖5。

以大型綜合有限元軟件MSC.Patran為應(yīng)用平臺(tái)，用MSC.Patran提供給用戶的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言PCL實(shí)現(xiàn)了該算法，所得到的有限元網(wǎng)格的質(zhì)量?jī)?yōu)于直接用MSC.Patran自身的Paver命令劃分所得到的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格[7]。見(jiàn)圖6，這是對(duì)于一個(gè)艙段肋位上的強(qiáng)肋骨，用本算法對(duì)所選定的的邊界節(jié)點(diǎn)以及內(nèi)部固定節(jié)點(diǎn)所進(jìn)行的網(wǎng)格自動(dòng)生成的結(jié)果。其中，外部邊界上的節(jié)點(diǎn)由縱向網(wǎng)格在指定位置上的節(jié)點(diǎn)所確定，內(nèi)部的固定節(jié)點(diǎn)是根據(jù)實(shí)際需要而添加的。從圖中可以看出，程序可以自動(dòng)生成網(wǎng)格的主要部分。當(dāng)然，用算法所生成的網(wǎng)格還需要后續(xù)的一些人為的修改與調(diào)整工作。

a)

b)

c)

2 程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

程序中主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖7 主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3 自動(dòng)建模模塊的界面

根據(jù)本文所提出的參數(shù)化建模思路，三維船體艙段有限元模型自動(dòng)生成所依賴的交互界面見(jiàn)圖8～9。

圖8 自動(dòng)生成縱向網(wǎng)格的菜單選項(xiàng)以及命令框

圖9 鋪設(shè)方法的菜單選項(xiàng)以及命令框

4 結(jié)論與展望

對(duì)于一般的油船或散貨船，用這種參數(shù)化建模方法可以由程序生成整個(gè)三維船體艙段有限元模型中接近70%的組成部分，甚至更多，能夠減少接近50%的建模時(shí)間。當(dāng)然，本課題目前只處于研究階段，所完成的只是基礎(chǔ)部分的工作，對(duì)于程序生成的網(wǎng)格還需要一定的人為調(diào)整。整個(gè)參數(shù)化建模系統(tǒng)的完成將會(huì)進(jìn)一步提高建模的自動(dòng)化程度。

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