海洋結(jié)構(gòu)與船舶有限元模型空間識別方法

單威俊，許 方，陳坤坤，周 煒

(中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

海洋結(jié)構(gòu)與船舶有限元模型空間識別方法

單威俊，許 方，陳坤坤，周 煒

(中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

海洋結(jié)構(gòu)物與船舶進行結(jié)構(gòu)強度有限元規(guī)范校核時，需要從網(wǎng)格數(shù)量龐大的模型中分離出空間單元，采用純手工方式提取，操作繁瑣，耗時且易漏選、錯選。針對此問題本文以船舶為例，對有限元模型空間識別方法進行探索，提出“切分拼接”的方法。研究表明:先利用模型中的自由邊對內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元進行過濾，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)相交對模型進行切分，最后依據(jù)一定的規(guī)則將切分出來的面拼接成艙室空間的方法，能夠為編程實現(xiàn)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物空間自動識別提供可行的方法。

海洋結(jié)構(gòu);船舶;有限元模型;空間識別

0 引言

國際船級社協(xié)會 (IACS）在共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(CSR）基礎(chǔ)上，開發(fā)的協(xié)調(diào)后的共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR），預(yù)計2014年年中生效［1］，這就意味著在這個時間之后簽訂合同的油船和散貨船都要符合HCSR規(guī)范。目前，國際上各大船級社都在緊鑼密鼓的針對 HCSR規(guī)范研發(fā)相應(yīng)的校核軟件［2－3］。HCSR規(guī)范對于腐蝕屬性的創(chuàng)建、屈曲、屈服和疲勞計算的載荷加載，都和艙室空間的類型、結(jié)構(gòu)類型、內(nèi)部構(gòu)件單元以及艙室特性相關(guān)。MSC.PATRAN是工業(yè)領(lǐng)域尤其結(jié)構(gòu)領(lǐng)域著名的有限元前后處理及分析系統(tǒng)，但基于PATRAN用手工分離結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格單元和艙室空間的邊界單元，操作繁瑣，耗時較長，效率低且易出錯。并且在HCSR規(guī)范中，極有可能要求對船中以外區(qū)域和首/尾貨艙模型進行評估分析，而首/尾部的艙室模型由于型線的變化手工操作更加復(fù)雜。因此，迫切需要開發(fā)出結(jié)構(gòu)自動識別和艙室自動識別系統(tǒng)，以期能夠準確識別出艙室的結(jié)構(gòu)、艙室或者空間的邊界網(wǎng)格單元，來提高審圖驗船人員的分析效率。所以，基于有限元模型的結(jié)構(gòu)和艙室空間識別技術(shù)的研究就顯得尤為重要和緊迫。在整個規(guī)范校核軟件系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)識別和艙室空間自動識別算法是系統(tǒng)準確性與否、性能高低的關(guān)鍵。

1 結(jié)構(gòu)識別

結(jié)構(gòu)識別是識別艙室空間的必要條件。船舶結(jié)構(gòu)規(guī)范校核之前，需要根據(jù)規(guī)范對模型進行結(jié)構(gòu)定義，包括結(jié)構(gòu)對應(yīng)的網(wǎng)格單元分組及水密或非水密等其他規(guī)范屬性。定義屬性時，根據(jù)單元所在的結(jié)構(gòu)和艙室的類型，獲取不同的腐蝕環(huán)境，便于自動創(chuàng)建腐蝕屬性。CSR規(guī)范軟件中的結(jié)構(gòu)識別方法是手工選擇單元搜索，由于結(jié)構(gòu)較多，手工操作繁瑣，雖然搜索較準確，但工作量比較大。本文提出可以根據(jù)一些模型的參數(shù)和結(jié)構(gòu)的位置特性，由程序自動識別結(jié)構(gòu)。把一些簡單的、位置特性明顯的結(jié)構(gòu)自動識別出來，從而節(jié)省結(jié)構(gòu)識別時間，簡化操作過程。

1.1 方法描述

本文提及的結(jié)構(gòu)識別方法以模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)的位置特性為基礎(chǔ)。例如根據(jù)模型的橫剖面參數(shù)，計算出外殼、甲板、內(nèi)底等結(jié)構(gòu)的位置信息，然后隨機搜索到一個符合條件的網(wǎng)格單元，即可實現(xiàn)自動識別結(jié)構(gòu)并創(chuàng)建分組。

圖1 結(jié)構(gòu)識別Fig.1 Structural identification

可通過編程實現(xiàn)自動從起始單元開始，通過公共節(jié)點、公共邊 (edges）和網(wǎng)格單元之間的拓撲關(guān)系，搜索相臨單元，不斷循環(huán)搜索，直至完成一個結(jié)構(gòu)的識別［4］。對于平面結(jié)構(gòu)如甲板和內(nèi)底等，可用單元的法向過濾掉與目標結(jié)構(gòu)垂直或成一定角度的單元。根據(jù)單元任意3個節(jié)點p1，p2和p3，由式(1）～式(3）求得起始單元的法向量作為基準向量。搜索與起始單元鄰接的所有單元保存在{ElemPending}集合中并過濾掉梁單元。

利用式(1）～式(3）計算出 { ElemPending}中每個單元的法向量，根據(jù)式(4）求得單元法向量和基準向量夾角，過濾掉法向量不平行于起始單元的非目標結(jié)構(gòu)單元，將結(jié)構(gòu)單元和起始單元一并存入{ E lemPanel}集合中。

對于槽型橫縱艙壁，在對鄰接單元集合{ElemPending}進行判斷時，加入相接單元的公共邊同時存在3個單元或以上的限制條件即可。針對不能通過位置就判斷出來，可以結(jié)合手工判定，盡量減少手工調(diào)整的工作量，最終實現(xiàn)整條船的結(jié)構(gòu)識別。識別流程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)識別流程Fig.2 Structural identification flow

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元自動識別后，保存在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組中，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)之間的相連或相交關(guān)系自動把結(jié)構(gòu)切分成多個塊，在艙室識別中使用。

1.2 輸入?yún)?shù)

根據(jù)船型給出剖面參數(shù)，在模型的剖面參數(shù)基礎(chǔ)上進行自動識別結(jié)構(gòu)，以下列出幾種基本船型的橫剖面，橫艙壁位置處的結(jié)構(gòu)還需要模型的縱剖面參數(shù)，例如橫艙壁橫向位置 (x）。

1）單弦側(cè)和雙舷側(cè)散貨船參數(shù)需如圖3所示的d1，d2，d3(d4），h1，h2，h3，h4，h5和橫艙壁位置。

圖3 單/雙弦側(cè)散貨船橫剖面Fig.3 Transverse section of single/double hull bulk carrier

2）1道和2道縱艙壁油船參數(shù)需如圖4所示的d1，d2，d4(d3），h1，h2，h3和艙壁位置。

以甲板上的起始單元Elemstart為例，起始單元坐標范圍確定方法見式(5）～式(7），遍歷模型中的單元，找到單元型心坐標符合該坐標范圍的任一單元即可，其余結(jié)構(gòu)起始單元確定方式可類推。

圖4 1道/2道縱艙壁油船模型橫剖面Fig.4 Transverse section of single/double longitudinal bulkhead tanker

1.3 識別對象

結(jié)構(gòu)識別針對散貨船和油船船中區(qū)域，包括甲板、外殼、內(nèi)底板、內(nèi)殼板、槽型縱艙壁、槽型橫艙壁、底邊艙斜板、底邊艙橫隔板等結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)識別完成后模型中的每個單元都應(yīng)該屬于且只屬于一個結(jié)構(gòu)組。預(yù)計根據(jù)橫剖面參數(shù)，散貨船船中區(qū)可自動識別的結(jié)構(gòu)如表1所示，油船可自動識別的結(jié)構(gòu)類似。

據(jù)對某實船船中區(qū)有限元模型的研究，模型中包含結(jié)構(gòu)24個，由橫剖面參數(shù)判定出起始單元，進而可實現(xiàn)自動識別網(wǎng)格單元精度為100%的結(jié)構(gòu)可達14個，占結(jié)構(gòu)總數(shù)的比例近60%。相對與純手工提取結(jié)構(gòu)單元，大大減少了搜索的時間以及驗船師的手工操作。

表1 識別對象Tab.1 Identify object

2 艙室識別

2.1 相關(guān)研究

三維空間模型邊界的確定在地質(zhì)學、圖形學、工業(yè)制造等領(lǐng)域有廣泛的涉及。但船舶有限元模型空間的識別與普通三維空間邊界的確定既有區(qū)別又有一定的聯(lián)系。普通三維空間的識別大都基于CAD模型，而船舶有限元模型基于CAE，船舶有限元模型單元數(shù)量一般較大，大型船舶有限元模型的單元個數(shù)超過數(shù)十萬，網(wǎng)格單元之間的拓撲關(guān)系也比較復(fù)雜，識別的對象是每個單元個體組成的邊界，而普通三維空間模型邊界的確定卻基于面和體。其共同點是都需要確定搜索空間的邊界。

三維空間邊界的確定研究較多。張奇華等［4］基于拓撲學有關(guān)原理，建立了“有向性”和“封閉性”概念，提出了全空間塊體搜索的一般性方法并進行了較系統(tǒng)論述。但是該方法只適應(yīng)于封閉塊體的搜索，運用在船舶有限元模型邊界確定上，具有一定局限性。

Y.Jun等［5］提出了內(nèi)腔空間搜索算法，首先對空間區(qū)域進行劃分，通過八叉樹算法將空間中的實體部分確定出來并建立索引，然后采用三維空間掃描線算法對整個空間進行搜索，確定實體內(nèi)腔空間范圍。該方法一般要求對內(nèi)腔體邊界有更多的已知條件，且同樣要求識別的空間封閉，無法應(yīng)用于船舶有限元模型的空間識別。

M.Ankerst等［6］研究了3D模型檢索技術(shù)，該技術(shù)基于3D模式識別和模型匹配以及基于內(nèi)容的圖像檢索，直接對3D模型進行某種切分，然后統(tǒng)計每個切分單元中點的個數(shù)和所有點個數(shù)的比例，構(gòu)成形狀直方圖，再用歐幾里德距離計算相似性。該方法只適應(yīng)于3D模型的檢索和比較，無法應(yīng)用于邊界的精確確定。

總的來說，雖然三維空間邊界的確定研究較多，但是不能直接應(yīng)用于船舶有限元模型空間搜索，而涉及到船舶有限元模型的空間搜索研究較少。

單威俊等［7］根據(jù)散貨船舷側(cè)上任意一個起始有限元網(wǎng)格單元和艙室內(nèi)部任意空問一點P(x，y，z），提出效率較高的算法對每個單元進行判斷，自動識別出艙室的所有邊界單元。但是這種方法要求有較高的輸入條件，且只能完整識別出部分油船和散貨船的艙室，在部分艙室搜索時，有多搜或者少搜單元的現(xiàn)象。

本文基于拓撲學有關(guān)原理，結(jié)合CAE模型和CAD模型優(yōu)勢，將基于單元的CAE模型轉(zhuǎn)化成基于面的CAD模型來處理，提出了“切分拼接”的方法，該方法可以大幅提高艙室空間的搜索效率和搜索精度。

2.2 切分拼接方法

1）原理描述

上述幾種方法對船舶艙室空間識別均無大的借鑒意義。本文提出一種基于有限元網(wǎng)格模型的“切分拼接”方法實現(xiàn)艙室空間的識別。首先，把模型切分成一塊塊沒有被分割的面;然后通過兩面確定第3面的組合方法，將面拼接成空間。先利用模型中的自由邊對內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元進行過濾，和自由邊關(guān)聯(lián)的單元必定是內(nèi)部構(gòu)件而非艙室空間的邊界單元，其中特殊結(jié)構(gòu)上的開孔需特殊處理;然后根據(jù)構(gòu)件之間的相交關(guān)系對模型進行切分 (見圖5），將圖中所示切分出的一系列單元組 (1～21）定義為“面”;最后依據(jù)三維立體幾何的性質(zhì)將切分出來的面拼接成艙室空間。

圖5 切分示意圖Fig.5 Illustration of segmentation

根據(jù)三維立體的幾何性質(zhì)，任何2個相交 (有公共邊）的面可以確定第3個面，其中第3個面必須滿足如下特征:分別與這2個面相交且不交于同一交線，也即第3個面的2條邊分別和已定的2個面是公共邊 (見圖6）。面1和面2相交，面3分別與面1和面2相交且不交于同一交線，由此得出面3是屬于該三維艙室空間的邊界。圖6為實際模型中的3個相關(guān)面的拓撲關(guān)系。

圖6 拼接示意圖Fig.6 Illustration ofmontage

2）實現(xiàn)過程

首先，將模型切分為若干塊沒有被分割的面，如圖7所示。切分面有以下幾種方法可選擇:不過濾自由邊 (不進行預(yù)處理）直接切分;過濾自由邊關(guān)聯(lián)的內(nèi)部構(gòu)件單元之后切分;按水密結(jié)構(gòu)的相交關(guān)系切分;按自定義結(jié)構(gòu)相交關(guān)系切分。

圖7 模型切分效果Fig.7 Illustration of segmentationmodel

其次，采用上述方法原理將切分出的面再拼接成艙室空間。其中對于槽型艙壁將Edges的2個端點近似看做1條邊。實現(xiàn)步驟如下:

步驟1:指定任一屬于艙室空間邊界的單元作為起始單元;

步驟2:根據(jù)起始單元的拓撲關(guān)系識別出艙室空間的第1塊“面”;

步驟3:由第1塊“面”的邊的拓撲關(guān)系，確定第2塊“面”;

步驟4:根據(jù)第2.2節(jié)1）中的描述判定出第3塊“面”;

步驟5:將第3塊“面”替代為第1塊“面”;

步驟6:迭代步驟3～步驟5，直至艙室空間拼接完成;

步驟7:定義識別出的空間所屬的艙室類型，如貨油艙、壓載艙等，用于后期創(chuàng)建腐蝕環(huán)境。

最后，對于沒有正確識別的艙室空間可采用手工調(diào)整方法補充完善。

圖8 艙室空間搜索流程Fig.8 The flow of cabin space detect

2.3 流程及難點

1）預(yù)處理

艙室空間識別之前要進行預(yù)處理，過濾掉非邊界的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元，但如何獲取所有的內(nèi)部構(gòu)件單元不太容易。經(jīng)對船舶有限元模型研究，除極少數(shù)特殊的水密艙壁上有開口外，艙室的邊界都應(yīng)為水密結(jié)構(gòu)，不含有自由邊。因此本文提出，首先獲取所有的自由邊，再根據(jù)自由邊相關(guān)聯(lián)的單元的拓撲結(jié)構(gòu)得到的單元即為內(nèi)部構(gòu)件單元。對于結(jié)構(gòu)的開孔，自由邊的節(jié)點是閉環(huán)，可以根據(jù)Edgs節(jié)點的拓撲關(guān)系判定，進而識別艙室時根據(jù)結(jié)構(gòu)類型對開孔進行相應(yīng)處理。

圖9 預(yù)處理流程及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.9 Preprocess flow and internal structure

2）拼接艙室

船舶結(jié)構(gòu)有限元模型相對比較復(fù)雜，特別是在槽型艙壁與底邊艙斜板相連處、雙槽型艙壁相交處及槽型艙壁和頂?shù)氏噙B處，會出現(xiàn)部分三角形單元，預(yù)處理切分時難免會出現(xiàn)形狀不規(guī)則的“面”，甚至1個面只包含1個單元。艙室空間拼接時可能出現(xiàn)符合拼接規(guī)則，但不是邊界單元的面。該情況可獲取結(jié)構(gòu)識別部分設(shè)定的橫剖面參數(shù)，根據(jù)相應(yīng)船型排除非艙室空間邊界的面。另外，用起始單元鎖定第1塊面之后，由第1塊面的邊拓撲關(guān)系可能會獲取多塊待判定的面，從待定的面中識別出正確的艙室空間的邊界是個難點。本文研究的方法為，分別在2個面內(nèi)作垂直于公共邊的輔助向量并計算夾角，若夾角為0°～180°即可確定為第2塊邊界面。

圖10 拼接流程及空間角隅Fig.10 Montage flow and space corner

3 應(yīng)用實例

以MSC.Patran為處理平臺，使用PCL(Patran Command Language）作為開發(fā)語言，基于上述思想開發(fā)了船舶艙室空間識別程序?qū)Ρ疚牡姆椒ㄟM行驗證。經(jīng)對某散貨船和油船實船的有限元模型進行測試，可以實現(xiàn)模型的合理切分并有效識別艙室空間。

另外，對于含有雙槽型艙壁的油船，利用本文方法也能實現(xiàn)貨油艙空間的識別。由于槽型艙壁結(jié)

圖11 散貨船艙室空間Fig.11 Cabin spaces of bulk carrier

構(gòu)網(wǎng)格自身的復(fù)雜性，手工提取此種類型的艙室勢必需要花費大量的人力，上述方法為編程實現(xiàn)艙室空間的自動識別提供一種可行的技術(shù)方案，大大降低驗船師的工作量和縮短審圖周期。

圖12 雙槽型艙壁油船艙室空間Fig.12 Cabin spaces of double corrugated bulkheads tanker

4 結(jié)語

本文按照船舶規(guī)范校核中對艙室空間識別的需要，完成了基于有限元模型結(jié)構(gòu)和艙室空間識別方法的探索研究。主要結(jié)論如下:

1）可根據(jù)船舶橫剖面和縱剖面配合船型，實現(xiàn)約60%的結(jié)構(gòu)完全自動搜索;

2）提出了基于三維立體幾何性質(zhì)的切分拼接方法可以實現(xiàn)艙室空間的自動識別，并編寫程序?qū)υ摲椒ǖ挠行赃M行驗證;

3）為船舶與海洋結(jié)構(gòu)空間的自動識別提供一種可行的技術(shù)方法，可大大降低船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計工程師的工作量和縮短審圖周期。

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Research on spaces detection methods of offshore structure and ship FEM model

SHANWei-jun，XU Fang，CHEN Kun-kun，ZHOUWei
(China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，China）

During structure strength assessment of offshore structures and ships，the cabin spaces need to be derived from the numerous elementmodels.It can be done bymanual extraction.But the problem is thatmanual extraction is quite tedious and time-consuming.This paper is written to study the detection methods for cabin spaces based on the finite elementmodels and themethod of splitting and jointing is put forward.Research shows it isworkable to follow the next steps to realize the automatic recognition of cabin spaces for programming:First，filter the internal structure by using the free edges in themodel;then separate the model according to intersection segmentation between structures;finally use mosaic segmentation selected by certain rules tomake cabin space.

offshore structure;ship;finite elementmodel;space detect

U663.2

A

1672－7649(2014）05－0025－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.006

2013－10－24;

2014－01－28

上海市科學技術(shù)委員會資助項目(［2012］12231203700）

單威俊(1982－），男，碩士，工程師，主要從事CAE二次開發(fā)技術(shù)方面的研究工作。

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