基于MSC.Patran的艙室識別程序開發

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(1.中國船舶科學研究中心，無錫 214082;2.中國船級社，北京 100007)

國際船級社協會開發的協調后的《共同結構規范》(HCSR)，預計將在2014年生效[1]。國際上各大船級社都針對HCSR規范研發了相應的校核軟件[2～3]。HCSR規范中對于腐蝕屬性的創建、屈曲、屈服和疲勞計算的載荷加載，都和艙室空間的類型、結構類型、內部構件單元以及艙室特性相關。基于PATRAN用手工搜索結構的網格單元和艙室空間的邊界單元，操作繁瑣。在整個規范校核軟件系統中，艙室空間自動識別程序是系統準確性與否、性能高低的關鍵之一。此前正基于船舶有限元結構模型對艙室空間識別技術發出了3D艙室邊界單元自動識別系統[4]，實現了根據舷側上任意一個起始單元和艙室內部任意空間一點，自動識別出艙室的所有邊界單元。但該系統識別的整體效率不高，需要人工干預的地方較多。在HCSR規范中，極有可能要求對船中以外區域和艏、艉貨艙模型進行評估分析，而艏、艉部的艙室模型型線的變化比較復雜，并且每個艙室空間的邊界單元都需要定義出來，原系統需要輸入艙室內部任意空間一點，導致需要輸入參數的工作量較大，因此原系統已不能適應新的規范體系。所以，開發改良了艙室識別程序，以期能夠快速、準確地識別出艙室的結構、艙室或者空間的邊界網格單元，以提高審圖效率。

1 設計與實現

1.1 框架設計

根據一些模型的參數和結構的位置特性，實現把一些位置特性明確的結構自動識別出來，并提供人工干預的方式實現復雜結構和位置特性不明顯的結構的識別。結構識別針對船中區域，包括了甲板、外殼、內底板、底邊艙斜板、頂邊艙斜板、頂邊艙垂直板、雙層底縱桁、底凳斜板、頂凳水平板等結構，結構識別完成后每個單元只屬于一個結構。非水密結構(non-tight)需要分析人員手工定義。基于拓撲學有關原理，結合CAE模型和CAD模型優勢，將基于單元的CAE模型轉化成基于面的CAD模型來處理，采用“切分拼接”的方法實現艙室空間的識別。程序涉及到的結構名稱、艙室類型及名稱等信息以配置文件的方式封裝到程序后臺，由程序統一管理。程序框架見圖1。

本文只針對結構識別和艙室識別做相關闡述。

1.2 結構搜索

1.2.1 算法設計

本文提及的結構識別方法以模型參數和結構的位置特性為基礎。例如根據模型的橫剖面參數，計算出外殼、甲板、內底等結構的位置信息，然后隨機搜索到一個符合條件的網格單元，即可以實現自動識別結構并創建分組，見圖2。

通過PCL編程實現自動從起始單元開始，通過公共節點、公共邊和網格單元之間的拓撲關系，搜索相臨單元，不斷循環搜索，直至完成一個結構的識別。對于平面結構如甲板和內底等，可用單元的法向過濾掉與目標結構垂直或成一定角度的單元。

圖1 程序框架

圖2 結構識別

對于槽型橫縱艙壁，加入相接單元的公共邊同時存在3個單元或以上的限制條件即可。針對不能通過位置判斷出來的，可以結合手工判定，盡量減少手工調整的工作量，最終實現整個模型的結構識別。程序識別流程見圖3。

結構網格單元自動識別后，保存在相應的結構組中，可以根據結構之間的相連或相交關系自動把結構切分成多個塊(面)，在艙室識別時用于拼接。

1.2.2 模型數據

根據船型給出剖面參數，在模型的剖面參數基礎上進行結構自動識別，圖4為一道和兩道縱艙壁油船的橫剖面，單弦側和雙舷側散貨船的橫剖面參數類似，橫艙壁位置處的結構還需要模型的縱剖面參數，例如橫艙壁橫向位置(x)。

一道和兩道縱艙壁油船參數需如圖4所示的d1、d2、d4(d3)、h1、h2、h3和艙壁位置。

以甲板上的起始單元 為例，起始單元坐標范圍確定方法見式(1)～(4)，遍歷模型中的單元，找到單元型心坐標符合該坐標范圍的任一單元即可。其余結構起始單元確定方式可類推。

圖3 結構識別流程

ElemstartPx={x|x∈(-∞,+∞)}

(1)

ElemstartPy={y|y∈(0,d1+d2)}

(2)

ElemstartZt=h2+h3+h4

(3)

ElemstartPz={z|z∈(zt,zt+h5)}

(4)

1.2.3 效果統計

結構識別針對油船和散貨船船中區域，包括了甲板、外殼、內底板、內殼板、槽型縱艙壁、槽型橫艙壁、底邊艙斜板、底邊艙橫隔板等結構。結構識別完成后模型中的每個單元都應該屬于且只屬于一個結構組。根據橫剖面參數，油船船中區可自動識別的結構見表1，散貨船可自動識別的結構類似。

圖4 一道和兩道縱艙壁油船模型橫剖面

表1 識別對象

據對某油船實船船中區有限元模型的研究，模型中包含結構14個，由橫剖面參數判定出起始單元，進而可實現自動識別網格單元精度為100%的結構可達10個，占結構總數的比例近70%。相對與純手工提取結構單元，減少了驗船師的手工操作。但因自動搜索需要對模型大量單元做空間位置的判定，結構自動搜索算法耗時較長，以手工干預的半自動方式將結構逐一識別，效率相對較高。

1.3 艙室搜索

1.3.1 算法設計。 切分拼接方法原理為：首先切分模型，把模型切分成一塊塊沒有被分割的面，即沿著任何兩個相交構件的交線切分；然后通過兩面確定第三面的組合方法，將面拼接成空間。先利用模型中的自由邊(Free edges)對內部結構單元進行過濾，和自由邊關聯的單元必定是內部構件而非艙室空間的邊界單元，其中特殊結構上的開孔需特殊處理；然后根據構件之間的相交關系對模型進行切分(見圖5)，將圖中所示切分出的一系列單元組(1～10)定義為“面”，最后依據三維立體幾何的性質將切分出來的面拼接成艙室空間。

圖5 切分示意

根據三維立體的幾何性質，任何兩個相交(有公共edge)的面可以確定第三個面，其中第三個面必須滿足如下特征：分別與這兩個面相交且不交于同一交線，也即第三個面的兩條邊分別和已定的兩個面是公共邊。如圖6，面a和面b相交，面c分別與面a和面b相交且不交于同一交線，由此得出面c是屬于該三維艙室空間的邊界。圖6為實際模型中的3個相關面的拓撲關系。

圖6 拼接示意

1.3.2 程序流程

艙室單元搜索的核心算法類似于結構單元搜索。程序流程為：首先將模型切分為若干塊沒有被分割的面，即初始化。切分面采用以下幾種方法：①不過濾自由邊(不進行預處理)直接切分；②過濾自由邊關聯的內部構件單元之后切分；③按水密結構的相交關系切分；④按自定義結構相交關系切分。為了提高程序的效率和保證Patran的運行穩定性，模型切分產生的“面”輸出到數據文件中，并對每個面加上ID編號，由程序管理。

采用上述的算法原理，根據指定的任一屬于艙室空間邊界的單元作為起始單元，將切分出的面再拼接成艙室空間。其中對于槽型艙壁將Edges的兩個端點近似看做一條邊。程序流程及主界面見圖7。

對于選定的起始單元，若起始單元所屬的結構屬于惟一的艙室，則識別出的艙室空間較為準確，若起始單元所屬的結構屬于兩個艙室，則可以再選擇相鄰相交結構上的一個單元作為起始單元。

圖7 艙室空間搜索流程

1.3.3 法向分組

依據HCSR規范進行結構校核時，需要對艙室的邊界單元根據不同的法向加載不同的設計載荷。為方便規范校核軟件系統中載荷的自動加載，該程序開發了對艙室邊界單元進行法向分組功能，實現根據指定的法向向內的單元，將艙室邊界單元分為法向指向艙室內部和外部兩組，并在Patran中用高亮和標注的方式顯示。法向分組見圖8。

圖8 法向分組

1.3.4 內部構件識別

艙室的內部構件與邊界扣除的腐蝕量不同，依據規范扣除相應的腐蝕余量時，需要將艙室的邊界單元和內部構件單元分別處理。因此，完成艙室邊界單元識別和法向分組后，還需結合艙室邊界單元，搜索艙室內部構件單元。艙室內部構件識別方法，主要是根據單元和艙室邊界單元的拓撲關系，即根據Edge是否和艙壁相連進行判定。相連關系的判別依然基于艙室邊界識別初始化時切分出的面。

2 實船驗證

基于MSC.Patran平臺，使用Patran Command Language(PCL)作為開發語言，根據上述思想開發了船舶艙室空間識別程序。經對某油船實船的有限元模型進行測試，可以實現模型的合理切分并有效識別出艙室空間。見圖9。

圖9 兩道縱艙壁油船艙室空間

3 結論

1)基于切分拼接的方法開發的艙室識別程序，能夠快速準確地識別出油船和散貨船平行中體區的大部分艙室或空間的邊界網格單元。

2)與筆者此前基于艙室內部一個坐標點和一個起始單元的方法開發出的3D艙室邊界單元自動識別系統相比，程序整體運行效率和識別精度有了明顯提高，并且需要人工干預的地方明顯減少。

3)設計開發的艙室識別程序在艏部和艉部模型中同樣適用，但是識別的準確性要低于平行中體區的模型，需要進一步深入研究。

4)此程序已經作為一個功能模塊納入CCS的HCSR規范校核軟件體系中，在一定程度上減輕了審圖驗船人員的繁瑣重復勞動，提高了審圖效率。

[1] 徐 華.HCSR的隱形機會[J].中國船檢,2011,(2):32-35.

[2] 佚 名.IACS發布雙殼油船和散貨船協調共同結構規范(HCSR)[J].船舶標準化工程師,2012,45(5):16-16.

[3] 殷 毅. HCSR軟件彰顯硬實力[J]. 中國船檢, 2012,(9): 29-31.

[4] 單威俊,李 峰. 船舶模型邊界網格單元識別技術研究[J]. 計算機工程與設計, 2008, 29(10): 2652-2654.