NAPA STEEL在大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張 偉 陳 磊

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

NAPA STEEL 是芬蘭NAPA公司開(kāi)發(fā)的船舶設(shè)計(jì)軟件包中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，其主要功能有結(jié)構(gòu)快速建模、二維輔助出圖、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、船級(jí)社軟件接口及有限元模型輸出等。利用NAPA STEEL進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)在行業(yè)內(nèi)已有了一些研究介紹［1-5］。

2012年至2013年，我院在兩條萬(wàn)箱級(jí)集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中利用NAPA STEEL軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)效率和水平的提高。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)化三維快速建模

所謂參數(shù)化就是將設(shè)計(jì)過(guò)程中的數(shù)據(jù)用靈活可變的參數(shù)來(lái)表示，以便根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)加以更改。由于集裝箱都是采用標(biāo)準(zhǔn)化尺寸，對(duì)于相似尺度的集裝箱船盡管會(huì)在箱位布置上有些差異，但參數(shù)化后的集裝箱船結(jié)構(gòu)模型可以對(duì)總體專業(yè)的修改做出快速響應(yīng)；同時(shí)對(duì)后續(xù)船也可以很快實(shí)現(xiàn)模型修改，從而縮短后續(xù)船的設(shè)計(jì)周期。因此，在大型集裝箱船上使用NAPA STEEL軟件進(jìn)行參數(shù)化三維設(shè)計(jì)較其他船型具有先天的優(yōu)勢(shì)。

NAPA 自2011.1版本開(kāi)始推出了針對(duì)集裝箱船結(jié)構(gòu)快速建模的Container Manager，與其他NAPA中的Manager相似，只需按照流程樹(shù)操作，便可完成集裝箱船的主要結(jié)構(gòu)建模。由于在使用Container Manager之前，只需要總體專業(yè)提供全船艙室的幾何模型和平臺(tái)、縱艙壁的幾何參考面，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期階段便可使用該Manager進(jìn)行建模，以得到初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，由于在整個(gè)流程中大量使用了參考坐標(biāo)，后期利用拓?fù)潢P(guān)系可以快速修改設(shè)計(jì)方案。

圖1是Container Manager的流程樹(shù)。從圖中可以看出，建模的流程為：基本數(shù)據(jù)定義（參考坐標(biāo)系、強(qiáng)框間距、STR表、貨艙、參考結(jié)構(gòu)面），船體主要結(jié)構(gòu)建模（外板、強(qiáng)框、底部肋板、甲板、縱艙壁、底部縱桁、橫艙壁，艙口圍）。其中船體主要結(jié)構(gòu)建模有相類似的過(guò)程，首先在Manager中根據(jù)之前定義好的參考坐標(biāo)系和參考結(jié)構(gòu)面，生成初步的Surface Object，將其歸入對(duì)應(yīng)的STR表，然后根據(jù)實(shí)際情況在Manager或NAPA STEEL中對(duì)這些Object做適當(dāng)?shù)男薷摹D2是通過(guò)交互式建模對(duì)縱艙壁進(jìn)行修改的示意圖，NAPA STEEL在顯示參考坐標(biāo)的同時(shí)也包含捕捉功能，大大提高了建模的便捷性和準(zhǔn)確性。

圖1 Container Manager流程樹(shù)

圖2 Container Manager縱艙壁的交互式建模

1.1 NAPA STEEL建模

根據(jù)以上介紹，在Container Manager中只能得到一個(gè)較為簡(jiǎn)單的主船體結(jié)構(gòu)模型，有些Surface Object還需修改，同時(shí)板材并不包含板縫、板厚、材料、加強(qiáng)筋等信息，這些工作都需在NAPA STEEL模塊中進(jìn)一步完善。這里主要的工作是添加一些在Manager中無(wú)法定義的Surface Object，例如首尾區(qū)域、機(jī)艙區(qū)域中的局部結(jié)構(gòu)以及在Surface Object上添加扶強(qiáng)材等信息。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)建Surface Object時(shí)有如下建議：

（1）合理使用參考坐標(biāo)。參考坐標(biāo)包含參考坐標(biāo)系、幾何參考面等，通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系減少后期的修改量。

（2）規(guī)范Surface Object和其幾何參考面的命名。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，方便后期的查找及修改。

（3）運(yùn)用Macro減少重復(fù)工作。通過(guò)NAPA語(yǔ)言編制相應(yīng)的宏，運(yùn)用循環(huán)語(yǔ)句，快速定義邊界相似的結(jié)構(gòu)。

（4）利用NAPA STEEL界面工具進(jìn)行交互式建模。利用這些工具可以進(jìn)行Surface Object的復(fù)制、對(duì)稱等操作，方便相同參考坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的建模。

（5）把生成的Surface Object定義存至Text文檔中，以便后期查找及修改。

在Surface Object的建模工作完成后，需要在Surface Object上添加扶強(qiáng)材、肘板、開(kāi)孔、板厚、材料等屬性信息，也給出如下建議：

（1）每類信息都以表格形式存在，不同的Surface Object可以共同使用一個(gè)表格來(lái)定義信息。合理使用共用表格可以節(jié)省建模時(shí)間。

（2）定位的時(shí)候運(yùn)用參考坐標(biāo)，盡量避免使用絕對(duì)坐標(biāo)，方便后期的查找及修改。

圖3 目標(biāo)船的三維結(jié)構(gòu)模型

（3）運(yùn)用Macro命令添加信息至表格，充分利用NAPA自帶的循環(huán)語(yǔ)句。

2 NAPA STEEL結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)功能描述

在完成NAPA STEEL 結(jié)構(gòu)模型之后，就可以利用該三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)完成如二維出圖、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)入船級(jí)社軟件和生成有限元模型等任務(wù)。然而各項(xiàng)任務(wù)對(duì)于模型的要求（主要體現(xiàn)在精細(xì)程度上）是不同的，比如質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、二維出圖等，要求模型盡可能地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)，而如果是利用NAPA STEEL模型導(dǎo)出全船有限元模型，由于僅要粗網(wǎng)格模型（網(wǎng)格為強(qiáng)框至強(qiáng)框），對(duì)于很多結(jié)構(gòu)都要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，與實(shí)際結(jié)構(gòu)會(huì)有不小的出入，因此基于NAPA軟件目前的情況，對(duì)于不同的任務(wù)使用同一個(gè)模型數(shù)據(jù)庫(kù)是不合適的。根據(jù)現(xiàn)在的使用經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、二維出圖和導(dǎo)入船級(jí)社軟件可共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)和總體專業(yè)共同使用。全船有限元建議單獨(dú)用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，由于設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)形式的修改會(huì)影響到全船有限元結(jié)果的評(píng)估，因此，可通過(guò)使用共用數(shù)據(jù)庫(kù)表格替換本數(shù)據(jù)庫(kù)的表格來(lái)完成，從而保證兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的屬性一致。

2.2 二維出圖

NAPA STEEL二維出圖的主要功能是輔助進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)出圖，可以通過(guò)Drawing Manager進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)。在其中可以對(duì)導(dǎo)出的二維圖紙的線型、圖層等進(jìn)行控制，便于導(dǎo)入AutoCAD后進(jìn)行修改。

2.3 質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

對(duì)于質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，在初步設(shè)計(jì)階段，可利用Container Manager進(jìn)行全船的初步快速建模，建模對(duì)象主要是船體的主要構(gòu)件，局部構(gòu)件可通過(guò)加權(quán)系數(shù)等考慮。這樣，通過(guò)NAPA STEEL可以得到全船結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、質(zhì)心預(yù)估結(jié)果，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期就能得到一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的空船質(zhì)量和質(zhì)心。隨著設(shè)計(jì)深入，模型可以添加更多的細(xì)節(jié)，例如更詳細(xì)的扶強(qiáng)材、肘板、開(kāi)口、板縫和材料等信息，使得結(jié)構(gòu)質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)更詳細(xì)并趨于精確。表1是初步設(shè)計(jì)階段目標(biāo)船某分段NAPA STEEL模型與船廠最終TRIBON模型在質(zhì)量與縱向質(zhì)心上的比較。從表中可以發(fā)現(xiàn)，兩者質(zhì)量偏差在5%左右，縱向質(zhì)心偏差更小，說(shuō)明NAPA STEEL 可以讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期對(duì)質(zhì)量、質(zhì)心有一個(gè)大致的了解。

表1 NAPA STEEL與TRIBON質(zhì)量統(tǒng)計(jì)比較

2.4 船級(jí)社軟件接口

NAPA 自2011.1版本開(kāi)始增加了新的Interface to Rules Manager［6］，目前版本支持將 NAPA STEEL模型導(dǎo)入 LR、DNV和GL三家船級(jí)社的規(guī)范計(jì)算軟件。

在本次項(xiàng)目中，我們將NAPA STEEL與這三家船級(jí)社的規(guī)范軟件的接口都進(jìn)行了嘗試，以DNV/Nauticus軟件為例，圖4的流程圖為將NAPA STEEL模型信息導(dǎo)入Nauticus軟件的流程圖。

圖4 NAPA STEEL模型導(dǎo)入Nauticus軟件流程圖

通過(guò)嘗試，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)出的結(jié)果不甚理想，最關(guān)鍵的問(wèn)題是結(jié)構(gòu)屬性信息有所丟失，并不適宜直接利用其導(dǎo)出的文件進(jìn)行規(guī)范計(jì)算。隨著NAPA公司對(duì)其軟件的更新，相信此項(xiàng)功能會(huì)逐步完善。據(jù)了解，NAPA公司與NK船級(jí)社合作，在該Manager中加入了對(duì)NK船級(jí)社規(guī)范計(jì)算軟件的支持。

2.5 有限元模型輸出

通過(guò)在Container Manager中快速建模及在NAPA STEEL中對(duì)部分Surface Object做修改，便可生成有限元模型。NAPA中可以導(dǎo)出Global、Local、Fine三類有限元模型，本項(xiàng)目導(dǎo)出的是全船的Global模型，各參數(shù)主要是通過(guò)FEMDEF表格來(lái)控制，包括網(wǎng)格大小，四邊形比重，邊界處的網(wǎng)格長(zhǎng)度等，詳細(xì)內(nèi)容可以參看軟件幫助［4］。

目前，NAPA STEEL可以導(dǎo)出后綴名為.out和.bdf的文件供Patran，Ansys等有限元軟件進(jìn)行下一步處理。其中.bdf文件中的扶強(qiáng)材是包含截面形狀的，而在.out文件中包含模型的分組信息。導(dǎo)出的有限元模型在后期還需作如下修改：

（1）網(wǎng)格形狀。由于NAPA的網(wǎng)格是依靠軟件計(jì)算自動(dòng)生成的，雖然可以進(jìn)行一些參數(shù)的控制，但如果生成的模型非平行中體段，某些線型變化較大位置的網(wǎng)格還是需要手工調(diào)整，以滿足計(jì)算的要求。

（2）加強(qiáng)筋的均攤。由于全船有限元的間距為強(qiáng)框到強(qiáng)框，因此大部分加強(qiáng)筋都會(huì)攤到相鄰的網(wǎng)格邊界上去。NAPA STEEL中在創(chuàng)建加強(qiáng)筋時(shí)也可以作相應(yīng)設(shè)置，但在導(dǎo)出有限元模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)有時(shí)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間可能存在不止1根加強(qiáng)筋，這樣導(dǎo)出的模型如果用MSC/Nastran求解器沒(méi)有問(wèn)題，但某些船級(jí)社軟件則視其存在錯(cuò)誤，無(wú)法計(jì)算。另外，加強(qiáng)筋可能并不往最近的有限元網(wǎng)格邊界上均攤。

（3）檢查重復(fù)單元及自由邊。

圖5 目標(biāo)船首部有限元模型示意圖

3 結(jié) 論

（1）利用NAPA最新的Container Manager可以快速對(duì)集裝箱船的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段，可以對(duì)總體專業(yè)的修改（如線型、箱位）做出快速響應(yīng)，以完成初步的方案設(shè)計(jì)。

（2）在NAPA STEEL中通過(guò)使用參考坐標(biāo)，可以完成集裝箱船大部分結(jié)構(gòu)（板、扶強(qiáng)材、開(kāi)孔、肋板等）的參數(shù)化建模，本文摸索出一套快速有效的建模方法。

（3）利用NAPA STEEL結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)可進(jìn)行基本結(jié)構(gòu)二維出圖、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、有限元輸出等任務(wù)，還能將剖面信息導(dǎo)入船級(jí)社軟件中進(jìn)行規(guī)范描述性校核，為后期的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，并可進(jìn)行靈活的修改以實(shí)現(xiàn)二維圖紙、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、有限元模型及信息輸出的實(shí)時(shí)更新。

［1］ 管義鋒，王劍.基于 NAPA STEEL 的船體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模研究［J］.船舶工程，2009 （5）：37-39.

［2］ 袁俊.基于NAPA STEEL 在船舶研發(fā)和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2007（2）：43-46.

［3］ 張瑞瑞，謝云平，包國(guó)治.基于NAPA 的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究［J］.船舶工程，2010（5）：44-46.

［4］ 姜廣煜，謝云平，劉可峰，等.基于NAPA大寬深比船舶總縱強(qiáng)度計(jì)算方法及分析［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（S1）：21-23.

［5］ 張志軍.NAPA概述及NAPA船體模型的建立［J］.船舶設(shè)計(jì)通訊，2003（Z1）：36-40.

［6］ NAPA Limited Liability Company.NAPA Manuals ［S］．2011.