優(yōu)化有限元建模方法探討

董旭靜 蒙昌松 雷雪華

(廣船國際技術中心)

0 前言

有限元分析在現(xiàn)代船舶設計中占有重要位置，且建模工作時間占整個有限元分析的比例相當大，各船級社均開發(fā)了不同有限元軟件，皆有各自的優(yōu)缺點。對船體這樣大型復雜的結構而言，探索一種快捷、便于修改的建模方法是非常有必要的。為此，我們根據(jù)對多個軟件及多型船的建模經(jīng)驗，總結了一套比較高效的建模方法。

1 船體結構特點

船體結構為板梁組合結構，外板為復雜的曲面，中部結構一般比較規(guī)則，在艏、艉、機艙區(qū)域，線型變化比較大，外板骨材的布置也不規(guī)則，內(nèi)部結構復雜。通常為了加快有限元分析進度，在詳細設計初始階段就開始建有限元模型，而在設計期間又存在艙室、平臺、艙壁等方面的反復修改，給建模及修改帶來了很大的難度，本文基于這些特點及問題，探索一種高效的有限元建模方法。

2 船體有限元建?，F(xiàn)狀

各船級社均開發(fā)有限元計算軟件，這些軟件建模方法可分為兩種，一種為直接用有限元網(wǎng)格建模，另一種為建立幾何模型后通過軟件自動劃網(wǎng)格。直接以網(wǎng)格為基礎的方法建模及修改模型效率比較低，而使用幾何模型生成網(wǎng)格，對模型質(zhì)量要求非常高，否則容易產(chǎn)生大量的畸形網(wǎng)格，修改模型也易產(chǎn)生各種錯誤，也有可能導致模型報廢。

3 聯(lián)合CATIA 及FAST TRACK 軟件建模

通過對各有限元軟件使用及總結，我們選擇了CATIA 及FAST TRACK 兩款軟件進行有限元建模，可以極大的提高建模效率?，F(xiàn)以某客滾船為例展示并分析軟件的特點，將兩款軟件優(yōu)缺點進行互補。

3.1 CATIA 有限元建模應用

CATIA 軟件的SFD（Structure Functional Design）為通過建模幾何模型后自動劃分有限元網(wǎng)格的專用模塊。其優(yōu)點表現(xiàn)在以下方面：第一，CATIA 相比其他幾何模型轉網(wǎng)格有限元軟件，其無論是實體還是曲面，做到了變量及參數(shù)化混合建模，極大的提高了建模效率；第二，無論是平面還是曲面建模，CATIA 提供了智能化的樹結構，設計者可方便快捷的對產(chǎn)品進行重復修改；第三，船體外板線型比較復雜，CATIA 對生成曲面SURFACE 的操作方式較多，對不光順曲面可以逆向工程編輯曲面，生成曲面質(zhì)量高，其建模方式比較簡單，通過參考曲面SURFACE 定義邊界即可快速生成曲面板架，能處理復雜的曲面建模；第四，SFD 模塊劃分網(wǎng)格質(zhì)量較好，因其幾何模型有強拓撲關系，所以極少會出現(xiàn)畸形網(wǎng)格。

3.2 FAST TRACK 模型修改應用

FAST TRACK 為一款非常優(yōu)秀的有限元建模軟件，其針對船舶行業(yè)開發(fā)了多項功能，如自動分組、自動優(yōu)化網(wǎng)格、細化網(wǎng)格、自動合并規(guī)格材質(zhì)、自動檢查模型問題等，可以非常便捷的修改CATIA導出有限元模型出現(xiàn)的問題，經(jīng)過FAST TRACK修改的模型可導入各船級社軟件進行計算。

聯(lián)合CATIA 及FAST TRACK 建模步驟，見圖1。

3.3 CATIA 模型更新

使用CATIA 建模時，應充分應用其模型間的拓撲關系。本船在使用CATIA 建模完成后，從一甲板至十二甲板高度均做了修改，且機艙及貨船雙層底各艙室也進行了調(diào)整，如果使用常規(guī)有限元軟件建模，如此大的修改，相當于重新建立有限元模型，而應用CATIA 模型的拓撲關系，僅修改各甲板及艙壁的參考面，便可做到模型自動更新，且不會出現(xiàn)模型錯誤，極大的降低了模型修改的工作量。CATIA 全船有限元模型見圖2。

圖1 有限元建模步驟

圖2 有限元模型

3.4 FAST TRACK 網(wǎng)格優(yōu)化

CATIA 外板SURFACE 需要平邊線、平底線等控制，在劃網(wǎng)格時該線條成為網(wǎng)格控制線，無法消除，見圖3。

圖3 CATIA 外板網(wǎng)格

如圖3 可見，如果手工修改網(wǎng)格，則工作量非常大。而利用FAST TRACK 軟件REMESH 功能，設定單元格規(guī)格，選取需要優(yōu)化的單元格區(qū)域可實現(xiàn)一鍵優(yōu)化，見圖4。

圖4 優(yōu)化后的網(wǎng)格

3.5 FAST TRACK 材質(zhì)規(guī)格修改

因各有限元軟件的接口數(shù)據(jù)轉換，模型經(jīng)過導出、導入后，經(jīng)常會出現(xiàn)型材、板材規(guī)格等命名的更換，見圖5。

圖5 導入FAST TRACK 后的命名

而FAST TRACK 是各有限元軟件中唯一能夠按屬性自動命名的軟件。可先通過Property Value Edit 功能對板材進行重新命名，并選擇添加材質(zhì)，見圖6。通過Modify physical Property 功能對型材重新命名并添加材質(zhì)，見圖7。

由于CATIA 每建一個結構，會新生成一個板或者型材規(guī)格的名稱，這樣導入FAST TRACK 后就形成非常多的規(guī)格名稱，而在重新命名后，通過Merge Versions 功能可自動合并相同屬性的規(guī)格名稱,見圖8。

3.6 FAST TRACK 模型檢查

一般從幾何模型劃分為網(wǎng)格后，部分結構由于結構布置、幾何模型局部錯誤等問題，會導致畸形網(wǎng)格、自由邊，或漏賦屬性、重復單元等問題。CATIA 相比其他從幾何模型轉網(wǎng)格的有限元軟件，因其有拓撲關系，出現(xiàn)此類錯誤較少，但由于建模錯誤仍會出現(xiàn)相關問題。這時通過FAST TRACK的Model Diagnosis 功能可以快速檢查各類模型錯誤并將各類型錯誤自動分組，可非常便捷的修改模型，見圖9。

3.7 FAST TRACK 模型分組

通常有限元建模需要將單元格分組以便于查看、修改、計算等，通過FAST TRACK 的Auto Create Group 功能按外板、橫向、縱向、水平可比較準確的實現(xiàn)自動分組，亦可按需要手工修改分組，分組后導出“ses”格式文件，該文件可導入各船級社有限元軟件使用，見圖10。

圖6 自動修改板材規(guī)格名稱

圖7 自動修改型材規(guī)格名稱

圖8 合并相同規(guī)格

圖9 模型檢查

圖10 模型分組

經(jīng)FAST TRACK 對有限元模型進行修改，可直接保存為“BDF”格式，各船級社軟件均有該格式模型導入的接口或轉換程序，也可在該“BDF”加載后用NASTRAN 求解器進行計算, 生成“OP2”文件后導入FAST TRACK 查看結果及自動出有限元計算報告。

通過在某客滾船有限元分析中聯(lián)合使用CATIA 及FAST TRACK，對比原計劃客滾船全船有限元建模使用PATRAN 建模，需配備6 個人同時建模，且人均約需要80 個工作日，而使用CATIA及FAST TRACK 聯(lián)合建模，按照以上總結的步驟和方法，只需配備4 個人，在圖紙完善的情況下約人均40 個工作日即可完成建模任務，可見該方法可極大的提高有限元建模效率。

4 結束語

通過聯(lián)合使用多個軟件進行有限元分析，不斷的總結經(jīng)驗，將有限元分析工程師的大部分工作從繁重、低效的建模任務中解放出來，節(jié)省出大量的時間用于結果分析，可極大的提高了設計工程師單位工時的含金量，有充足的時間進行結構優(yōu)化、降低空船重量等工作，最終實現(xiàn)降低產(chǎn)品成本，提高企業(yè)競爭力的目標。