基于三維幾何模型的船舶扶強材自動理想化系統(tǒng)開發(fā)研究

李海靜，陳有芳，王麗榮，唐宜健，胡豐梁，章志兵

（1.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.中國船級社技術(shù)研發(fā)中心，北京 100007）

疲勞失效是影響船舶壽命的重要因素，也是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中不容小覷的部分[1]。目前普遍采用簡化計算的方式來校核船舶結(jié)構(gòu)強度，按照評估范圍不同，可分為局部結(jié)構(gòu)計算、艙段結(jié)構(gòu)計算與全船結(jié)構(gòu)計算[2—6]。校核時，面對數(shù)量龐大、截面形狀尺寸多變、方向各異的筋結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員往往采用抽樣法進(jìn)行筋校核。這種方式受到計算數(shù)量、樣本分布的制約，經(jīng)驗依賴度高，計算工作量大，效率低下，可靠性差。基于此，文中提出了一套船舶扶強材自動理想化系統(tǒng)，實現(xiàn)對分布密集、復(fù)雜多樣的船舶扶強材的批量自動規(guī)范計算，降低校核的人工依賴性，提高校核準(zhǔn)確性，從而提高船舶設(shè)計效率，保障設(shè)計質(zhì)量。

1 扶強材理想化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

文中所提出的船舶扶強材自動理想化系統(tǒng)隸屬于船舶工程計算軟件Compass 3D 集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)集CAD 建模模塊[7—9]、SDR 數(shù)據(jù)管理模塊[10]、CAE有限元分析模塊[11—12]、SDP 規(guī)范計算模塊[13]于一體，設(shè)計人員可以一站式完成船體建模、分析、校核的全過程，無需處理各子系統(tǒng)間的過渡，操作簡潔，用戶友好度高。

規(guī)范計算子系統(tǒng)用于部分三維模型建立后。在規(guī)范計算子系統(tǒng)中，板結(jié)構(gòu)與筋結(jié)構(gòu)被離散為子板與子筋單元，重組后構(gòu)成基本計算單元。模型示意圖如圖1 所示。

圖1 模型示意圖Fig.1 Model diagram

2 扶強材理想化系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計見圖2。

2.1 單元梁快速自動識別

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計Fig.2 Design of system function

扶強材，也稱為加強筋，是為了增強船體金屬板結(jié)構(gòu)的剛度和強度所引入的鋼質(zhì)船體結(jié)構(gòu)材料[14]。在船體三維模型中，加強筋依附于板架，由理論線、復(fù)線和筋三維模型組成，如圖3 所示。其中，復(fù)線用于規(guī)范計算；理論線反應(yīng)了加強筋在CAD 模型中的空間分布；筋三維模型則直觀地呈現(xiàn)出該加強筋的空間形態(tài)，包括截面形狀、截面尺寸、依附狀況、傾斜角度等。

圖3 加強筋模型描述Fig.3 Description of stiffener model

在經(jīng)過預(yù)處理的目標(biāo)船體模型中，原始的整段加強筋經(jīng)過一定規(guī)則的切割，被離散為多段子筋，每個子筋都繼承了其父筋的相關(guān)屬性。將共用端點且該端點未終止于結(jié)構(gòu)相交處的子筋集合記錄為一個筋計算單元，稱為單元梁，如圖4 所示。

圖4 單元梁模型描述Fig.4 Description of unit beam model

單元梁識別的總體流程如圖5 所示。①步驟1為初始化子筋相交關(guān)系，提取分析范圍內(nèi)的全部子筋，按照依附板架對子筋進(jìn)行分組，以分組為單位，對子筋、子筋端點進(jìn)行編號，并記錄子筋之間的相交關(guān)系；② 步驟2 為識別可構(gòu)成單元梁的子筋集合，以初始化分組為分析單位，首先任意獲取一個子筋（Curve1），任取一側(cè)端點（Point11），根據(jù)初始化相交關(guān)系，搜索到與其相連的子筋（Curve2），并判斷相連子筋的非共用端點（Point22）是否與板架結(jié)構(gòu)相交，如果相交，則該端終止，轉(zhuǎn)到初始子筋的另一側(cè)端點（Point12）繼續(xù)進(jìn)行上述操作，如果相連子筋的非共用端點（Point22）不與板架結(jié)構(gòu)相交，則以該點作為基點，繼續(xù)搜索相連子筋并進(jìn)行板架相交性判斷，直至非共用端點與板架相交或者已經(jīng)到達(dá)板邊界，如圖6 所示，在這個過程中，如果通過一個端點可以搜索到多個相連子筋，則根據(jù)相連子筋與用于搜索的上層子筋的夾角進(jìn)行篩選，選擇夾角最接近平角的子筋作為唯一的目標(biāo)子筋；③步驟3 為搜索到的子筋集合記錄相同的標(biāo)識，構(gòu)成一個單元梁，采用自定義數(shù)據(jù)對象進(jìn)行存儲，當(dāng)分析范圍內(nèi)所有的子筋都加入且只加入到唯一的單元梁后，即完成了單元梁的快速自動識別，通過單元梁的快速自動識別，將離散后的加強筋重新組合簡化為若干單元梁，從而實現(xiàn)相關(guān)規(guī)范參數(shù)的快速準(zhǔn)確計算。

圖5 單元梁自動識別流程Fig.5 Automatic recognition flowchart of unit beam

圖6 識別相連曲線示意圖Fig.6 Identifying connected curves

2.2 船體梁結(jié)構(gòu)強度校核參數(shù)分析

船體梁結(jié)構(gòu)強度校核分析是以單元梁為單位對船體局部強度模型進(jìn)行相關(guān)校核。對于加強筋而言，需要校核的參數(shù)包含壓力載荷計算點、彎曲應(yīng)力載荷計算點、單元梁間距、帶板與水平面夾角、單元梁兩側(cè)的艙室環(huán)境等共13 項參數(shù)。下面以單元梁間距為例，進(jìn)行簡要介紹。

在船舶結(jié)構(gòu)中，存在許多大跨度加筋板結(jié)構(gòu)，比如甲板、橫向艙壁等，板架上加強筋的分布、尺寸對板架強度的影響很大[15]。單元梁間距是單元梁與其鄰近兩側(cè)單元梁的垂直距離。由于船舶三維模型在轉(zhuǎn)換過程中經(jīng)過了多次切割，剖面模型中存在許多碎邊、懸臂邊、不閉合區(qū)域，如圖7 所示。如果采用直接搜索兩側(cè)單元梁求解的方式，計算結(jié)果和計算速度都會受到影響。在校核誤差允許的條件下，最終采用等效簡化的方式來計算單元梁間距。

圖7 間距示意圖Fig.7 Pitch diagram

據(jù)單元梁端部形式，將單元梁分為屈曲梁和非屈曲梁兩類。其中，由非屈曲梁、板相交縫圍成的區(qū)域稱作屈服板格；由屈服梁、屈曲梁和板相交縫圍成的區(qū)域稱作屈曲板格。采用矩形等效的方法，將非矩形板格等效為矩形板格，如圖8 所示。分別在單元梁B1B2兩端（B1，B2）搜索板格，并獲取到非矩形板格1 和板格2 的面積，用板格面積除以單元梁跨距即可計算出對應(yīng)的等效間距。

圖8 板格矩形等效示意圖Fig.8 Rectangle equivalent diagram of panel

采用矩形等效法簡化后的理想化板格如圖9 所示。對每個結(jié)構(gòu)板而言，只需要進(jìn)行一次板格分組，即可計算出整個板架上所有單元梁之間的間距。

圖9 理想化板格示意圖Fig.9 Diagram of idealized gird

3 應(yīng)用實例

基于NX11.0 平臺，使用C++語言開發(fā)上述船舶扶強材自動理想化系統(tǒng)，并在以油船和散貨船為代表的船型三維模型上進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，在不同縱向位置處，扶強材自動理想化系統(tǒng)均可快速、準(zhǔn)確地輸出剖面中所有筋的校核參數(shù)分析結(jié)果。

圖10 是180000DWT 散貨船F(xiàn)R176 位置處剖面模型的扶強材自動理想化系統(tǒng)計算結(jié)果示意圖。其中，模型的結(jié)構(gòu)建模公差為2.0 mm。在Intel(R) Core(TM) i5-6400、CPU 2.70 GHz、8 G 內(nèi)存的測試機上測試發(fā)現(xiàn)，剖面模型中共220 個單元梁、每個單元梁13 項參數(shù)的計算過程共耗時約15 s。

圖10 180000DWT 散貨船F(xiàn)R161 剖面自動理想化計算結(jié)果Fig.10 Automatic idealization calculation result of FR161 section of 180000DWT bulk carrier

4 結(jié)論

主要研究了基于三維幾何模型的船舶扶強材自動理想化系統(tǒng)。本系統(tǒng)可對船舶三維模型中分布密集、截面多變、依附情況復(fù)雜、人工難以計算的扶強材規(guī)范校核參數(shù)進(jìn)行快速自動的理想化計算。結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地計算出船舶剖面模型中所有扶強材的壓力載荷計算點、彎曲應(yīng)力載荷計算點、間距、兩側(cè)的艙室環(huán)境等共13 項規(guī)范校核參數(shù)，解決了人工校核的多項不便，有效提高了船舶加強筋結(jié)構(gòu)校核的精度和效率。