郵船大跨距板架參數(shù)化建模和動力學(xué)分析程序開發(fā)

陳濤 楊德慶 邱偉強

摘要：針對豪華郵船大跨距板架靜力學(xué)和動力學(xué)分析需要進行大量繁瑣建模工作的問題，研究NAPA、MSC Patran/Nastran等多個軟件協(xié)同運行的方法，借助Visual Studio開發(fā)流程化設(shè)計程序，并通過Isight優(yōu)化軟件驗證程序的適用性。該程序可實現(xiàn)郵船多層大跨距板架設(shè)計的參數(shù)化建模和自動分析計算，從而快速獲得多方案設(shè)計結(jié)果，提高設(shè)計和分析效率。

關(guān)鍵詞：郵船;參數(shù)化建模;結(jié)構(gòu)振動;大跨距板架;NAPA;PCL;API函數(shù);Isight優(yōu)化

中圖分類號：TP391.75;U663.95;U661.4

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）01-0001-07

0?引?言

為提高生產(chǎn)效率，豪華郵船的客房集中區(qū)域一般采用居住單元模塊化設(shè)計方式，只保留少量支撐結(jié)構(gòu)，因此客房集中區(qū)域的甲板板架跨距較大。[1-2]由于這些區(qū)域頂部的結(jié)構(gòu)面積較大，且甲板強橫梁和縱桁上的電纜和風(fēng)管開孔分布較為密集，影響甲板強構(gòu)件的剛度和甲板板架的固有頻率，有必要針對大跨距板架區(qū)域進行強度和振動分析。

為保證大跨距板架具有足夠的剛度和良好的振動性能，不得不設(shè)置高腹板強框、縱桁或者少量垂向支撐結(jié)構(gòu)作為支撐。這些支撐結(jié)構(gòu)的形狀參數(shù)需要進行優(yōu)化設(shè)計，以保證在提供必要剛度的同時，滿足總布置和空間使用要求。在客房集中區(qū)域，受層高的影響，甲板強橫梁和縱桁的腹板高度受到限制，因此需要對甲板強橫梁、縱桁以及其他支撐結(jié)構(gòu)的布置、形狀和尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。由于豪華郵船甲板偏薄，縱骨的剛度偏弱，存在板格振動和加強筋振動的可能，因此需要著重對薄板結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性進行研究。

大跨距板架區(qū)域需要進行多次靜力學(xué)和動力學(xué)分析，并進行多種方案對比，因此建模數(shù)量大、計算任務(wù)重。常規(guī)的建模和計算過程需要頻繁調(diào)整參數(shù)，并在各個軟件間來回切換，重復(fù)工作較多;單純依靠PCL語言開發(fā)Patran參數(shù)化建模腳本，程序編寫過程復(fù)雜，且需要考慮尺寸轉(zhuǎn)化、單元劃分和計算流程實現(xiàn)等諸多因素。因此，開發(fā)基于多軟件協(xié)同的大跨距板架參數(shù)化建模和動力學(xué)分析程序，整合各個三維軟件在建模和計算中的優(yōu)勢，用于自動化快速建模和自動化計算分析，可減少建模計算中的人工操作，同時可方便與優(yōu)化設(shè)計軟件對接，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，在豪華郵船國產(chǎn)化設(shè)計中具有重要的應(yīng)用價值。

1?郵船大跨距板架結(jié)構(gòu)的特點及其程序設(shè)計要求

典型豪華郵船大跨距板架橫向結(jié)構(gòu)（見圖1）的特點為：結(jié)構(gòu)跨距在5 m以上，最大可達到10 m，板架兩端通過支柱結(jié)構(gòu)進行支撐;支柱一般位于縱桁所在位置，或?qū)R縱骨位置布置，上下層間位置對齊分布或上下層間錯位若干縱骨檔位分布;縱向每兩檔強框間距布置，縱骨間距通常均勻分布;橫梁上有便于通風(fēng)電纜等管路穿過的開孔，支柱兩側(cè)的開孔形狀特殊處理。這類結(jié)構(gòu)在豪華郵船居住區(qū)較多，在進行強度和振動分析時，必須進行局部結(jié)構(gòu)建模和分析，基于全船模型進行大跨距板架固有頻率計算代價較大，較少采用。

針對上述結(jié)構(gòu)特點，開發(fā)大跨距板架參數(shù)化建模和動力學(xué)分析程序，選取NAPA和MSC Patran/Nastran多軟件協(xié)同實現(xiàn)。NAPA是目前應(yīng)用最廣的船舶設(shè)計軟件之一，國內(nèi)針對其已經(jīng)開展許多二次開發(fā)和系統(tǒng)集成方面的工作。[3]NAPA在建模和有限元模型輸出方面具有獨特優(yōu)勢：通過其表格化的輸入過程及其提供的二次開發(fā)工具，可以較方便地進行模型的創(chuàng)建和修改;通過調(diào)整輸出模型參數(shù)，可方便快捷地進行模型網(wǎng)格的切換，得到具有良好網(wǎng)格質(zhì)量的有限元模型;等等。MSC Patran具有齊全的前、后處理功能，在船舶行業(yè)應(yīng)用廣泛，應(yīng)用PCL語言可以很方便地對其進行二次開發(fā)。[4]

2?開發(fā)語言和環(huán)境

開發(fā)平臺采用Visual Studio 2005，操作系統(tǒng)采用Windows XP SP3，編碼采用VB.net語言，并在Windows XP SP3與Win7系統(tǒng)下分別測試通過。32位系統(tǒng)測試采用NAPA 2013.1和MSC Patran/Nastran 2005;64位系統(tǒng)測試采用NAPA 2016.1和MSC Patran/Nastran 2013。

3?軟件流程實現(xiàn)

3.1?參數(shù)選取

參數(shù)化建模的首要工作是確定模型的輸入?yún)?shù)，即如何將模型的特征信息用參數(shù)表達。這個表達應(yīng)是無歧義的，便于程序?qū)崿F(xiàn)的，這一表達方式也應(yīng)同時反映程序的算法。參數(shù)選擇是否恰當(dāng)將直接決定該參數(shù)化建模程序是否準(zhǔn)確以及是否適用。為建模方便，對模型參數(shù)進行適當(dāng)簡化，假定縱骨間距均一致，上下層間強橫梁、縱桁尺寸不變，每層甲板板架的長和寬分別相等。單層甲板的主要參數(shù)見圖2和3，其中主要的輸入可變參數(shù)以及包含數(shù)量和位置信息的固定參數(shù)分別見表1和2。在不同高度的甲板板架處，這些屬性有可能發(fā)生變化。由于不同的分析目標(biāo)可能會使用不同大小的有限元網(wǎng)格，因此引入有限元網(wǎng)格精細(xì)度控制參數(shù)anaType，以提高輸出模型的適用性。

3.2?NAPA參數(shù)化建模

NAPA參數(shù)化建模主要采用NAPA BASIC實現(xiàn)。NAPA BASIC可以將計算函數(shù)整合進宏中使之成為一段真正意義上的程序（包含變量、決策以及跳轉(zhuǎn)等），其包括一般的NAPA命令、帶參數(shù)（通過計算表達式生成）的NAPA命令、計算表達式（以@符號開頭）、交互式的變量輸入，以及程序流控制等。[5]本例主要使用NAPA Steel（ST）模塊下的命令和運算函數(shù)。模型的坐標(biāo)系以結(jié)構(gòu)的長、寬、高分別為x、y和z軸，并且滿足右手定則，模型建立在第一象限。

創(chuàng)建NAPA參數(shù)化建模腳本的流程見圖4。

NAPA主要通過表格完成數(shù)據(jù)的組織與屬性的添加。本例主要包含模型創(chuàng)建和有限元模型輸出2部分，步驟如下。

（1）甲板板架創(chuàng)建。這一步創(chuàng)建幾何曲面對象。由于甲板長度和寬度不變，僅需要運算z軸高度即可。通過LIM語句限定6個方向的邊界，生成甲板平面。

（2）創(chuàng)建虛擬板架依附平面。NAPA的扶強材需要依附于板架才能生成，因此針對扶強材所在的平面創(chuàng)建曲面對象。根據(jù)豪華郵船的結(jié)構(gòu)布置特點，支柱平面縱向間距定為強橫梁間距的2倍。

（3）定義扶強材表格。NAPA的扶強材定義在TAB*PROFILES中，將扶強材參數(shù)解析成NAPA能夠識別的扶強材定義格式，并添加起始與結(jié)束語句，輸出創(chuàng)建腳本。

（4）生成支柱定義表格。通過LIMITS字段限制支柱所在層數(shù)，通過LOCTN字段限制支柱橫向位置，并添加起始與結(jié)束語句，輸出創(chuàng)建腳本。

（5）加入甲板型材。加入的甲板型材主要有甲板縱骨縱桁和橫梁，按照NAPA格式確定起始

位置、終止位置和間隔距離。通過語句“M=（0.1 0.1）”限定板架兩端不生成型材。在NAPA中，后定義的構(gòu)件會自動替換之前定義的構(gòu)件，因此在腳本中按照先縱骨后縱桁的順序進行定義。

由于涉及開孔類型，橫梁的設(shè)定需要結(jié)合上層和下層支柱位置進行計算，主要思路為：分別計算上層（如果存在）和下層支柱的定位位置集合，求2個集合的并集，并加入起始位置0和板寬B，按照由小到大順序排列為一個數(shù)組。然后判定相鄰2個數(shù)組元素的差值，從而判定區(qū)間內(nèi)的openTypeC類型開孔數(shù)量，按照起始位置和終止位置步長的方式或直接給定位置坐標(biāo)，寫入NAPA BASIC語句。openTypeS類型的開孔位置根據(jù)支柱位置增減openLocYS得到，同時判定是否有相互干涉的開孔位置。

（6）加入甲板板架結(jié)構(gòu)表格。NAPA中的幾何數(shù)據(jù)需要加入到相應(yīng)類型的表格中，以增加屬性和參數(shù)設(shè)置。這一步將前2步生成的幾何對象加入到STR*STEEL表格中。G_STD、L_STD和F_STD分別對應(yīng)導(dǎo)出全船、局部和精細(xì)有限元網(wǎng)格時所要運用的參數(shù)表格。該表格設(shè)定在步驟（7）完成。

（7）有限元模型輸出參數(shù)設(shè)定。有限元劃分是結(jié)構(gòu)計算中的重要步驟，良好的有限元網(wǎng)格質(zhì)量可以提高計算速度，得到更精確的計算結(jié)果。NAPA輸出通過表格參數(shù)控制網(wǎng)格質(zhì)量。本例中常用的局部網(wǎng)格有限元參數(shù)設(shè)定如下：

TAB

PREF FEMDEF*

GET FEMDEF*L_STD

DEF MESHPQ VALUE=′1′

DEF MESHPE VALUE=′1.41′

DEF SMOITERATIONS VALUE=′0′

DEF FEMMMS VALUE=′0.2′

DEF RM9 VALUE=′0.1′

DEF RM7 VALUE=′1.5′

DEF TOL VALUE=′0.015′

DEF REDARE VALUE=′0.01′

SAVE ！

END

在上述參數(shù)設(shè)定中：MESHPQ為四邊形單元占比，0為不使用四邊形單元，0.5為四邊形單元僅使用在能夠改善單元質(zhì)量的部位，接近于1.0表示盡可能少地使用三角形單元;MESHPE設(shè)定邊緣處網(wǎng)格的法向長度，該參數(shù)可改善開孔處的單元質(zhì)量，默認(rèn)值為1.41;SMOITERATIONS用于改善邊界處的網(wǎng)格質(zhì)量，三角形單元將會轉(zhuǎn)化為四邊形單元，同時減少僅有一個節(jié)點落在邊界上的四邊形數(shù)量，該參數(shù)設(shè)定相關(guān)算法的迭代步數(shù)，0為不進行優(yōu)化;FEMMMS參數(shù)設(shè)定最大的單元長度，但是單元長度同時受其他參數(shù)影響（如MESHPE），最終的單元長度有可能會超出該參數(shù)的限制;RM9設(shè)定最小的單元長度，該參數(shù)與RM7和TOL等參數(shù)共同影響最終的網(wǎng)格效果;RM7設(shè)定邊界網(wǎng)格尺寸過渡的速率，該參數(shù)越小，網(wǎng)格尺寸的過渡越平滑，從而能夠獲得更好的網(wǎng)格質(zhì)量;TOL用于設(shè)定單元節(jié)點的容差，距離小于該值的兩點將會被合并，從而避免不必要的細(xì)小單元;REDARE設(shè)定最小的單元開孔面積，小于該面積的開孔在劃分網(wǎng)格時會被忽略。

該部分內(nèi)容屬于通用參數(shù)設(shè)定，根據(jù)實際需要預(yù)設(shè)全船、局部和精細(xì)有限元網(wǎng)格的參數(shù)，保存在單獨的文件中，每次程序運行時附加在NAPA腳本末尾。

（8）輸出有限元腳本。NAPA導(dǎo)出的模型直接用于MSC Patran處理后計算，不需要提取分組等信息，因此直接導(dǎo)出BDF格式有限元模型。NAPA BASIC腳本如下：

@@ Creat FEM Model

FEM

GET LOCAL

FILE ′E：/NapaDB/GONAPA.BDF′

OUT NASTRAN MM

3.3?MSC Patran前處理

MSC Patran前處理的主要工作是施加邊界條件和導(dǎo)出計算文件。該步驟的實現(xiàn)方式為：通過主程序生成SES格式PCL腳本文件，通過批處理文件運行MSC Patran并執(zhí)行該文件。在批處理文件內(nèi)，通過-sfc參數(shù)將腳本文件傳遞給MSC Patran，并通過-b參數(shù)，使MSC Patran在后臺運行程序。

該步驟需要通過主程序傳遞的參數(shù)為當(dāng)前文件夾位置和模型的x、y向邊界，由主程序?qū)懭肽_本文件開頭。腳本文件實現(xiàn)步驟如下：

（1）施加邊界條件。本模型的邊界條件為四周和最下層支柱底端約束3個方向的位移自由度。通過list_create_node_att_value函數(shù)[6-7]，框定模型的x、y和z向底部邊界，并通過loadsbcs_create函數(shù)施加位移約束，具體如下：

…

list_create_node_att_value（ [`Xmax`， 0.， 0.， 0.， 0.， 0.]， [TRUE， FALSE， FALSE] ， ["equal"， "equal"， "equal"]， [0.005， 0.005， 0.5]， "Coord 0"，?"lista"， uil_list_create_current_list ）

…

loadsbcs_create（ "disp1"， "Displacement"， "Nodal"， ""， "Static"， mariclist， "FEM"， @

"Coord 0"， 1.0， ["<0 0 0 >"， ""]， [""， ""] ）

…

（2）修改密度參數(shù)。模型選用mm-N-s的單位制，因此需要通過Material Create函數(shù)修改密度參數(shù)，使其與模型單位一致。

（3）添加非結(jié)構(gòu)質(zhì)量。甲板結(jié)構(gòu)包括底板輔料、絕緣包裹等附加質(zhì)量。這一部分質(zhì)量會影響甲板振動的固有頻率，不能忽略。模型內(nèi)甲板的附加質(zhì)量通過殼單元屬性中的Nonstructual Mass項進行調(diào)整，本例中統(tǒng)一設(shè)置為8E-8，可使用PCL語句通過elementprops_modify函數(shù)進行調(diào)整。

（4）導(dǎo)出計算文件并關(guān)閉MSC Patran，結(jié)束前處理流程。

完成前處理的有限元模型見圖5。

3.4?提交MSC Nastran計算

通過主程序運行批處理文件，將前一步生成的BDF格式計算文件提交給MSC Nastran程序進行運算。

3.5?MSC Patran結(jié)果顯示

主程序運行批處理文件，調(diào)用Patran執(zhí)行預(yù)編寫好的SES腳本文件，完成后處理操作。本例讀取生成的XDB文件，并進行適當(dāng)?shù)膮?shù)配置，得到1階模態(tài)振動分析結(jié)果，見圖6。

3.6?主程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)需求，主程序需對輸入和輸出數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并將程序執(zhí)行過程中的各個軟件串接起來，但無須執(zhí)行交互式操作，因此采用控制臺程序?qū)崿F(xiàn)這些功能。

軟件的啟動順序為NAPA Steel、MSC Patran（前處理）、MSC Patran（后處理），結(jié)合預(yù)先定義的批處理文件和快捷方式實現(xiàn)對軟件的調(diào)用。同時，需要由后臺程序?qū)崟r偵測所調(diào)用的軟件是否已正確運行或關(guān)閉，從而判斷是否執(zhí)行下一步程序。這一功能通常由可視窗口程序判定，使用Windows API函數(shù)中的窗口句柄搜索函數(shù)GetWindow和GetWindowText完成。本例采用后臺運行的方式調(diào)用計算軟件，因此選擇使用.net環(huán)境中的進程搜索函數(shù)完成判定任務(wù)。

4?程序應(yīng)用

除進行常規(guī)快速建模任務(wù)外，程序還可結(jié)合Isight軟件，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

采用某單層大跨距板架簡單優(yōu)化計算方案檢驗本程序的應(yīng)用效果，優(yōu)化目標(biāo)板架結(jié)構(gòu)見圖7。

調(diào)整強構(gòu)件面板寬度和厚度，得到1階固有頻率大于12 Hz時的質(zhì)量最小的設(shè)計方案。板架的生效可變參數(shù)和固定參數(shù)設(shè)定分別見表3和4。

根據(jù)條件建立最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

優(yōu)化計算可以選取多種算法，其中梯度優(yōu)化算法用于解決單峰值問題。工程中的優(yōu)化問題往往比較復(fù)雜，其目標(biāo)函數(shù)可能存在多峰性、非線性、非連續(xù)性，以及不可微函數(shù);設(shè)計變量和約束函數(shù)可能是線性、非線性、連續(xù)或離散變量集。因此，需要采用全局優(yōu)化算法進行分析。船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析經(jīng)常采用的全局優(yōu)化算法有多島遺傳算法[8-9]和模擬退火算法[10-11]。模擬退火算法每次在搜索空間中只檢查一個設(shè)計點，而多島遺傳算法檢查一組設(shè)計點[12]，所以模擬退火算法更簡單。

對原程序的結(jié)果顯示腳本進行修改，采用PCL語言將模型的質(zhì)量和1階模態(tài)頻率輸出到結(jié)果文本文件中。在Isight中添加Optimization組件，并在流程中依次添加Data Exchanger組件、OS Command組件和Data Exchanger-1組件，分別對應(yīng)Input文件參數(shù)讀寫、建模流程程序運行和結(jié)果文件讀取。Isight優(yōu)化流程見圖8。

針對上述優(yōu)化流程，分別用梯度優(yōu)化（NLPQL）算法、自適應(yīng)模擬退火算法和多島遺傳算法進行優(yōu)化，使用默認(rèn)配置參數(shù)，優(yōu)化結(jié)果見表4和圖9～11。

5?結(jié)束語

結(jié)合多層大跨距板架有限元模型建立和動力學(xué)計算，開發(fā)一種參數(shù)化模型生成和計算程序。結(jié)合NAPA與MSC Patran/Nastran開發(fā)軟件，實現(xiàn)建模和計算的全自動化。NAPA中的建模算法具有良好的通用性，可以應(yīng)用于船體初步設(shè)計，快速生成多方案模型，并可針對多個方案進行比對，得到最優(yōu)設(shè)計。

該程序在豪華郵船項目設(shè)計中得到運用，可方便建模與計算，提高設(shè)計效率。該程序具有良好的擴展性，也仍存在改進的空間，例如可在輸入文件中增加甲板載荷等參數(shù)、增加靜力學(xué)計算模塊等，以實現(xiàn)完整的力學(xué)計算。

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（編輯?武曉英）