基于NAPA Steel模型導(dǎo)出模塊程序的研究

王 靖，岳興華，金嬌輝，楊高勝

（1.農(nóng)業(yè)部 漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2.遼寧陸海石油裝備研究院，遼寧盤(pán)錦 124010）

基于NAPA Steel模型導(dǎo)出模塊程序的研究

王 靖1，岳興華2，金嬌輝1，楊高勝1

（1.農(nóng)業(yè)部 漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2.遼寧陸海石油裝備研究院，遼寧盤(pán)錦 124010）

NAPA Steel具有從初步設(shè)計(jì)到自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型的功能，將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入到有限元分析軟件就可以直接對(duì)所要分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。文中以坐底式平臺(tái)為例，通過(guò)基于NAPA BASIC宏程序語(yǔ)言對(duì)NAPA數(shù)據(jù)庫(kù)中宏程序的再開(kāi)發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)從利用NAPA進(jìn)行初步設(shè)計(jì)到ANSYS結(jié)構(gòu)有限元模型分析，大大減少了有限元結(jié)構(gòu)分析軟件建模時(shí)間，可以為以后坐底式平臺(tái)、自升式平臺(tái)等海洋工程結(jié)構(gòu)打造船舶數(shù)字化智能設(shè)計(jì)平臺(tái)提供參考，減少設(shè)計(jì)人員的冗余工作，提高設(shè)計(jì)效率。

NAPA Steel；軟件二次開(kāi)發(fā)；有限元；數(shù)字化

0 引言

NAPA軟件是目前船舶及海洋工程認(rèn)可的計(jì)算平臺(tái)，其用于三維結(jié)構(gòu)建模的NAPA Steel模塊在初步設(shè)計(jì)階段為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化造船提供了先決條件[1]。

由于該軟件采用命令操作方式，且提供了 NAPA BASIC這一開(kāi)發(fā)工具，使其對(duì)初步設(shè)計(jì)階段的諸多大大小小的修改能迅速方便地反映在有限元模型中。

1 研究背景及程序?qū)崿F(xiàn)流程

ANSYS與波流計(jì)算模塊AQWA的友好接口，使得其在海工設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。船舶海洋工程結(jié)構(gòu)物尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如在ANSYS中用APDL語(yǔ)言建立CP30系列坐底式平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型[2]，板梁結(jié)構(gòu)建模也需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，比如初步設(shè)計(jì)修改頻繁，或者后期結(jié)構(gòu)計(jì)算需要調(diào)整。ANSYS經(jīng)典模式目前沒(méi)有操作友好的倒退功能，對(duì)建模者要求非常高，修改極其繁瑣，甚至可能修改的時(shí)間超過(guò)重新建模的耗時(shí)。APDL語(yǔ)言中一些參數(shù)化的理念真正反應(yīng)到后續(xù)改進(jìn)系列船的快速建模時(shí)難度及工作量很大，棄之可惜。其次，為標(biāo)識(shí)幾何對(duì)象需要編號(hào)的規(guī)律化，而這往往要求編號(hào)至少六七個(gè)數(shù)量級(jí)，增加了總體剛度矩陣半帶寬，導(dǎo)致ANSYS運(yùn)行速度大大減慢。

對(duì)于上面提及的APDL語(yǔ)言建模問(wèn)題，NAPA Steel無(wú)疑擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。首先，NAPA Steel輸出的編號(hào)均為從1開(kāi)始連續(xù)，總體剛度矩陣最??；其次NAPA Steel修改直觀且方便；第三，可通過(guò)“船型變換”的方式對(duì)母型船進(jìn)行修改，迅速得到后續(xù)改進(jìn)系列船的模型。

NAPA Steel較之APDL有上述優(yōu)點(diǎn)，并且操作友好，因此建模效率大大提高[3]。但由于目前NAPA Steel與ANSYS接口并不完善，因此NAPA Steel的優(yōu)勢(shì)并不能發(fā)揮。目前 NAPA Steel主要通過(guò)ADDFEM.ANSYS_ELEMENT_OUTPUT與ADDFEM.ANSYS_KEY_POINT_OUTPUT這兩個(gè)宏將有限元模型導(dǎo)入ANSYS，前者以節(jié)點(diǎn)、單元的形式導(dǎo)入，后者以點(diǎn)、線、面幾何體的形式導(dǎo)入。雖然兩種方法輸出的面或板單元均是 NAPA Steel劃分的網(wǎng)格，但兩個(gè)宏均有一個(gè)大問(wèn)題——輸出的梁?jiǎn)卧獩](méi)有賦屬性，僅僅是輸出線或線單元，如果在此基礎(chǔ)上后期再在 ANSYS中賦截面屬性，則NAPA Steel建模失去優(yōu)勢(shì)。

文中立足于ADDFEM.ANSYS_ELEMENT_ OUTPUT宏的再開(kāi)發(fā)，考慮的重點(diǎn)為已賦屬性的單元（包括板單元與梁?jiǎn)卧└咝?dǎo)入ANSYS單元編組。本程序輸出的代碼在ANSYS中建模順序?yàn)楣?jié)點(diǎn)、板單元、梁?jiǎn)卧腘APA Steel到ANSYS軟件分析完成總流程見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)建模分析流程圖

2 建模參數(shù)輸出控制

2.1 模型的建立

首先在NAPA Steel中建立實(shí)體模型（見(jiàn)圖2），并對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分（見(jiàn)圖3）。

2.2 節(jié)點(diǎn)輸出

節(jié)點(diǎn)的輸出與原宏并沒(méi)有很大區(qū)別，只是增加了對(duì)節(jié)點(diǎn)就其所屬的艙室進(jìn)行編組，用于模型以后添加液艙載荷，其方法與后述板單元編組類(lèi)似。

2.3 板單元輸出

板單元的輸出與原宏相比，增加了一些描述材料、板厚實(shí)數(shù)的“背景”類(lèi)代碼，另增加了板單元的分組，以方便于在ANSYS中操作（材料、板單元屬性以及梁?jiǎn)卧獙傩孕枰鶕?jù)有限元計(jì)算的要求來(lái)設(shè)置）。

板厚實(shí)數(shù)的賦值編號(hào)從 1開(kāi)始，以方便于ANSYS應(yīng)用時(shí)分類(lèi)清晰[4]。定義存放板厚的數(shù)組，

為方便查找等操作，將數(shù)值轉(zhuǎn)化為字符。輸出時(shí)，用LOCS命令查找到板厚對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)，如下所示（如結(jié)構(gòu)的材料或類(lèi)似屬性多樣，亦可用此種方法進(jìn)行標(biāo)識(shí)）：

LQFEME, 'real,', (PLTH), R(F=5, U=M)/'locs(plth3,plth)', '$'……

將板單元就其隸屬的NAPA Steel中的板進(jìn)行分組。

@name1=cnc('FEMOBJ*',MODEL,'*')

cat name＞@NAME1

MODEL為有限元模型名稱(chēng)，上述命令可以將其下的各板名稱(chēng)列出來(lái)。

然后通過(guò)設(shè)置輸出選項(xiàng)，即可將隸屬于同一板的板單元篩選出來(lái)。

@NAME2=SBS(le(I),LEN(NAME1)+1,LEN(le( I)))

TOO FEME, HD=N, SELECT=(PLTH＞0,name=@name2)

用下述命令編組：

typeesel,none

……….

…….

type cm,@name2,elem

輸出的結(jié)果文件如圖4所示。由于NAPA Steel中筋是依附于板的，因此筋的分組也是按其隸屬的板分組，可以在組名前加不同字母，以示區(qū)別。

圖2 NAPA Steel幾何模型

圖3 NAPA Steel有限元模型

圖4 ANSYS中全殼單元的顯示

2.4 梁?jiǎn)卧敵?/p>

梁?jiǎn)卧妮敵鍪钦麄€(gè)再開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，分為以下四步進(jìn)行，輸出到ANSYS里的結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 ANSYS中梁?jiǎn)卧姆纸M

1）取出各截面屬性放入數(shù)組PROFID2中，然后將其轉(zhuǎn)化成ANSYS中生成截面的代碼；

2）根據(jù)模型精度等需要，生成適當(dāng)數(shù)量的用于標(biāo)識(shí)球扁鋼（或角鋼）球頭方向的節(jié)點(diǎn)；

3）確定梁的走向，梁的端點(diǎn)決定梁的走向；

4）NAPA Steel中梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)輸出順序?yàn)椋?/p>

從后向前、向右向左、向下向上，而不是筋的切向叉乘法向決定的方向，二者比較以確定球頭方向。

導(dǎo)入ANSYS后，顯示所有梁?jiǎn)卧梢钥闯?，代碼導(dǎo)入的ANSYS模型中梁的信息是完全正確的，如圖6所示。在導(dǎo)入的有限元模型基礎(chǔ)上，導(dǎo)入其他計(jì)算軟件計(jì)算的波浪載荷、施加液艙載荷、附舾裝等專(zhuān)業(yè)質(zhì)量點(diǎn)，慣性釋放后，即可進(jìn)行有限元分析計(jì)算，分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 ANSYS中所有梁?jiǎn)卧娘@示

圖7 施加波浪載荷后的有限元模型分析結(jié)果

3 結(jié)論

NAPA Steel建模效率高，且操作友好；ANSYS為常用的有限元計(jì)算軟件，且與水動(dòng)力計(jì)算模塊AQWA有友好的接口，方便將環(huán)境載荷直接導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等分析。通過(guò)對(duì)NAPA中ADDFEM.ANSYS_ELEMENT_OUTPUT宏的二次開(kāi)發(fā)，成功將二者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，大大減少了有限元建模時(shí)間及建模強(qiáng)度，提高了效率。另外，其船型變換功能可以方便地用于后續(xù)船型的建模，如坐底式、自升式等結(jié)構(gòu)相似的海洋結(jié)構(gòu)物。

[1]NAPA.NAPA for Design Manuals for Release 2014.3[S].2014.

[2]ANSYS.Mechanical APDL Commands Quick Reference Guide Release 13.0[Z].2012.

[3]丁愛(ài)兵, 汪學(xué)鋒.船舶綜合設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)中NAPA的集成研究[J].船舶工程, 2014(2): 91-94.

[4]吳鵬, 曾紅, 韓邁.基于 ANSYS的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào), 2004(5): 25-29.

中國(guó)首次獨(dú)立承擔(dān)國(guó)際海事公約配套標(biāo)準(zhǔn)修訂工作

從交通運(yùn)輸部獲悉，我國(guó)首次承擔(dān)修訂的《雷達(dá)導(dǎo)航示范課程（操作級(jí)）1.07》由國(guó)際海事組織一次性通過(guò)，成為新的船舶雷達(dá)操作適任教學(xué)、培訓(xùn)和評(píng)估的國(guó)際海事標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)修訂的示范課程將由國(guó)際海事組織正式出版發(fā)行，在全球應(yīng)用。這是我國(guó)首次獨(dú)立承擔(dān)國(guó)際海事公約配套標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作。

為保障航海安全和加強(qiáng)航運(yùn)人力資源建設(shè)，國(guó)際海事組織制定了雷達(dá)導(dǎo)航示范課程標(biāo)準(zhǔn)，在公約締約國(guó)范圍內(nèi)強(qiáng)制實(shí)施。此次標(biāo)準(zhǔn)的修訂，主要針對(duì)船舶自動(dòng)識(shí)別、速度和航程、艏向電子定位系統(tǒng)等多傳感器在船舶導(dǎo)航雷達(dá)上的集成，對(duì)其原理、操作和應(yīng)用做出培訓(xùn)和教學(xué)要求，以切實(shí)提升船舶駕駛員的雷達(dá)使用技能，有效運(yùn)用航行信息，保障航行安全。

（來(lái)源：新華網(wǎng)）

Research of Program for Modules Exporting Based on NAPA Steel

Wang Jing1, Yue Xing-hua2, Jin Jiao-hui1, Yang Gao-sheng1
(1.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering of Ministry of Agriculture, Fishery Machinery and Instrument Research Institute of China Academy of Fishery Science, Shanghai 200092, China; 2.Liaoning Petroleum Equipment Institute Co., Ltd., Liaoning Panjin 124010, China)

NAPA Steel has the function of automatically generating the structure features of grid model from the preliminary design.The divided grid model is put into the FEM analysis software and then the structure which needs to be analyzed is calculated directly.Taking the bottom-supported platform as an example, based on the re-development of the macro program NAPA BASIC in NAPA database, it is successfully accomplished from NAPA structure preliminary design to the ANSYS finite element model analysis, which greatly reduces the manual finite element structure modeling time.It provides reference to the future establishment of digitalized intelligent design platform for marine engineering structures such as bottom-supported platforms and jack-up platforms, which can reduce the redundant work and raise design efficiency.

NAPA Steel; software secondary development; FEM; digitization

U663.2

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.007

海洋經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展區(qū)域示范專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研發(fā)公共服務(wù)平臺(tái)”（GD2013-D01-001）；農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題：漁船結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)研究（漁機(jī)行科（2012）1號(hào)）。

王靖（1985—），女，助理研究員，研究方向：船舶設(shè)計(jì)。