船舶結構有限元模型局部修正方法研究

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

船體結構強度的有限元校核多采用平行中體區(qū)域的三艙段模型。在進行艙段的有限元計算后，需要對某些關鍵部件或區(qū)域使用更精細的網格進行再次分析，而設計單位送審的模型，一般不考慮細部特征的建模，如開孔、趾端等。驗船師在進行規(guī)范校核時，通常的做法是根據(jù)初次計算的應力結果，篩選出需要進行開孔和趾端細化建模的區(qū)域，依據(jù)圖紙，在模型中手工創(chuàng)建開孔和趾端并細化，再進行細化后的規(guī)范校核。這種方法適合針對典型區(qū)域的規(guī)范驗證，但隨著HCSR規(guī)范的即將生效[1]，對細化網格的質量要求更加嚴格，規(guī)范中要求校核的開孔區(qū)域和趾端數(shù)量也有所增加。對有限元模型進行手工局部修正的方式已經不適合新規(guī)范體系校核的需求。

此前依據(jù)CSR規(guī)范，討論過基于結構有限元模型進行開孔的方法，實現(xiàn)了借助硬點、硬線結合撒種的方法創(chuàng)建“雙圓弧形”開口[2]，某種程度上解決了工程實際中對典型區(qū)域抽樣校核的需要。但是隨著新規(guī)范的生效，開孔類型并不局限于雙圓弧形一種，需要校核的開孔區(qū)域范圍增多，并且對于趾端的細化和局部修正也有了明確的要求，因此原系統(tǒng)已不能適應新的規(guī)范體系。所以，開發(fā)改良開孔細化以及趾端細化修正工具，能夠準確地創(chuàng)建開孔和趾端，提高審圖驗船人員的分析效率顯得尤為重要。

1 程序框架

針對開孔的創(chuàng)建方法、趾端細化以及局部建模展開討論，所提及的開孔創(chuàng)建基于局部細化后的模型[3]。根據(jù)設置的開孔和趾端的位置、尺寸參數(shù)等信息，在已有的船體結構有限元模型上完成開孔的創(chuàng)建和趾端的局部細化和修正;將研究的成果基于Patran平臺，利用PCL語言編程進行驗證，并作為獨立的工具功能模塊，納入到CCS的HCSR規(guī)范校核軟件體系中。程序框架見圖1。

圖1 程序框架

2 開孔

開孔分為4種常用類型，分別為雙圓弧形、導角形、圓形和方形，多出現(xiàn)在雙層底實肋板和雙殼垂直桁，見圖2。

圖2 開孔類型和位置

參數(shù)設置界面及參數(shù)說明以及雙圓弧形示例見圖3、表1。界面中給出規(guī)范中的開孔示意圖，并標注相應參數(shù)。根據(jù)開孔類型不同，界面示意圖及參數(shù)項做相應的切換。

圖3 開孔功能界面

符號說明o開孔所在平面的局部坐標O開孔中心,Node或坐標[x y z]r兩端半圓弧的半徑h0開孔的高度值l0開孔的長度值,l0要求大于h0h開孔區(qū)域的高度值l開孔區(qū)域的長度值

本文研究的開孔和趾端建模方法，均基于細化后網格創(chuàng)建，細化方法可利用獨立的通用網格細化方法[4]，將網格細化至100 mm×100 mm以內，開孔區(qū)域不能有構件與其相交，并且開孔區(qū)域單元必須在同一個平面內。見圖4、5。

圖4 規(guī)范中的開孔圖示

圖5 網格細化

2.1 雙圓弧形

雙圓弧形開孔即是兩端為兩個等半徑的圓弧，形狀似足球場。創(chuàng)建步驟為確定開孔范圍,創(chuàng)建輔助建模特征及創(chuàng)建開孔處細化單元。

開孔范圍確定方法如下。

1)雙圓弧的一個圓弧圓心作為參考坐標系o的原點。

2)圖6中開孔區(qū)域①為局部坐標系o中，坐標[x1+,y1+,0][x1-,y1-,0]覆蓋的矩形區(qū)域；

x1+=l0-r,x2+=l-r

(1)

y1+=h0/2,y2+=h/2

(2)

x1-= -r,x2-= -r-2Δ

(3)

y1-=-h0/2,y2-=-h0/2-2Δ

(4)

圖6 雙圓弧形開孔

3)開孔邊緣區(qū)域②為局部坐標系o中，坐標[x1++Δ,y1++Δ,0][x1--Δ,y1--Δ,0]覆蓋的矩形區(qū)域扣除區(qū)域①；規(guī)范中要求開孔區(qū)域的網格需要細化到50×50，開孔邊緣兩圈單元均勻并盡量不使用三角形單元，因此，取Δ=100。

4)開孔過渡區(qū)域③為局部坐標系o中，坐標[x2+,y2+,0][x2-,y2-,0]覆蓋的矩形區(qū)域扣除區(qū)域①和②。

5)需挖空的區(qū)域為①+②+③，若單元的任何一個節(jié)點坐標滿足式(5)、式(6)，即判定該單元落入需要挖空的區(qū)域。

NodePx={x|x∈(x2+,x2-)}

(5)

NodePy={y|y∈(y2+,y2-)}

(6)

2.1.1 輔助建模特征創(chuàng)建方法

1)根據(jù)節(jié)點的坐標和單元拓撲關系，依據(jù)式(5)～(6)判定所在區(qū)域，得到要挖空的開孔附近單元。

2)刪除開孔區(qū)域單元。

3)以輪廓線的一個圓弧圓心為原點，x指向開孔長度方向，y指向開孔高度方向，創(chuàng)建局部坐標系。

4)創(chuàng)建開孔輪廓線b，為兩端半徑r的圓弧，兩端圓弧的端點由直線相連；

5)創(chuàng)建開孔邊緣區(qū)域輪廓線a，形狀同b，與開孔輪廓線之間的距離為100 mm。

2.1.2 創(chuàng)建開孔處單元方法

1)獲取挖空區(qū)域邊界的節(jié)點，可通過Free Edge方式獲取。

2)將x正方向節(jié)點按y值大小進行排序。

3)根據(jù)圓弧長度，單元尺寸要求為50×50，計算出需劃分的單元個數(shù)，并在輔助輪廓線上撒種。

4)根據(jù)規(guī)范中開孔單元特征要求，依次完成x正方向、x負方向、y正方向、y負方向的開孔單元和過渡單元的創(chuàng)建，見圖7、8。

圖7 雙圓弧形x方向創(chuàng)建過程

圖8 雙圓弧形y方向創(chuàng)建過程

5)刪除創(chuàng)建的幾何點、線和坐標系等輔助元素。

2.2 導角形

導角形開孔即是矩形區(qū)域為4個頂點作等半徑圓弧導角，創(chuàng)建步驟同雙圓弧形。局部坐標系取在一端兩個導角圓心連線的中點，開孔區(qū)域的判定類似式(1)～(4)，輔助建模特征創(chuàng)建和網格創(chuàng)建的方法與雙圓弧形開孔類似。見圖9～11。

圖9 導角形開孔示意圖

圖10 導角形創(chuàng)建過程

圖11 導角形開孔效果

2.3 圓形

圓形開孔即是開孔輪廓為圓，創(chuàng)建步驟同雙圓弧形。局部坐標系取在圓心，開孔區(qū)域即是圓外接矩形覆蓋的區(qū)域，輔助建模特征創(chuàng)建和網格創(chuàng)建的方法均與雙圓弧形開孔類似，其中過渡區(qū)域的三角區(qū)域依據(jù)規(guī)范中示意的網格特征，計算節(jié)點位置，并連接成單元。

圖形開孔示意見圖12～14。

2.4 方形

方形開孔即是開孔輪廓為矩形。直接刪除開孔覆蓋的矩形區(qū)域內單元形成開孔的方法，若孔的邊界恰巧位于單元上，而不是單元的邊上，則會造成開孔尺寸有誤差，為避免該問題，矩形開孔的創(chuàng)建分為確定開孔范圍、創(chuàng)建輔助建模特征、創(chuàng)建開孔邊緣區(qū)域兩圈細化單元，創(chuàng)建過渡區(qū)細化單元幾個部分。

圖12 圓形開孔示意

圖13 圓形開孔X方向創(chuàng)建過程

圖14 圓形開孔Y方向創(chuàng)建過程

1)局部坐標系取在矩形輪廓的型心，開孔區(qū)域即是[l/2+100，h/2+100，0]和[-l/2-100，-h/2-100，0]覆蓋的矩形區(qū)域。根據(jù)開孔的尺寸創(chuàng)建矩形輪廓線，以100 mm的間距創(chuàng)建4條直線作為輔助元素,見圖15。

圖15 方形開孔示意

2)將開孔區(qū)域的長和高按近似50 mm等分，用等分數(shù)在輪廓線上撒種，連接開孔邊緣區(qū)域內兩圈單元,見圖16。

圖16 方形開孔邊緣區(qū)域

3)將過渡區(qū)域分為8個小區(qū)域進行處理，

區(qū)域1的處理方法為：取與過渡直線x負方向最近的單元，在過渡邊上撒上種子，完成區(qū)域1的單元創(chuàng)建。

區(qū)域2的處理方法為：將過渡直線與y正向直線撒上種子，完成區(qū)域2處的單元創(chuàng)建。

區(qū)域3的處理方法為：取與過渡直線x正方向的最近的單元，將邊撒上種子，完成區(qū)域3的單元創(chuàng)建。見圖17～19。

其他區(qū)域按位置與區(qū)域1、2、3處理方法類似。

圖17 方形開孔過渡區(qū)域劃分

圖18 方形開孔過渡區(qū)創(chuàng)建過程

圖19 方形開孔效果

4)刪除創(chuàng)建的幾何點、線和坐標系。

3 趾端建模

趾端分為曲線型(二次曲線，默認取曲率為0.5)和圓弧形兩種常用類型，多出現(xiàn)在強框架和艙壁交界處。參數(shù)設置界面及參數(shù)說明以及曲線形示例見圖20，界面中給出規(guī)范中的示意圖，并標注相應參數(shù)。根據(jù)類型不同，界面示意圖及參數(shù)項作相應的切換。見表2。

圖20 趾端建模界面示意

符號說明o趾端所在平面的局部坐標b2趾端高度Ra趾端長度s趾端延長上部水平長度Rb趾端延長下部水平長度h趾端延長右側高度c趾端延長部分相對坐標原點的位置Kp曲線的曲率α收縮角度

趾端細化原理流程如下。

1)獲取梁單元，針對需要收縮的梁單元進行板元化。

①獲取所有自由邊上的梁單元,根據(jù)位置信息過濾掉非趾端上的梁單元。

②獲取梁單元上的節(jié)點，根據(jù)節(jié)點順序確定板元化后單元的大小。

③獲取節(jié)點最小處對應的梁單元，獲取該單元的截面屬性。

④獲取單元截面屬性，梁單元創(chuàng)建成板單元。

⑤反向板元化一個梁單元。

2)粗網格細化。

3)創(chuàng)建趾端。

①獲取細化范圍中x最大的兩個節(jié)點。

②根據(jù)獲取到的節(jié)點與參數(shù)創(chuàng)建趾端網格。

4)移動節(jié)點，網格修正。趾端模型見圖21、圖22。

5)刪除輔助元素。

圖21 趾端模型示意

圖22 趾端建模效果

4 結論

本文開發(fā)的功能模塊適用于HCSR規(guī)定的一道或者兩道縱艙壁雙殼油船、單舷側或雙舷側散貨船結構強度校驗中的模型局部修正，已經作為一個功能模塊納入CCS的HCSR規(guī)范校核軟件體系中。實測證明，該程序能夠快速準確地創(chuàng)建開孔和趾端，在一定程度上減輕審圖驗船人員的繁瑣重復勞動，提高審圖效率。

[1] IACS.雙殼油船和散貨船協(xié)調共同結構規(guī)范(HCSR)[J].船舶標準化工程師,2012,45(5):16-16.

[2] 單威俊,伊金秀,李 鋒,等.艙口角隅處網格劃分研究[J].船海工程,2008,37(1):10-14.

[3] 中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范[S],北京：人民交通出版社,2009.

[4] 單威俊.船舶結構分析中網格劃分技術及應用[D].無錫：江南大學,2008.