SPD 與Patran接口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

朱靖元，余 盛，鄭斌華

（上海東欣軟件工程有限公司，上海 201203）

0 引 言

SPD是一個(gè)自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)船舶CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，主要用來(lái)加快設(shè)計(jì)速度、改進(jìn)產(chǎn)品造型和提高繪圖質(zhì)量，而產(chǎn)品性能質(zhì)量的好壞完全取決于一系列CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）工程分析、校驗(yàn)和仿真手段，在CAD設(shè)計(jì)的同時(shí)，運(yùn)用CAE對(duì)產(chǎn)品的幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)產(chǎn)品的性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，從而達(dá)到改善設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品性能、縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期的目的。Patran軟件是主流的CAE前處理器[1]。

SPD定義的艦船結(jié)構(gòu)模型[2]，包含設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造信息，船體結(jié)構(gòu)模型主要構(gòu)成要素為艙、面、分段、板架，其中板架由邊界、板縫、板、筋、孔、貫穿孔、通焊孔（角隅）、肘板、折邊、墊板等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)模型除了定義幾何數(shù)據(jù)、構(gòu)件及位置、相互拓?fù)潢P(guān)系外，還有技術(shù)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、功能數(shù)據(jù)，以及它們的層次關(guān)系。而CAE 模型用于劃分網(wǎng)格進(jìn)行有限元計(jì)算，需要的是節(jié)點(diǎn)和單元信息。用途的不同導(dǎo)致Patran系統(tǒng)無(wú)法直接使用SPD系統(tǒng)導(dǎo)出的模型，系統(tǒng)間形成信息孤島，數(shù)據(jù)流和過(guò)程流不透明。目前在對(duì)船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模時(shí)，大部分還都是采用手工建模，從船舶結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段完成的二維圖紙上量取船舶結(jié)構(gòu)的位置坐標(biāo)，輸入到Patran中，建立節(jié)點(diǎn)和單元，再為單元賦予屬性。這樣建模的過(guò)程非常繁瑣，效率低且容易出錯(cuò)，影響了船舶結(jié)構(gòu)有限元分析工作的效率。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),有限元分析各階段所用時(shí)間為：40%～45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)的輸入，50%～55%用于分析結(jié)果的判讀和評(píng)定，而分析計(jì)算只占5%左右。因此，開發(fā)SPD與Patran的接口系統(tǒng)，將生產(chǎn)設(shè)計(jì)的模型簡(jiǎn)化處理成可以進(jìn)行有限元計(jì)算的模型，使SPD模型能夠快速轉(zhuǎn)化為有限元模型，解決重新建模造成的時(shí)間和人力浪費(fèi)問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)在產(chǎn)品全生命周期中的一致性，從而節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也推進(jìn)SPD系統(tǒng)在船體初步設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)概述

由SPD系統(tǒng)建立的船舶結(jié)構(gòu)模型主要以線框式表達(dá)，即由點(diǎn)、線、面構(gòu)成，也包含了各設(shè)計(jì)階段和部分生產(chǎn)制造信息。Patran系統(tǒng)對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真分析，主要是分析船體構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，大量與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無(wú)關(guān)的構(gòu)件可以在確定規(guī)則下對(duì)結(jié)構(gòu)模型做精簡(jiǎn)處理，得到帶屬性的結(jié)構(gòu)幾何模型[3～5]。因此，在開發(fā)SPD與Patran的接口系統(tǒng)時(shí)，研究了SPD與Patran的模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將SPD中帶屬性的艦船結(jié)構(gòu)幾何模型進(jìn)行解析，根據(jù)Patran分析有限元模型單元以肋位和構(gòu)件布置構(gòu)成的特點(diǎn)，對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理并加載屬性，生成Patran系統(tǒng)可直接用于有限元分析計(jì)算的模型文件[6]。

根據(jù)Patran系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)交換接口，選擇以SESSION（以下簡(jiǎn)稱SES）格式文件作為模型的文件輸出方式。SES文件能夠表達(dá)模型的幾何要素和材料等屬性信息，并且SES文件在Patran中重現(xiàn)的是真正的三維模型，方便用戶查看及后期處理。

2 系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)設(shè)計(jì)

接口系統(tǒng)架構(gòu)見圖1系統(tǒng)數(shù)據(jù)的流程圖。從圖1可知接口系統(tǒng)與SPD系統(tǒng)、Patran系統(tǒng)的關(guān)系，并解釋其內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理與簡(jiǎn)化的流程。接口系統(tǒng)與SPD服務(wù)器通訊，獲取、解析最新的模型數(shù)據(jù)和參數(shù)；對(duì)SPD系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、過(guò)濾、簡(jiǎn)化、優(yōu)化、重構(gòu)模型等處理，最終生成SES格式文件。此文件完全符合Patran系統(tǒng)的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，可以被Patran直接讀入并生成模型。

圖1 數(shù)據(jù)流程

3 主要功能模塊說(shuō)明

SPD與 Patran接口系統(tǒng)的核心功能就是把生產(chǎn)設(shè)計(jì)的模型簡(jiǎn)化處理成可以進(jìn)行有限元計(jì)算的模型文件，其他都是圍繞這個(gè)核心展開的（見圖2）。模型簡(jiǎn)化處理除了系統(tǒng)自動(dòng)簡(jiǎn)化過(guò)濾外還提供人機(jī)交互功能，方便用戶進(jìn)一步的對(duì)導(dǎo)出模型的幾何信息進(jìn)行處理。另外，提供的“型材轉(zhuǎn)換”和“角度轉(zhuǎn)換”功能是對(duì)模型屬性信息的人為干涉，用戶可以根據(jù)不同需求對(duì)屬性進(jìn)行改造。

圖2 接口系統(tǒng)功能模塊

3.1 工程設(shè)置與模型選擇

此類功能與SPD系統(tǒng)聯(lián)系緊密，通過(guò)調(diào)用SPD的工程配置、數(shù)據(jù)庫(kù)、文件等，將模型導(dǎo)入到SPD與Patran的接口系統(tǒng)中，并在界面中顯示，方便人機(jī)交互及后期處理。

工程選擇：使用SPD的網(wǎng)絡(luò)工程項(xiàng)目或者本地項(xiàng)目；

分段選擇：根據(jù)分段列表選擇工程項(xiàng)目中的一個(gè)或多個(gè)分段；

區(qū)域選擇：根據(jù)輸入坐標(biāo)值導(dǎo)入艦船在該坐標(biāo)區(qū)域內(nèi)的所有模型結(jié)構(gòu)。

3.2 輔助功能

輔助功能主要由SPD系統(tǒng)提供，方便用戶的使用。其中包括：模型導(dǎo)入后的多視圖瀏覽；旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、放大縮小、正選反選等操作；利用切平面進(jìn)行局部查看，或在視圖界面上全模型顯示；也可以隱藏或刪除不需要的結(jié)構(gòu)；以及不同功能按鈕實(shí)現(xiàn)多種模式顯示模型，如線框、實(shí)體、透明等。

3.3 模型查詢

主要提供零件查詢和模型定位功能，方便用戶在系統(tǒng)使用過(guò)程中對(duì)模型零件的信息查找。

零件查詢：導(dǎo)入分段模型后，在視圖中顯示該模型。如果需要查詢某一板零件的相關(guān)信息即在視圖模型上選擇要查詢的板架，確定后出現(xiàn)的對(duì)話框中顯示零件的名稱，材料和板厚信息。

模型定位：如果需要定位某板架，使用本功能，根據(jù)輸入的板架名稱（不區(qū)分大小寫）黃色高亮顯示定位板架，當(dāng)板架名稱錯(cuò)誤或不存在時(shí)，系統(tǒng)給出提示信息。

3.4 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化處理

主要闡述數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化、過(guò)濾、處理以及性能優(yōu)化等，去除掉內(nèi)孔之后的平面和曲面能夠在幾何上連續(xù)；系統(tǒng)處理肋位與面的交線，扶強(qiáng)材在板上的跡線，加強(qiáng)筋、肋位線、板交線兩兩之間的交點(diǎn)，板和板的交線，包含平面板、曲面板和肘板之間的各種交線；將屬性一致的多塊板合并成一塊板，并將屬性加載到板上，方便模型在Patran中的網(wǎng)格劃分與計(jì)算。

3.4.1 板處理

系統(tǒng)目前只針對(duì)強(qiáng)度影響比較大的船體主結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，包括平面板、平面扶強(qiáng)材、曲面板、曲面扶強(qiáng)材和大型肘板，使最終導(dǎo)入的模型在不影響強(qiáng)度的情況下盡量簡(jiǎn)單，以方便網(wǎng)格劃分和強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)于SPD中的板結(jié)構(gòu)，將相鄰的屬性一致的板合并成一個(gè)大板，系統(tǒng)將針對(duì)所有合并后的板進(jìn)行處理（見圖3(a)）。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)按照實(shí)際情況顯示并輸出合并后的板架外邊界，但對(duì)于某些特殊情況，需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理（見圖3(b)），線段AB為板1與板2的交線，BC段長(zhǎng)度小于系統(tǒng)給定的誤差值，根據(jù)Patran的網(wǎng)格劃分需求，板2的邊界C點(diǎn)是無(wú)意義點(diǎn)，將C點(diǎn)縮至B點(diǎn)位置。

圖3 板處理

3.4.2 板交線優(yōu)化

系統(tǒng)按照船體理論線對(duì)所有模型的空間位置進(jìn)行定位。船體板交線是忽略板厚度，取板定位面的交線（見圖4(a)）。一般按照實(shí)際情況顯示交線，但對(duì)圖4(b)右圖所示的情況需進(jìn)行優(yōu)化，線段BC為板1與板2的實(shí)際交線，A為其延長(zhǎng)線與板1邊界的交點(diǎn)，當(dāng)AB的長(zhǎng)度小于系統(tǒng)給定的誤差值，將板交線優(yōu)化為AC段。

圖4 板交線的優(yōu)化

3.4.3 簡(jiǎn)化過(guò)濾

系統(tǒng)自動(dòng)過(guò)濾掉較小肘板以及合并后的板上的一些不影響強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，如貫穿孔、邊界孔等。并提供簡(jiǎn)化和過(guò)濾功能，可以根據(jù)用戶需求過(guò)濾不同類型的板架以及給定規(guī)格的內(nèi)孔，當(dāng)內(nèi)孔包圍盒的最小值小于某一個(gè)值或者最大值小于另一個(gè)值時(shí)，過(guò)濾掉此內(nèi)孔（見圖5）。系統(tǒng)不對(duì)曲面板上的內(nèi)孔做處理。

1)x為給定值，當(dāng)min(a,b)＜x時(shí)，過(guò)濾此孔（見圖5(a)）。

2)y為給定值，當(dāng)min(c,d)＜y時(shí)，過(guò)濾此孔（見圖5(b)）。

圖5 內(nèi)孔過(guò)濾

3.4.4 筋偏移

在SPD系統(tǒng)中，加強(qiáng)筋是依附于板架定義的，因此合并板架時(shí)將屬性相同的板架上的加強(qiáng)筋也進(jìn)行合并，再對(duì)合并后的加強(qiáng)筋進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。圖6為加強(qiáng)筋的簡(jiǎn)化處理，Patran系統(tǒng)要求用線段表示加強(qiáng)筋，虛線為加強(qiáng)筋的理論線（跡線）。

1) 遍歷加強(qiáng)筋與邊界（相交加強(qiáng)筋）的距離，少于指定距離，延長(zhǎng)扶強(qiáng)材的端點(diǎn)至邊界（相交加強(qiáng)筋理論線），見圖6(a)。

2) 滿足加強(qiáng)筋延長(zhǎng)條件的基礎(chǔ)上，遍歷加強(qiáng)筋與邊界的垂點(diǎn)（點(diǎn)b、d、h、f），如果垂點(diǎn)與附近的交點(diǎn)（點(diǎn)a、d、e、g）小于指定距離，令加強(qiáng)筋端點(diǎn)偏移至交點(diǎn)（見圖6(b)），偏移后的加強(qiáng)筋筋1為ad段，筋2為ef段。

選項(xiàng)設(shè)置：本功能可以對(duì)需要導(dǎo)出的SPD模型類型（平面板、曲面板和肘板）進(jìn)行配置；通過(guò)設(shè)置孔的包圍盒的最小值和最大值閥值對(duì)孔進(jìn)行過(guò)濾設(shè)置；通過(guò)設(shè)置邊界線或交點(diǎn)與加強(qiáng)筋的距離最大閥值對(duì)筋進(jìn)行偏移設(shè)置；還可以設(shè)置模型在Patran中的全局計(jì)算精度。

圖6 筋偏移處理

3.5 屬性設(shè)置

Patran中將所有的模型結(jié)構(gòu)，分成兩大基本類：板單元與梁?jiǎn)卧Ｕ麄€(gè)模型板材全部使用板單元進(jìn)行模擬；骨材、扶強(qiáng)材均采用二維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。板單元屬性定義包括材料和厚度信息；梁?jiǎn)卧獙傩远x包含型材截面尺寸、型材朝向和偏置距離等。

一般來(lái)說(shuō)，Patran中可以識(shí)別使用SPD系統(tǒng)中模型的屬性值，但是SPD模型中的球扁鋼在Patran中是以角鋼的形式做處理的，因此系統(tǒng)提供“型材轉(zhuǎn)換”功能，用戶可以根據(jù)不同船級(jí)社的要求自行輸入球扁鋼與角鋼的轉(zhuǎn)換。圖7(a)為型材轉(zhuǎn)換界面?！敖嵌绒D(zhuǎn)換”功能則是針對(duì)處理梁?jiǎn)卧男筒某蚨峁┑墓δ?。將SPD模型中得到的向量角度轉(zhuǎn)換成Patran中方便計(jì)算的向量角度，轉(zhuǎn)換規(guī)則由用戶自行定義，根據(jù)不同需求定義不同的轉(zhuǎn)換方式。圖7(b)為角度轉(zhuǎn)換界面。

圖7 型材轉(zhuǎn)換及角度轉(zhuǎn)換界面

3.6 文件導(dǎo)出

本功能是在設(shè)置完所有選項(xiàng)后，在交互視圖上選擇需要導(dǎo)出模型，確定文件名稱及存儲(chǔ)路徑，生成SES格式文件。導(dǎo)出過(guò)程中由進(jìn)度條顯示導(dǎo)出進(jìn)度，結(jié)束后導(dǎo)出的板架上顯示綠色的線條包括輪廓線、板交線、加強(qiáng)筋等（見圖8）。

圖8 文件導(dǎo)出界面顯示

4 Patran系統(tǒng)模型重建

將SES格式文件導(dǎo)入Patran系統(tǒng)后，系統(tǒng)對(duì)SES文件進(jìn)行逐句讀入，讀入的過(guò)程即為Patran中模型重建的過(guò)程。接口系統(tǒng)將處理過(guò)的模型分成了肋骨線、板交線、加強(qiáng)筋、板邊界線、三維面、交點(diǎn)六個(gè)“組”，在 Patran中分別用不同的顏色表示。文件導(dǎo)入模型生成效果圖（見圖 9）。用戶可以選擇不同“組”查看重建后的模型的某種類型線或交點(diǎn)，也可以查看單塊板、筋、線的幾何信息和屬性信息。

由于接口系統(tǒng)導(dǎo)出是單向的，即SPD模型可以導(dǎo)成Patran識(shí)別的SES文件，不能將Patran文件由接口導(dǎo)成SPD的模型文件。且SES文件存在點(diǎn)線面的ID號(hào)，因此當(dāng)修改SPD模型后，如果需要修改后的SPD模型生成的Patran模型，應(yīng)將修改后的SPD模型使用接口系統(tǒng)重新生成新的SES文件，再將新的SES文件讀入到Patran中；或在Patran中對(duì)原有模型做相應(yīng)修改。

圖9 Patran系統(tǒng)模型重建效果

5 結(jié) 語(yǔ)

以SPD與Patran的接口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開發(fā)為主題，主要介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計(jì)、功能模塊及數(shù)據(jù)流程。系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行試用，并取得了良好的評(píng)價(jià)。

目前，接口系統(tǒng)只是完成了幾何模型的重建和屬性信息的加載，并沒有提供自動(dòng)網(wǎng)格的劃分功能，而且現(xiàn)階段解決的只是處理船體結(jié)構(gòu)模型，并沒有將結(jié)構(gòu)信息外的船舶設(shè)計(jì)信息結(jié)合起來(lái)。這些都是值得后期研究的課題，SPD與Patran的接口系統(tǒng)還在繼續(xù)開發(fā)與完善的過(guò)程中。隨著系統(tǒng)的逐漸改進(jìn)與完善，SPD與Patran的接口系統(tǒng)將成為SPD重要的組成部分，也為開發(fā)SPD與其他有限元分析軟件的接口系統(tǒng)提供重要的參考。

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