基于標(biāo)準(zhǔn)中間文件的CAD-CFD接口開發(fā)與應(yīng)用

， ,金建，

(中國船舶科學(xué)研究中心,江蘇 無錫 214082)

在船舶流體性能領(lǐng)域虛擬試驗系統(tǒng)中，CAD/CFD接口工作無疑是其中的重要一項,而且還是目前比較薄弱的一個環(huán)節(jié)[1-2]，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)格式的型值表便是連接CAD和CFD軟件的橋梁。國外對CAD/CAE工具軟件進行二次開發(fā)已經(jīng)達到了十分成熟的水平。不管是CAD軟件如UG、AutoCAD等，還是CAE軟件如MSC、Ansys等，都提供了豐富的二次開發(fā)功能，可以讓用戶直接開發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)接口軟件。為了使軟件具有更大的通用性，一般國外商用軟件都提供多種標(biāo)準(zhǔn)文件的輸入/輸出，如STEP,IGES等。但這些標(biāo)準(zhǔn)往往只是在CAD之間或者CAE之間可以通用，在CAD和CAE之間，由于模型的表示方法差別很大，兩者還存在很大的縫隙。最近幾年，一些大公司的最新產(chǎn)品，如Siemens PLM Software、Altair等，在其各個領(lǐng)域的行業(yè)解決方案中，集成了多種CAD/CAE之間的所謂的“無縫”連接，其中往往都包含了行業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的CAD/CAE標(biāo)準(zhǔn)接口。

在國內(nèi)，隨著近幾年CAD/CAE的不斷應(yīng)用，尤其是隨著CAE應(yīng)用的推進，在單一接口方面也已經(jīng)有了豐富的積累[3]，開發(fā)了一系列的CAD/CAE接口，在此過程中，也出現(xiàn)了一些中間文件(中性文件),但這些文件還不夠標(biāo)準(zhǔn)，雖然已經(jīng)開始向?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，也只是適用于少部分船型；本文討論基于標(biāo)準(zhǔn)中間文件接口的研發(fā)工作。

1 標(biāo)準(zhǔn)中間文件

標(biāo)準(zhǔn)中間文件可采用XML語言格式。XML是可擴展標(biāo)記語言，它與HTML一樣，都是SGML(standard generalized markup language,標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語言)。它是一種簡單的數(shù)據(jù)存儲語言，使用一系列簡單的標(biāo)記描述數(shù)據(jù)，而這些標(biāo)記可以用方便的方式建立，雖然XML占用的空間比二進制數(shù)據(jù)要多，但XML極其簡單易于掌握和使用。因此，標(biāo)準(zhǔn)中間文件采用XML格式設(shè)計。根據(jù)船體型值數(shù)據(jù)和流體分析設(shè)置所需相關(guān)參數(shù)，歸納為以下節(jié)點：版本控制、總體參數(shù)、船體型值表、計算域參數(shù)、網(wǎng)格信息。

一個標(biāo)準(zhǔn)中間XML文件代表一條船，記錄整條船的型值表信息、模型數(shù)據(jù)和分析設(shè)置參數(shù)，供各個CAD/CFD軟件接口程序使用，文件由6部分組成。

1)XML版本信息。固定XML格式，編碼格式是UTF-8。

2)轉(zhuǎn)換程序版本信息。第一行：“$”符號開頭為注釋行；第二行：文件來源說明；第三行：轉(zhuǎn)換程序版本信息以及文件創(chuàng)建時間。

3)總體參數(shù)。第一行：總體參數(shù)項。船名，長度單位，船長，垂線間長等；第二行：總體參數(shù)值。該模塊主要描述船體的總體信息。

4)船體型值表。船體信息又包括4個數(shù)據(jù)模塊：水線，站線，輪廓線，縱剖線。

①水線/站線數(shù)據(jù)表。水線/站線數(shù)據(jù)表中的列,表示對應(yīng)高度的水線；每一列代表一條水線。

②中縱剖線(輪廓線)。第一行代表不同高度的水線面；第二行為相應(yīng)高度水線面與首尾輪廓的交點，用“”分割；

③縱剖線。第一行為縱剖面位置，即縱剖線的y值，每一列代表一條縱剖線；

5)計算域參數(shù)。充分利用XML格式文件節(jié)點可擴展特性，設(shè)計計算域數(shù)據(jù)模塊保存計算域相關(guān)設(shè)置參數(shù)，可隨意增加刪除參數(shù)個數(shù)。

6)網(wǎng)格信息。充分利用XML格式文件節(jié)點可擴展特性，設(shè)計網(wǎng)格信息數(shù)據(jù)模塊，保存模型網(wǎng)格劃分相關(guān)設(shè)置參數(shù)，可隨意增加刪除參數(shù)個數(shù)。

2 CAD模型建立

目前，相關(guān)研究人員在對船型進行CFD分析時，需要從CAD圖的型值信息開始，經(jīng)歷提取型值表，創(chuàng)建船體幾何，創(chuàng)建計算域，網(wǎng)格控制點設(shè)置，體網(wǎng)格劃分，MSH文件生成，材料、屬性邊界條件設(shè)置，迭代求解，后處理結(jié)果顯示。當(dāng)船型型值信息改變或者需要對船型進行優(yōu)化的時候，研究人員需要對整個流程重新操作，但是絕大部分都是重復(fù)性工作。本文研究接口程序的目的就是針對于這個現(xiàn)象，對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似的船型進行自動化建模，將固定的手工流程自動化，縮短在重復(fù)工作上的時間，從而提高效率。

接口程序根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中間文件XML中的水線，站線，輪廓線等信息，在UG中創(chuàng)建型線，再將船體分為船艏，平行中體(針對帶平行中體的船型)和船艉3部分，分別建模。由于球鼻艏和船艉幾何形狀比較復(fù)雜，因此在創(chuàng)建船艏和船艉曲面的時候需要在UG中進行細(xì)化。

船艏可以劃分成四部分，其中第4部分幾何圖形復(fù)雜，需要進一步細(xì)化，見圖1、2。

圖1 船艏幾何建模 圖2 細(xì)化船艏幾何建模

船艉部分，同樣首先劃分為4個部分，針對第4部分，再次進行細(xì)化，針對船艉第6部分，直接建面有可能失敗，因此使用了掃掠、裁剪的方法，見圖3。

圖3 船艉幾何建模

加上平行中體部分，就完成創(chuàng)建1/2船面，見圖4。

圖4 船體幾何模型

將從UG中導(dǎo)出的Parasolid文件導(dǎo)入Gambit中， 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中間文件中的相關(guān)參數(shù)，對船體進行分割，為創(chuàng)建計算域做準(zhǔn)備。由于UG建面時對船體進行了細(xì)化，在創(chuàng)建計算域幾何前對小曲面進行合并,見圖5。通過設(shè)置的艏部向前，艉部向后和外邊界參數(shù)，創(chuàng)建計算域幾何，見圖6。

圖5 合并后船體曲面模型

圖6 計算域幾何模型

3 流體網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格是CFD模擬與分析的載體，網(wǎng)格自動劃分的好壞直接影響到CFD的數(shù)值解的計算精度。為使模擬的船體流場更加精確，采用了六面體/五面體的混合的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。繞流場主要使用O型和C型兩種網(wǎng)格。

網(wǎng)格疏密使用邊網(wǎng)格點進行控制，原則是近壁區(qū)的邊網(wǎng)格點數(shù)量多，滿足y+要求，遠離壁面區(qū)域邊網(wǎng)格點數(shù)量逐漸減少。劃出的體網(wǎng)格在壁面處非常精細(xì)，艏艉區(qū)域的網(wǎng)格較密，外部區(qū)域稀疏，經(jīng)驗和結(jié)果證明這樣的設(shè)置更能準(zhǔn)確地模擬船體的流場。在艏部、平行中體、艉部的各個邊上按照圖7中的方式進行布置網(wǎng)格點。軸向上一般均勻布置，軸向大多需要設(shè)定疏密過渡的網(wǎng)格點，徑向和軸向的根部需要設(shè)定初始網(wǎng)格高度，滿足y+要求，同時沿徑向和軸向需要疏密過渡。通過網(wǎng)格點，直接生成體網(wǎng)格。

圖7 網(wǎng)格模型

Gambit的Journal文件即記錄下Gambit圖形界面中的每一個操作后的命令行，針對擁有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)船型在船體分段、計算域創(chuàng)建后的幾何是相同的。因此，根據(jù)專業(yè)人員的手工建模流程，本文設(shè)計的接口程序研究出一套適合自動化的流程，并根據(jù)Gambit提供的一系列函數(shù)，控制自動化中的每一步命令生成的幾何點、線、面或者體的編號，可將整個建模、網(wǎng)格創(chuàng)建過程自動化，最后實現(xiàn)系列船型的參數(shù)化建模。

4 CFD分析

網(wǎng)格劃分之后，設(shè)置邊界屬性，分別為Wall,SYMMETRY,VELOCITY_INLET和PRESSURE_OUTLET。并導(dǎo)出MSH文件。Fluent參數(shù)分為3種，分別是基本參數(shù)，高級參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)[4]。

4.1 基本參數(shù)

針對不同的狀態(tài)，需要設(shè)置的參數(shù)不同，見表2。

表2 基本參數(shù)

4.2 高級參數(shù)

該參數(shù)僅在運行前顯示給用戶查看，不需要進行修改。見表3。

表3 高級參數(shù)

4.3 系統(tǒng)參數(shù)

求解設(shè)置，迭代設(shè)置(湍流迭代)，見表4。

表4 XML文件結(jié)構(gòu)

在Fluent中導(dǎo)入MSH文件，分別設(shè)置材料、屬性、邊界條件和迭代條件，進行計算，計算結(jié)果顯示見圖8～10。

圖8 阻力曲線和阻力系數(shù)

圖9 自由面興波和表面興波輪廓

圖10 艏部、舯部、艉部流線

由圖8～10的分析結(jié)果可知，接口程序生成的MSH文件在Fluent中分析的結(jié)果，與通過CAD手工建模、Fluent手動分析之后的結(jié)果基本一致。所以基于自定義的標(biāo)準(zhǔn)中間文件，進行CFD分析技術(shù)是可行的，并且以此為基礎(chǔ)可以實現(xiàn)船體型值數(shù)據(jù)抽取和解析自動化。

[1] 邱遼原，周 凌.回轉(zhuǎn)體三維繞流場數(shù)值計算[J].中國造船,2006,47(4):1-6.

[2] 朱恒蕊，葉恒奎.軸對稱回轉(zhuǎn)體的CFD分析及厚邊界理論計算[J].中國水運,2007,5(1):179-180.

[3] 張 楠.潛艇流水孔流場與阻力的數(shù)值預(yù)報方法與回歸分析研究[D].無錫：中國船舶科學(xué)研究中心,2004.

[4] 張 楠，沈泓萃，姚惠之.潛艇阻力與流場的數(shù)值模擬與驗證及艇型的數(shù)值優(yōu)化研究[J].船舶力學(xué),2005,9(1):1-13.