船體艙段三維有限元模型參數化建模方法研究

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(華南理工大學 交通學院，廣州 510641)

現階段船體結構強度的直接計算一般運用通用有限元軟件。其中，有限元模型的建模主要是由手工建模完成，這種建模方法的效率及重復利用率較低，直接應用通用有限元軟件建模需要較高的有限元應用技巧且較費時，拉長了分析周期。這種建模方式不能滿足現實船舶設計建造的要求，也不具備處理突發事件的能力。

因此，提出參數化建模的方法，所謂參數化建模，也即自動化建模，是指由用戶在界面上輸入必要的參數，程序根據這些參數進行分析和計算，最終完成模型創建作為輸出。整個建模的主要過程由程序完成，期間只需少量的用戶操作。用參數化建模的方法來實現船體有限元模型的自動建模，能顯著地縮短船體結構有限元分析的周期，提高效率。

在船體結構參數化建模的探索中，國內外的許多船舶工作者都為之作出了不懈的努力[1-4]。

在綜合前人研究的基礎上，筆者提出了一個參數化建模研究的思路。

1 研究思路

用PCL語言編寫程序代碼，并導入MSC.Patran中，同時充分利用MSC.Patran的功能，最終實現三維船體艙段的有限元自動建模。其中，難點與關鍵技術在于有限元模型自動生成方法的設計，即由程序自動生成高質量的有限元網格的方法。

船體艙段結構是由桿、梁、板、殼等構件組成的彈性體，是一個大型空間薄壁板梁組合結構。根據船體艙段結構的特點，可以預先對其有限元模型的網格進行規劃。

首先，從單元類型上講，船體艙段有限元模型所用的單元主要是一維單元和二維單元。其中，一維單元主要是2節點的梁單元和2節點的桿單元，二維單元主要是3節點的三角形殼單元和4節點的四邊形殼單元。

其次，從船體艙段的結構特征看，可以把船體艙段上的單元歸類為縱向單元和橫向單元，或是把整個網格分為縱向網格和橫向網格兩部分。其中，把沿著船長方向的網格稱為縱向網格，其上的單元即縱向單元；把全部橫向構件上的網格稱為橫向網格，其上的單元即橫向單元。

先通過輸入的信息直接生成縱向有限元網格，再以縱向網格為基礎，在相應的肋位上利用已有的節點作為邊界，進而生成橫向的有限元網格。

1.1 縱向網格的自動生成方法

遵循一定的規則輸入若干個典型橫剖面上的插值點的插值信息(如點的幾何信息，選用的插值類型，等等)，程序根據輸入信息用幾何線構造一個空間的幾何骨架，然后在此幾何骨架的基礎上生成縱向的有限元網格。

用分段的三次非均勻B樣條曲線對船體外殼或甲板在每個典型橫剖面上的輸入點進行插值，并根據實際建模的需要對所構造的三次非均勻B樣條曲線進行插值計算以獲取建模所需的其它點[5]。在每個剖面上對全部的插值點進行連線，然后對相鄰剖面上的插值點進行連線，這2組線構成了一個空間的幾何骨架，最后，在此幾何骨架上生成縱向的有限元網格[6，7]。

對于縱向構件的其它部分，如內殼、縱艙壁等，也用相同的方法完成，所不同的是這些部分在橫剖面上的投影表現為直線段，因此只需進行線性插值計算而無需用樣條曲線進行插值。

縱向網格的整個創建過程如圖1所示。

圖1 縱向網格創建的流程

縱向網格生成的同時，在程序中根據輸入的信息對各部分構件進行分組，以便對模型進行檢查以及進行各部分構件屬性賦值的操作。從總體上看，縱向網格生成的整個過程是一個由點連線，進而在由線所構成的幾何骨架上生成縱向網格的過程，在這一過程中，由幾何元素所承載的信息最終傳遞到有限元網格的單元之中。縱向網格的生成也為接下的橫向網格的生成奠定了基礎。

選取一個雙底雙殼的三維船體艙段結構進行分析，其縱向網格的生成如圖2～4所示。

1.2 橫向網格的自動生成方法

對于三維船體艙段上的橫向網格，由于船體橫向構件所在的區域通常是一些細帶狀的二維區域，且其邊界上的節點的位置和個數一般都已預先確定，因此，盡管在二維區域上生成有限元網格的方法有多種，但要在這些細帶狀的二維區域中自動生成高質量的二維網格仍然困難。

為了解決此問題，在現有的網格生成理論基礎上提出了一種新的二維有限元網格的鋪設算法，用于在細帶狀二維區域自動生成包含三角形單元和四邊形單元的有限元網格，其中，四邊形單元占主要部分，而少量的三角形單元則是為了加強算法對邊界的適應性。

基本原理主要基于Blacker和文獻[8]和[9]。同時，筆者提出一些新的算法規則，使算法所生成的單元更能有效適應細帶狀的二維區域。

圖5 橫向網格生成算法的流程圖

主要步驟包括單元和節點的生成、相交、縫合、把網格節點移至內部固定節點、網格局部調整、均勻化共6個部分。算法的主要過程見圖5。

以大型綜合有限元軟件MSC.Patran為應用平臺，用MSC.Patran提供給用戶的二次開發語言PCL實現了該算法，所得到的有限元網格的質量優于直接用MSC.Patran自身的Paver命令劃分所得到的非結構化網格[7]。見圖6，這是對于一個艙段肋位上的強肋骨，用本算法對所選定的的邊界節點以及內部固定節點所進行的網格自動生成的結果。其中，外部邊界上的節點由縱向網格在指定位置上的節點所確定，內部的固定節點是根據實際需要而添加的。從圖中可以看出，程序可以自動生成網格的主要部分。當然，用算法所生成的網格還需要后續的一些人為的修改與調整工作。

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2 程序的數據結構圖

程序中主要的數據結構見圖7。

圖7 主要的數據結構

3 自動建模模塊的界面

根據本文所提出的參數化建模思路，三維船體艙段有限元模型自動生成所依賴的交互界面見圖8～9。

圖8 自動生成縱向網格的菜單選項以及命令框

圖9 鋪設方法的菜單選項以及命令框

4 結論與展望

對于一般的油船或散貨船，用這種參數化建模方法可以由程序生成整個三維船體艙段有限元模型中接近70%的組成部分，甚至更多，能夠減少接近50%的建模時間。當然，本課題目前只處于研究階段，所完成的只是基礎部分的工作，對于程序生成的網格還需要一定的人為調整。整個參數化建模系統的完成將會進一步提高建模的自動化程度。

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