關于船體幾何模型從CATIA到MSC.Patran的轉換

(中國船級社，北京 100007)

CATIA(computer aided three-dimensional interface application)是法國達索(Dassault System)公司開發的集CAD/CAM /CAE于一體的三維設計系統，在機械、電子、航空、航天和汽車等行業獲得了廣泛應用[1]。越來越多的用戶選擇將CATIA應用在船舶造型和設計領域。MSC.Patran最早由美國宇航局(NASA)倡導開發，是工業領域最著名的并行框架式有限元前后處理器，其開放式、多功能的體系結構可將工程設計、工程分析、結果評估、用戶化設計和交互圖形界面集于一身，構成一個完整的CAE集成環境[2]。在船舶領域，針對船體結構的有限元分析普遍采用MSC.Patran/Nastran作為前后處理器/求解器。隨著CAITA的普遍應用，如何將在CATIA中建立的船體結構幾何模型有效地應用到MSC.Patran中有很強的現實意義。

1 CATIA CAE的技術特點

在現有通用有限元軟件中,幾何模型與有限元網格模型不映射關聯，幾何模型修改后則需重新劃分形成新的有限元網格模型。

CATIA CAE能將幾何模型和有限元網格模型一直保持對應關系：由于幾何模型與有限元網格模型的映射關聯，可以隨意對幾何模型所映射的有限元網格模型做修改、編輯，其網格屬性、材料也不會丟失；有限元網格模型能隨幾何模型的改變而快速更新，相應的屬性及材料信息能自動關聯到有限元網格模型；有限元分析結果能自動地反映到幾何模型；幾何模型更新時,定義在網格上的邊界條件無需再定義即可自動更新。

因此，從CATIA到MSC.Patran的船體幾何模型轉換及結構有限元分析顯得更為重要。

2 基于CATIA V5 CAE的解決方案

2.1 各種實現方案介紹

從CAD模型轉換到CAE模型，有4種實現方案，見圖1。

圖1 從CAD到CAE的實現方案

方案一。CATIA內部的實現方法，可滿足快速整體評估分析對象。

方案二。CATIA CAE調用第三方求解器的方法，是針對特殊專業的分析要求。

方案三。結合應用行業的有限元分析現狀，轉入其它前處理器的方案，充分利用已有CAD模型，保持CAD幾何模型與CAE模型的關聯，兼顧特殊專業的現狀，將幾何模型在CATIA CAE中劃分網格后轉換到其他前處理器中。

方案四。將其它CAD建模軟件建立的幾何模型轉入到其它CAE軟件前處理器。

2.2 從CATIA轉換至MSC.Patran的實現方案

由于CATIA在船舶設計時所建立的幾何模型與實際船體結構在結構布置、板縫分割、構件端部等方面完全一致，而船體結構有限元分析中的網格模型則在上述方面進行了簡化[3]。同時，考慮到中國船級社在規范研究與審圖計算中的有限元強度評估使用MSC.Patran/Nastran作為前后處理器/求解器，并基于此開發了一系列相應的應用程序。因此，針對方案三進行研究。

實現方案見圖2。

圖2 從CATIA轉換至MSC.Patran的實現流程

3 轉換的方法與步驟

3.1 幾何模型的規范化處理

為了滿足船體結構有限元分析的要求，需要在已有的CATIA SFD幾何模型的基礎上進行幾何簡化處理。主要包括以下內容。

1)板縫位置調整。中國船級社鋼質海船規范中對板縫與骨材或縱桁之間的最小間距有所要求[4]，為了避免板縫和骨材間的小間距引起網格的局部尖銳，需對CATIA SFD幾何模型的板縫進行相應調整，使板縫與最近的型材對齊。見圖3。

圖3 板縫位置調整示意

2)型材端部位置調整。實際船體結構中型材之間的連接與有限元網格中“梁單元”之間的連接完全不同，型材之間的連接以及端部位置直接影響相關板材網格劃分的質量，所以需要對型材的首末端位置進行簡化處理，使其端點重合或延伸到板材邊界。

圖4 型材端部調整示意

3)趾端簡化。大部分的趾端采用軟趾設計，具有特殊形式，且趾部及腹板加強筋的端點位置不與相鄰構件對齊，如果不進行簡化，將會引起其趾部網格畸形、網格間難以協調以及對應位置板材網格不理想。所以趾部及腹板需要按就近原則處理，使其與相鄰構件對齊。見圖5。

圖5 趾端簡化示意

4)開孔形狀調整。大開孔的倒角及邊界未與最近型材對齊，導致在倒角處網格將出現尖角或不能生成網格等問題。將大開孔邊界與相鄰型材對齊，以及將倒角改變為直角，則利于網格的生成和質量的提高。此處的形狀調整一般針對雙舷側內平臺上的開孔，而對于頂邊艙和底邊艙橫框架的開孔則不予簡化，以描述強框架上開孔的實際形狀。見圖6。

圖6 開孔形狀調整示意

3.2 CATIA CAE網格劃分

幾何模型簡化完成后，利用CAITA CAE進行網格自動劃分，需注意設置好網格尺寸。

3.3 CATIA CAE網格處理及局部優化

1)網格協調處理。CATIA CAE模塊劃分網格時，考慮結構之間的協調時可能出現故此失彼的情況，通過編寫的程序可控制絕大部分的網格實現節點間的協調，避免過多出現自由邊。

2)網格局部優化。在CATIA結構建模的初期需要建立一些參考線以生成曲面，并將各曲面拼接在一起，從而形成結構連接線，如平底線、平邊線。CATIA網格劃分時可以考慮將其設為約束線，但局部位置則需要將其去除，或者出現過多的三角形網格時添加單元種子數，以提高局部網格質量。見圖7。

圖7 網格局部優化效果

3)小孔洞簡化。通過設定網格過濾孔洞的尺寸，CATIA CAE環境可實現對小于設定尺寸的孔洞在網格中劃分中予以過濾，以免造成小孔洞周邊的網格質量較差。孔洞過濾后，可以采取“等效板厚”的原則處理。

3.4 接口定制

通過上述操作后，在CATIA CAE中形成了滿足要求的有限元網格模型，接下來則需要采取如下步驟將有限元網格模型、屬性、分組信息導入至MSC.Patran中，以及在MSC.Patran中進行網格質量和協調性檢查。

1)材料、單元屬性輸出。為了將CATIA CAE模型的各種屬性添加到MSC.Patran可以讀入的Bdf文件中,須將在CATIA幾何模型結構樹中不能直接獲得的屬性信息通過CATIA的輸出函數輸出，并按照指定的格式輸出到相應的文件中。

2)添加屬性至Bdf文件。從CATIA CAE模型結構樹獲取可以獲得的數據以及將上述輸出的數據和單元、節點數據一起添加到指定的Bdf文件中。在數據添加時保證三類數據的ID對應一致為關鍵技術，同時必須滿足MSC.Nastran卡片格式要求。對于梁單元，則需要將梁的方向和偏移量計算出來，對應到相應的網格屬性中。屬性添加完成后，在MSC.Patran中分別驗證板單元和梁單元屬性。板單元通過厚度云圖驗證屬性準確性，參見圖8。梁單元通過截面屬性和偏移顯示驗證屬性準確性，參見圖9。

圖8 板單元屬性云圖

圖9 梁單元屬性顯示

由于CATIA CAE中梁的方向和偏移量與MSC.Natran對梁屬性要求的差異性和輸出數據ID不具有良好的規律性，所以其主要工作為測試對比輸出數據ID和梁的方向與偏移量的準確性。

3)建立網格分組。為了便于在MSC.Patran中查找結構，需將結構名稱以網格組名的形式添加到BDF文件中。從CATIA CAE結構樹中提取結構名稱，按照ID號搜索找到正確的網格組，并添加結構名稱到文件中。

根據中國船級社CATIA SFD建模規范的命名規則和BDF文件的網格屬性名稱，合并CATIA幾何模型結構樹名稱(見圖10a))中前兩個字段相同的網格分組到按結構區域和構件類型的MSC.Patran分組(見圖10b))，以適應在MSC.Patran軟件中對局部網格瀏覽、調整，載荷、邊界條件的施加以及后處理中的便捷性。

圖10 網格分組信息轉換示意

4)網格質量及協調性檢查。網格質量是影響有限元計算結果準確的重要因素，為了驗證輸出網格的質量，需對四邊形和三角形網格單元的長寬比、翹曲度等指標進行一一檢查。

網格協調性將準確反映分析模型的結構連接形式，需對模型的自由邊進行檢查。

4 案例介紹

圖11 加載計算后的30萬t VLCC艙段位移云圖

見圖11，將中國船級社船舶檢查和維護保養系統應用到某30萬t VLCC的CATIA幾何模型中的3個艙段，成功轉換到了MSC.Patran中，并進行了計算驗證。

5 結論

實際案例驗證表明，將CATIA幾何模型轉換到MSC.Patran的方法，充分利用了CATIA CAE的技術特點，轉換后的網格模型繼承了CAITA中的材料屬性、網格分組等關鍵信息，使得在MSC.Patran中僅需添加載荷和邊界條件即可完成計算。

此前的其它類似方法一般是僅導入幾何模型，后續需要在有限元軟件中進行網格劃分、屬性定義、分組定義，且較多的是對實體模型進行轉換，而對船體結構這樣大型的復雜板梁模型則不適用。本文方法轉換后的信息完整，無需二次加工，且適用于船體結構復雜的板梁模型。

另外，依照本文方法，對散貨船槽型艙壁的頂凳、底凳等特殊結構轉換時，還需要手工按中國船級社規范要求調整網格質量，建議可以進一步研究該結構的自動劃分網格技術。

[1] 王鳳英，何 勇.CATIA軟件的幾個使用技巧[J].CAD/CAM與制造業信息化，2003(1)：34-35.

[2] 劉兵山，黃聰.Patran從入門到精通[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[3] 中國船級社.油船結構強度直接計算指南2003[Z].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 中國船級社.鋼質海船入級規范2012[S].北京：人民交通出版社，2012.