網(wǎng)格劃分軟件在船舶磁場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用

李 宇，趙文春，劉勝道，周國(guó)華

(1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033;2.92351部隊(duì)，海南 三亞 572016)

維修理論

網(wǎng)格劃分軟件在船舶磁場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用

李 宇1，2，趙文春1，劉勝道1，周國(guó)華1

(1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033;2.92351部隊(duì)，海南 三亞 572016)

網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid具有簡(jiǎn)化建模過程、提高計(jì)算效率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶磁場(chǎng)計(jì)算中。文章分析了網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid在磁場(chǎng)計(jì)算中需要關(guān)注的因素，通過計(jì)算實(shí)例，驗(yàn)證了網(wǎng)格劃分軟件的高效性和實(shí)用性。

磁性物體；磁場(chǎng)計(jì)算；網(wǎng)格劃分

船舶受地球磁場(chǎng)影響，周圍將會(huì)不可避免的形成船體磁場(chǎng)，由于該磁場(chǎng)的存在，極易被水中磁性探測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)和遭受水中兵器的攻擊，給船舶的生存帶來了一定的威脅，因此要對(duì)船舶進(jìn)行磁性防護(hù)。在實(shí)際中，磁防護(hù)技術(shù)采取的方式通常用消除或補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)，目的是使船舶整體磁場(chǎng)強(qiáng)度保持在某一安全值之下，而需要的方式、順序、程度都必須建立在對(duì)船舶磁場(chǎng)大小識(shí)別的基礎(chǔ)之上[1]。船舶因受其體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備非常多等因素影響而使得在磁場(chǎng)計(jì)算時(shí)異常復(fù)雜和困難，需要消耗大量的人力物力和時(shí)間。

船舶設(shè)計(jì)或消磁技術(shù)人員在磁場(chǎng)計(jì)算時(shí)通常采用的算法有磁體模擬法、有限元法、邊界元法和積分方程法等，積分方程法比其他算法有著諸多的優(yōu)勢(shì)，在磁防護(hù)專業(yè)領(lǐng)域普遍應(yīng)用，但計(jì)算的前提需對(duì)磁性區(qū)域進(jìn)行耗時(shí)的建模和網(wǎng)格劃分[2]。根據(jù)調(diào)查，網(wǎng)格的劃分通常需要占用整個(gè)項(xiàng)目完成時(shí)間和費(fèi)用的80%，因?yàn)樵撨^程必須兼顧諸多因素，如復(fù)雜船殼型線的構(gòu)造、船舶內(nèi)部多個(gè)結(jié)構(gòu)模塊的建立、剖分單元疏密的調(diào)整和重新劃分等。這些工作都給船舶實(shí)體網(wǎng)格劃分帶來了較大障礙，因此尋求一套優(yōu)秀、簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大的網(wǎng)格生成前處理工具十分必要。網(wǎng)格劃分軟件TrueGrid所提供的各種功能，可以近乎完美地完成上述復(fù)雜的工作。

1 網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid的作用及組成

網(wǎng)格劃分軟件TrueGrid在磁場(chǎng)計(jì)算中可以完成型線構(gòu)造任務(wù)，簡(jiǎn)化建模過程，完成復(fù)雜幾何體的網(wǎng)格生成和疏密調(diào)整，從而大大提高計(jì)算效率。該軟件具有工業(yè)界最先進(jìn)的映射網(wǎng)格劃分、簡(jiǎn)單的交互式批處理、支持高結(jié)構(gòu)化的多塊體網(wǎng)格劃分、基于投影幾何學(xué)的投影方法，具有應(yīng)用廣泛、計(jì)算可靠度高、運(yùn)算速度快等高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分功能和特點(diǎn)，是一款優(yōu)秀而功能強(qiáng)大的通用網(wǎng)格生成前處理軟件，其可接受任何分析任務(wù)和強(qiáng)大的診斷功能等優(yōu)點(diǎn)，可以在船舶磁場(chǎng)計(jì)算中很好的應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid可以將復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)細(xì)化為一個(gè)個(gè)小方格，然后劃分成六面體塊體單元或四邊形殼體單元，劃分的結(jié)果就是網(wǎng)格或柵格，其由3部分組成：第一部分是幾何建模，主要是分析體的幾何結(jié)構(gòu)的定義部分；第二部分是網(wǎng)絡(luò)劃分，主要是分析體的網(wǎng)格劃分部分；第三部分是網(wǎng)格輸出，主要是網(wǎng)格輸出為各種分析工具所支持的網(wǎng)格類型。其可以方便快速地生成優(yōu)化的、高質(zhì)量的和多塊結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型，如六面體網(wǎng)格模型、四面體網(wǎng)格模型、殼體網(wǎng)格模型等。它所提供的參數(shù)化建模功能和批處理功能，使得用戶稍作修改所定義的一些幾何參數(shù)即可建立不同型號(hào)的船舶實(shí)體網(wǎng)格離散模型，而無需重復(fù)繁瑣而枯燥的建模工作，且非常容易與工程人員的系統(tǒng)進(jìn)行整合，該軟件能幫助消磁設(shè)計(jì)和防護(hù)人員進(jìn)行船舶磁場(chǎng)計(jì)算。

2 網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid在計(jì)算磁場(chǎng)時(shí)需要關(guān)注的因素

2.1 船體復(fù)雜型線的構(gòu)造

船體型線能精確地表示船體形狀，它由縱剖線、橫剖線、半寬水線組成，是船舶設(shè)計(jì)、計(jì)算和建造放樣的重要依據(jù)。將垂線間長(zhǎng)分為10或者20個(gè)等份，得到11或21個(gè)平行于中站面的橫剖面，橫剖面與船體型表面的交線稱之為橫剖線。同樣，將船寬分為若干等份，過各等份點(diǎn)作平行于中性面的縱剖面，縱剖面與船體型表面的交線稱之為縱剖線。將船舶設(shè)計(jì)吃水分成若干等份，過各等分點(diǎn)作平行于基平面的水線面，水線面與船體型表面的交線稱之為水線。為了完整地表示船體這個(gè)復(fù)雜的空間曲面，可以用以上3個(gè)互相垂直的平面與船體相交，將交線投影到3個(gè)互相垂直的視圖上，就構(gòu)成了船體型線圖。型線圖上究竟要多少根縱剖線、水線和橫剖線才能表達(dá)清楚，這取決于船體表面復(fù)雜程度。一般而言，構(gòu)造復(fù)雜的型線需大量的船舶型線測(cè)量數(shù)據(jù)。TrueGrid軟件中提供了空間曲線的構(gòu)建方式，通過選擇合適的曲線建立方法，可以完成曲線的構(gòu)造。對(duì)于船舶復(fù)雜的型線而言，TrueGrid軟件在構(gòu)建船舶型線時(shí)可大大減少型線測(cè)量數(shù)據(jù)，幫助人員完成型線構(gòu)造任務(wù)。

2.2 船舶內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

船舶是一個(gè)由眾多板、梁、柱等構(gòu)件構(gòu)成的大型復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體。如果在建模過程中將所有構(gòu)件都建在一起，則在視圖顯示中各種構(gòu)件交織在一起，同時(shí)船舶結(jié)構(gòu)內(nèi)部因?yàn)檠b載、穩(wěn)性和人員工作等需要，劃分了許多艙室，每個(gè)艙室都有可能在一些局部因特殊目的而具有特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。這些結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性大大增加了建模的難度，使建模過程變得異常復(fù)雜。若要一次完成整個(gè)船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建模是不可能的，通常需要分為若干個(gè)塊網(wǎng)格來完成。

軟件提供了網(wǎng)格模型合并功能，可以在建立內(nèi)部分塊結(jié)構(gòu)的塊網(wǎng)格模型基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)格合并和捏合來形成整個(gè)網(wǎng)格模型?？梢院芊奖愕靥幚砩习賯€(gè)復(fù)雜修整曲面的模型，而每一個(gè)曲面內(nèi)又可能含有幾十種甚至上百種復(fù)雜的修整曲線。在各行、列和層上，每一個(gè)塊都可以由三維六面體、二維四邊形、以及一維線性或二次方程式單元組成，處理過程中不需要對(duì)表面進(jìn)行編輯，甚至可以很方便地處理“多修整”表面模型，支持高結(jié)構(gòu)化的多塊體網(wǎng)格劃分功能，能產(chǎn)生高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。利用相關(guān)功能，可以在建模中對(duì)大型復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，以位置、構(gòu)件特點(diǎn)等為原則，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分組，使每一個(gè)組中的結(jié)構(gòu)都盡量簡(jiǎn)單并容易進(jìn)行幾何、單元元素的查找與選擇，從而避免這種因結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜而造成的建模困難，加快建模的速度。 組的應(yīng)用除了可以方便幾何對(duì)象或單元對(duì)象的選取外，還可以通過軟件工具建立平行體中的一個(gè)艙段，然后使用命令，在相應(yīng)方向上進(jìn)行組的平移，從而一次性在相應(yīng)的位置上生成所有結(jié)構(gòu)相同的新艙段。對(duì)于具有對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)，可以只建立一半的模型，通過選項(xiàng)，就可以生成對(duì)稱面另一側(cè)的半個(gè)模型。在船舶結(jié)構(gòu)的角隅處有些傾斜的構(gòu)件可以通過在方便的位置建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，再使用工具選項(xiàng)，將其旋轉(zhuǎn)到正確的位置。

2.3 網(wǎng)格單元生成

劃分網(wǎng)格是前處理過程中最困難的部分，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量的優(yōu)劣不僅決定了求解是否準(zhǔn)確，還決定了求解規(guī)模。

1)網(wǎng)格數(shù)量。網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的精度和時(shí)間消耗，數(shù)量增加，計(jì)算精度必然能有所提高，但會(huì)使計(jì)算用時(shí)周期大大的增加。網(wǎng)格數(shù)量太少時(shí)，網(wǎng)格的質(zhì)量將無法保證，計(jì)算結(jié)果就會(huì)發(fā)生偏差。但是，數(shù)量增加到一定程度后，精度會(huì)趨于收斂，而計(jì)算規(guī)模則會(huì)越來越大。應(yīng)用中可以通過增加網(wǎng)格數(shù)量的方式，來提高網(wǎng)格品質(zhì)，同時(shí)還可以通過刪除模型中一些無關(guān)緊要的細(xì)節(jié)，來減少這些細(xì)節(jié)對(duì)網(wǎng)格品質(zhì)的影響。所以劃分網(wǎng)格時(shí)，并不是數(shù)量越多越好，我們要注意網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性，兼顧精度和時(shí)間消耗這兩個(gè)因素。

2)網(wǎng)格疏密。在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，是為適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。通常在數(shù)據(jù)變化梯度變化明顯的部位，需要采用比較密集的網(wǎng)絡(luò)，才能較好的反映出該部分的數(shù)據(jù)變化規(guī)律。網(wǎng)格劃分的足夠精細(xì)才能得到精確的結(jié)果,但是工作量非常大,對(duì)計(jì)算機(jī)的要求高，而且當(dāng)細(xì)到一定程度以后,精度已經(jīng)能達(dá)到要求,對(duì)結(jié)果的影響將很小而沒必要。

3)網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn)。由于船體表面有很多小面，應(yīng)該先采用軟件中的工具把船體中變化較小的部分曲面合成為較大的面，這樣可以節(jié)約劃分網(wǎng)格的難度，但在船尾和船首曲面曲率變化較大的部位應(yīng)該保持原有小面，然后在船表面先畫面網(wǎng)格，經(jīng)過多次驗(yàn)證方能找出一個(gè)較為合適的網(wǎng)格尺度，在面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上就通過調(diào)整邊界層以及自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)畫出體網(wǎng)格。軟件的映射網(wǎng)格劃分功能，使得技術(shù)人員可以方便地將簡(jiǎn)單規(guī)則的網(wǎng)格單元映射成所需的復(fù)雜網(wǎng)格單元，從而使用戶能夠簡(jiǎn)單地完成復(fù)雜幾何體的網(wǎng)格生成工作，免去了用戶指定結(jié)構(gòu)體積詳細(xì)信息的需要。

2.4 網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)的導(dǎo)出

為使用戶能夠方便地使用網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid所建立的網(wǎng)格離散模型數(shù)據(jù)，軟件提供十余種網(wǎng)格數(shù)據(jù)輸出格式，如Ansys、Dyna3d、Cfd-ace、Fluent、Nastran等，用戶按照所選擇的數(shù)據(jù)輸出格式即可實(shí)現(xiàn)與用戶源程序的整合，從而構(gòu)成一個(gè)完整的集成環(huán)境。命令流文件可以保存為TXT文件，用戶可以提前輸入命令流或者對(duì)命令流進(jìn)行檢查、修改，方便快捷。為使網(wǎng)格數(shù)據(jù)輸出格式與磁場(chǎng)計(jì)算程序模塊較好結(jié)合，文中選擇Ansys網(wǎng)格輸出數(shù)據(jù)格式。根據(jù)上述基本工作，圖1給出了基于網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid建立船舶網(wǎng)格離散模型的主要流程。

圖1 基于網(wǎng)格劃分軟件TrueGrid建立船舶網(wǎng)格離散模型的主要流程

3 磁場(chǎng)計(jì)算實(shí)例

下面以某主機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行示例，用計(jì)算值與測(cè)量值進(jìn)行比較，來判斷計(jì)算方法的適用性及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid對(duì)主機(jī)模型進(jìn)行剖分，根據(jù)主機(jī)的三視圖對(duì)主機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化(如圖2所示)。在此需要指出，如果對(duì)主機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的網(wǎng)格建模，將耗費(fèi)大量的人力物力，考慮到該課題中對(duì)磁防護(hù)技術(shù)評(píng)估的測(cè)試點(diǎn)位于標(biāo)準(zhǔn)深度平面，距離船體及船載設(shè)備較遠(yuǎn)，對(duì)主機(jī)進(jìn)行粗略建模即可滿足工程需求[3]。根據(jù)主機(jī)總體形狀和各部位結(jié)構(gòu)，通過切換和運(yùn)用計(jì)算窗口、物理窗口、環(huán)境窗口，分別顯示塊網(wǎng)格的邏輯結(jié)構(gòu)、真實(shí)網(wǎng)格和幾何模型、類型和一些鼠標(biāo)控制操作，使用初始網(wǎng)格，定位，投影，刪除，改進(jìn)，光滑處理塊網(wǎng)格等工具命令，利用鼠標(biāo)各鍵實(shí)現(xiàn)圖形旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放、窗口式放大，將各塊網(wǎng)格通過粘合，合并節(jié)點(diǎn)等方式裝配成一個(gè)簡(jiǎn)化模型的過程，可建立某型主機(jī)的簡(jiǎn)化網(wǎng)格模型(圖3)。模型中剖分的節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 635個(gè)，單元數(shù)為1 945個(gè)，設(shè)定相對(duì)磁導(dǎo)率為260，縱向感應(yīng)磁場(chǎng)垂直分量Zix、垂向感應(yīng)磁場(chǎng)垂直分量Ziz的計(jì)算結(jié)果用點(diǎn)劃曲線表示，測(cè)量值用黑色曲線表示，比較結(jié)果見圖4、圖5所示。

圖2 某主機(jī)主體結(jié)構(gòu)

圖3 主機(jī)簡(jiǎn)化模型

圖4 主龍骨下Zix計(jì)算值和測(cè)量值比較圖

從圖4、圖5中可以看出，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid剖分后的某大型鐵磁設(shè)備感應(yīng)磁場(chǎng)計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值的吻合度非常高，說明基于網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid的積分方程法，計(jì)算模型非常適宜的用于計(jì)算艇上設(shè)備產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，也確實(shí)在實(shí)際計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中已被反復(fù)證實(shí)。通過定義相對(duì)均方根誤差為：

(1)

式中：Hmeas為實(shí)測(cè)磁場(chǎng)值；Hcalc為計(jì)算磁場(chǎng)值；n為測(cè)量點(diǎn)數(shù)。

圖5 主龍骨下Ziz計(jì)算值和測(cè)量值比較圖

用式(1)計(jì)算得到，某主機(jī)龍骨下縱向感應(yīng)磁場(chǎng)垂直分量Zix、垂向感應(yīng)磁場(chǎng)垂直分量Ziz之間的相對(duì)均方根誤差為4.58%，能夠滿足實(shí)際要求。

網(wǎng)絡(luò)劃分軟件TrueGrid的應(yīng)用，直接明顯降低了時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等成本。以往通常需要花費(fèi)數(shù)月時(shí)間的項(xiàng)目現(xiàn)在只需幾天就可以完成，讓人員從復(fù)雜繁重的建模工作中解脫出來，在保證高質(zhì)量的同時(shí)，大大降低了計(jì)算難度并節(jié)約了時(shí)間。

[1] 張國(guó)友．艦船消磁系統(tǒng)原理與設(shè)備[M]．武漢：海軍工程大學(xué)，2004．

[2]肖昌漢．鐵磁學(xué)[M]．武漢：海軍工程大學(xué)，2005．

[3]祝小雨，劉勝道，周國(guó)華．一種磁性物體周邊磁場(chǎng)的估算方法[J].艦船電子工程,2015(4)：162-164.

True Grid meshing software is widely used in ship magnetic field calculation because of its simplified modelbuilding and high efficeienc of calculation.In this paper,some key factors are analyzed for calculating the magnetic field with True Grid meshing.Meshing software proves high effective and practical through calculating example.

magnetic object; magnetic field calculation; meshing

李宇(1973-)，男，陜西蒲城人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事艦船保障工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.011

2016-07-26