基于標準中間文件的CAD-CFD接口開發與應用

2012-01-22 10:29:22金建

船海工程 2012年4期

， ,金建，

(中國船舶科學研究中心,江蘇無錫 214082)

在船舶流體性能領域虛擬試驗系統中，CAD/CFD接口工作無疑是其中的重要一項,而且還是目前比較薄弱的一個環節[1-2]，設計標準格式的型值表便是連接CAD和CFD軟件的橋梁。國外對CAD/CAE工具軟件進行二次開發已經達到了十分成熟的水平。不管是CAD軟件如UG、AutoCAD等，還是CAE軟件如MSC、Ansys等，都提供了豐富的二次開發功能，可以讓用戶直接開發相關的數據接口軟件。為了使軟件具有更大的通用性，一般國外商用軟件都提供多種標準文件的輸入/輸出，如STEP,IGES等。但這些標準往往只是在CAD之間或者CAE之間可以通用，在CAD和CAE之間，由于模型的表示方法差別很大，兩者還存在很大的縫隙。最近幾年，一些大公司的最新產品，如Siemens PLM Software、Altair等，在其各個領域的行業解決方案中，集成了多種CAD/CAE之間的所謂的“無縫”連接，其中往往都包含了行業內統一的CAD/CAE標準接口。

在國內，隨著近幾年CAD/CAE的不斷應用，尤其是隨著CAE應用的推進，在單一接口方面也已經有了豐富的積累[3]，開發了一系列的CAD/CAE接口，在此過程中，也出現了一些中間文件(中性文件),但這些文件還不夠標準，雖然已經開始向專業標準化方向發展，也只是適用于少部分船型；本文討論基于標準中間文件接口的研發工作。

1 標準中間文件

標準中間文件可采用XML語言格式。XML是可擴展標記語言，它與HTML一樣，都是SGML(standard generalized markup language,標準通用標記語言)。它是一種簡單的數據存儲語言，使用一系列簡單的標記描述數據，而這些標記可以用方便的方式建立，雖然XML占用的空間比二進制數據要多，但XML極其簡單易于掌握和使用。因此，標準中間文件采用XML格式設計。根據船體型值數據和流體分析設置所需相關參數，歸納為以下節點：版本控制、總體參數、船體型值表、計算域參數、網格信息。

一個標準中間XML文件代表一條船，記錄整條船的型值表信息、模型數據和分析設置參數，供各個CAD/CFD軟件接口程序使用，文件由6部分組成。

1)XML版本信息。固定XML格式，編碼格式是UTF-8。

2)轉換程序版本信息。第一行：“$”符號開頭為注釋行；第二行：文件來源說明；第三行：轉換程序版本信息以及文件創建時間。

3)總體參數。第一行：總體參數項。船名，長度單位，船長，垂線間長等；第二行：總體參數值。該模塊主要描述船體的總體信息。

4)船體型值表。船體信息又包括4個數據模塊：水線，站線，輪廓線，縱剖線。

①水線/站線數據表。水線/站線數據表中的列,表示對應高度的水線；每一列代表一條水線。

②中縱剖線(輪廓線)。第一行代表不同高度的水線面；第二行為相應高度水線面與首尾輪廓的交點，用“”分割；

③縱剖線。第一行為縱剖面位置，即縱剖線的y值，每一列代表一條縱剖線；

5)計算域參數。充分利用XML格式文件節點可擴展特性，設計計算域數據模塊保存計算域相關設置參數，可隨意增加刪除參數個數。

6)網格信息。充分利用XML格式文件節點可擴展特性，設計網格信息數據模塊，保存模型網格劃分相關設置參數，可隨意增加刪除參數個數。

2 CAD模型建立

目前，相關研究人員在對船型進行CFD分析時，需要從CAD圖的型值信息開始，經歷提取型值表，創建船體幾何，創建計算域，網格控制點設置，體網格劃分，MSH文件生成，材料、屬性邊界條件設置，迭代求解，后處理結果顯示。當船型型值信息改變或者需要對船型進行優化的時候，研究人員需要對整個流程重新操作，但是絕大部分都是重復性工作。本文研究接口程序的目的就是針對于這個現象，對于拓撲結構類似的船型進行自動化建模，將固定的手工流程自動化，縮短在重復工作上的時間，從而提高效率。

接口程序根據標準中間文件XML中的水線，站線，輪廓線等信息，在UG中創建型線，再將船體分為船艏，平行中體(針對帶平行中體的船型)和船艉3部分，分別建模。由于球鼻艏和船艉幾何形狀比較復雜，因此在創建船艏和船艉曲面的時候需要在UG中進行細化。

船艏可以劃分成四部分，其中第4部分幾何圖形復雜，需要進一步細化，見圖1、2。

圖1 船艏幾何建模圖2 細化船艏幾何建模

船艉部分，同樣首先劃分為4個部分，針對第4部分，再次進行細化，針對船艉第6部分，直接建面有可能失敗，因此使用了掃掠、裁剪的方法，見圖3。

圖3 船艉幾何建模

加上平行中體部分，就完成創建1/2船面，見圖4。

圖4 船體幾何模型

將從UG中導出的Parasolid文件導入Gambit中，根據標準中間文件中的相關參數，對船體進行分割，為創建計算域做準備。由于UG建面時對船體進行了細化，在創建計算域幾何前對小曲面進行合并,見圖5。通過設置的艏部向前，艉部向后和外邊界參數，創建計算域幾何，見圖6。

圖5 合并后船體曲面模型

圖6 計算域幾何模型

3 流體網格劃分

網格是CFD模擬與分析的載體，網格自動劃分的好壞直接影響到CFD的數值解的計算精度。為使模擬的船體流場更加精確，采用了六面體/五面體的混合的結構化網格。繞流場主要使用O型和C型兩種網格。

網格疏密使用邊網格點進行控制，原則是近壁區的邊網格點數量多，滿足y+要求，遠離壁面區域邊網格點數量逐漸減少。劃出的體網格在壁面處非常精細，艏艉區域的網格較密，外部區域稀疏，經驗和結果證明這樣的設置更能準確地模擬船體的流場。在艏部、平行中體、艉部的各個邊上按照圖7中的方式進行布置網格點。軸向上一般均勻布置，軸向大多需要設定疏密過渡的網格點，徑向和軸向的根部需要設定初始網格高度，滿足y+要求，同時沿徑向和軸向需要疏密過渡。通過網格點，直接生成體網格。

圖7 網格模型

Gambit的Journal文件即記錄下Gambit圖形界面中的每一個操作后的命令行，針對擁有相同拓撲結構船型在船體分段、計算域創建后的幾何是相同的。因此，根據專業人員的手工建模流程，本文設計的接口程序研究出一套適合自動化的流程，并根據Gambit提供的一系列函數，控制自動化中的每一步命令生成的幾何點、線、面或者體的編號，可將整個建模、網格創建過程自動化，最后實現系列船型的參數化建模。