SPD 與Patran接口系統的設計與開發

朱靖元，余 盛，鄭斌華

（上海東欣軟件工程有限公司，上海 201203）

0 引 言

SPD是一個自主研發的國產船舶CAD(計算機輔助設計)設計軟件系統，主要用來加快設計速度、改進產品造型和提高繪圖質量，而產品性能質量的好壞完全取決于一系列CAE（計算機輔助工程）工程分析、校驗和仿真手段，在CAD設計的同時，運用CAE對產品的幾何模型進行數值模擬，對產品的性能和結構進行評估，從而達到改善設計結構，提高產品性能、縮短設計開發周期的目的。Patran軟件是主流的CAE前處理器[1]。

SPD定義的艦船結構模型[2]，包含設計和生產制造信息，船體結構模型主要構成要素為艙、面、分段、板架，其中板架由邊界、板縫、板、筋、孔、貫穿孔、通焊孔（角隅）、肘板、折邊、墊板等構成。結構模型除了定義幾何數據、構件及位置、相互拓撲關系外，還有技術數據、管理數據、功能數據，以及它們的層次關系。而CAE 模型用于劃分網格進行有限元計算，需要的是節點和單元信息。用途的不同導致Patran系統無法直接使用SPD系統導出的模型，系統間形成信息孤島，數據流和過程流不透明。目前在對船舶結構進行有限元建模時，大部分還都是采用手工建模，從船舶結構初步設計階段完成的二維圖紙上量取船舶結構的位置坐標，輸入到Patran中，建立節點和單元，再為單元賦予屬性。這樣建模的過程非常繁瑣，效率低且容易出錯，影響了船舶結構有限元分析工作的效率。

根據經驗,有限元分析各階段所用時間為：40%～45%用于模型的建立和數據的輸入，50%～55%用于分析結果的判讀和評定，而分析計算只占5%左右。因此，開發SPD與Patran的接口系統，將生產設計的模型簡化處理成可以進行有限元計算的模型，使SPD模型能夠快速轉化為有限元模型，解決重新建模造成的時間和人力浪費問題，實現產品數據在產品全生命周期中的一致性，從而節約成本、提高生產效率，同時也推進SPD系統在船體初步設計中的應用。

1 系統概述

由SPD系統建立的船舶結構模型主要以線框式表達，即由點、線、面構成，也包含了各設計階段和部分生產制造信息。Patran系統對艦船結構的數值仿真分析，主要是分析船體構件的結構強度，大量與結構強度無關的構件可以在確定規則下對結構模型做精簡處理，得到帶屬性的結構幾何模型[3～5]。因此，在開發SPD與Patran的接口系統時，研究了SPD與Patran的模型數據結構，將SPD中帶屬性的艦船結構幾何模型進行解析，根據Patran分析有限元模型單元以肋位和構件布置構成的特點，對幾何模型進行簡化處理并加載屬性，生成Patran系統可直接用于有限元分析計算的模型文件[6]。

根據Patran系統提供的數據交換接口，選擇以SESSION（以下簡稱SES）格式文件作為模型的文件輸出方式。SES文件能夠表達模型的幾何要素和材料等屬性信息，并且SES文件在Patran中重現的是真正的三維模型，方便用戶查看及后期處理。

2 系統開發架構設計

接口系統架構見圖1系統數據的流程圖。從圖1可知接口系統與SPD系統、Patran系統的關系，并解釋其內部的數據處理與簡化的流程。接口系統與SPD服務器通訊，獲取、解析最新的模型數據和參數；對SPD系統中數據進行讀取、過濾、簡化、優化、重構模型等處理，最終生成SES格式文件。此文件完全符合Patran系統的語言結構，可以被Patran直接讀入并生成模型。

圖1 數據流程

3 主要功能模塊說明

SPD與 Patran接口系統的核心功能就是把生產設計的模型簡化處理成可以進行有限元計算的模型文件，其他都是圍繞這個核心展開的（見圖2）。模型簡化處理除了系統自動簡化過濾外還提供人機交互功能，方便用戶進一步的對導出模型的幾何信息進行處理。另外，提供的“型材轉換”和“角度轉換”功能是對模型屬性信息的人為干涉，用戶可以根據不同需求對屬性進行改造。

圖2 接口系統功能模塊

3.1 工程設置與模型選擇

此類功能與SPD系統聯系緊密，通過調用SPD的工程配置、數據庫、文件等，將模型導入到SPD與Patran的接口系統中，并在界面中顯示，方便人機交互及后期處理。

工程選擇：使用SPD的網絡工程項目或者本地項目；

分段選擇：根據分段列表選擇工程項目中的一個或多個分段；

區域選擇：根據輸入坐標值導入艦船在該坐標區域內的所有模型結構。

3.2 輔助功能

輔助功能主要由SPD系統提供，方便用戶的使用。其中包括：模型導入后的多視圖瀏覽；旋轉、移動、放大縮小、正選反選等操作；利用切平面進行局部查看，或在視圖界面上全模型顯示；也可以隱藏或刪除不需要的結構；以及不同功能按鈕實現多種模式顯示模型，如線框、實體、透明等。

3.3 模型查詢

主要提供零件查詢和模型定位功能，方便用戶在系統使用過程中對模型零件的信息查找。

零件查詢：導入分段模型后，在視圖中顯示該模型。如果需要查詢某一板零件的相關信息即在視圖模型上選擇要查詢的板架，確定后出現的對話框中顯示零件的名稱，材料和板厚信息。

模型定位：如果需要定位某板架，使用本功能，根據輸入的板架名稱（不區分大小寫）黃色高亮顯示定位板架，當板架名稱錯誤或不存在時，系統給出提示信息。

3.4 數據簡化處理

主要闡述數據的簡化、過濾、處理以及性能優化等，去除掉內孔之后的平面和曲面能夠在幾何上連續；系統處理肋位與面的交線，扶強材在板上的跡線，加強筋、肋位線、板交線兩兩之間的交點，板和板的交線，包含平面板、曲面板和肘板之間的各種交線；將屬性一致的多塊板合并成一塊板，并將屬性加載到板上，方便模型在Patran中的網格劃分與計算。

3.4.1 板處理

系統目前只針對強度影響比較大的船體主結構進行處理，包括平面板、平面扶強材、曲面板、曲面扶強材和大型肘板，使最終導入的模型在不影響強度的情況下盡量簡單，以方便網格劃分和強度計算。對于SPD中的板結構，將相鄰的屬性一致的板合并成一個大板，系統將針對所有合并后的板進行處理（見圖3(a)）。一般來說，系統按照實際情況顯示并輸出合并后的板架外邊界，但對于某些特殊情況，需要進行簡化處理（見圖3(b)），線段AB為板1與板2的交線，BC段長度小于系統給定的誤差值，根據Patran的網格劃分需求，板2的邊界C點是無意義點，將C點縮至B點位置。

圖3 板處理

3.4.2 板交線優化

系統按照船體理論線對所有模型的空間位置進行定位。船體板交線是忽略板厚度，取板定位面的交線（見圖4(a)）。一般按照實際情況顯示交線，但對圖4(b)右圖所示的情況需進行優化，線段BC為板1與板2的實際交線，A為其延長線與板1邊界的交點，當AB的長度小于系統給定的誤差值，將板交線優化為AC段。

圖4 板交線的優化

3.4.3 簡化過濾

系統自動過濾掉較小肘板以及合并后的板上的一些不影響強度的結構，如貫穿孔、邊界孔等。并提供簡化和過濾功能，可以根據用戶需求過濾不同類型的板架以及給定規格的內孔，當內孔包圍盒的最小值小于某一個值或者最大值小于另一個值時，過濾掉此內孔（見圖5）。系統不對曲面板上的內孔做處理。

1)x為給定值，當min(a,b)＜x時，過濾此孔（見圖5(a)）。

2)y為給定值，當min(c,d)＜y時，過濾此孔（見圖5(b)）。

圖5 內孔過濾

3.4.4 筋偏移

在SPD系統中，加強筋是依附于板架定義的，因此合并板架時將屬性相同的板架上的加強筋也進行合并，再對合并后的加強筋進行簡化處理。圖6為加強筋的簡化處理，Patran系統要求用線段表示加強筋，虛線為加強筋的理論線（跡線）。

1) 遍歷加強筋與邊界（相交加強筋）的距離，少于指定距離，延長扶強材的端點至邊界（相交加強筋理論線），見圖6(a)。

2) 滿足加強筋延長條件的基礎上，遍歷加強筋與邊界的垂點（點b、d、h、f），如果垂點與附近的交點（點a、d、e、g）小于指定距離，令加強筋端點偏移至交點（見圖6(b)），偏移后的加強筋筋1為ad段，筋2為ef段。

選項設置：本功能可以對需要導出的SPD模型類型（平面板、曲面板和肘板）進行配置；通過設置孔的包圍盒的最小值和最大值閥值對孔進行過濾設置；通過設置邊界線或交點與加強筋的距離最大閥值對筋進行偏移設置；還可以設置模型在Patran中的全局計算精度。

圖6 筋偏移處理

3.5 屬性設置

Patran中將所有的模型結構，分成兩大基本類：板單元與梁單元。整個模型板材全部使用板單元進行模擬；骨材、扶強材均采用二維梁單元進行模擬。板單元屬性定義包括材料和厚度信息；梁單元屬性定義包含型材截面尺寸、型材朝向和偏置距離等。

一般來說，Patran中可以識別使用SPD系統中模型的屬性值，但是SPD模型中的球扁鋼在Patran中是以角鋼的形式做處理的，因此系統提供“型材轉換”功能，用戶可以根據不同船級社的要求自行輸入球扁鋼與角鋼的轉換。圖7(a)為型材轉換界面。“角度轉換”功能則是針對處理梁單元的型材朝向而提供的功能。將SPD模型中得到的向量角度轉換成Patran中方便計算的向量角度，轉換規則由用戶自行定義，根據不同需求定義不同的轉換方式。圖7(b)為角度轉換界面。

圖7 型材轉換及角度轉換界面

3.6 文件導出

本功能是在設置完所有選項后，在交互視圖上選擇需要導出模型，確定文件名稱及存儲路徑，生成SES格式文件。導出過程中由進度條顯示導出進度，結束后導出的板架上顯示綠色的線條包括輪廓線、板交線、加強筋等（見圖8）。

圖8 文件導出界面顯示

4 Patran系統模型重建

將SES格式文件導入Patran系統后，系統對SES文件進行逐句讀入，讀入的過程即為Patran中模型重建的過程。接口系統將處理過的模型分成了肋骨線、板交線、加強筋、板邊界線、三維面、交點六個“組”，在 Patran中分別用不同的顏色表示。文件導入模型生成效果圖（見圖 9）。用戶可以選擇不同“組”查看重建后的模型的某種類型線或交點，也可以查看單塊板、筋、線的幾何信息和屬性信息。

由于接口系統導出是單向的，即SPD模型可以導成Patran識別的SES文件，不能將Patran文件由接口導成SPD的模型文件。且SES文件存在點線面的ID號，因此當修改SPD模型后，如果需要修改后的SPD模型生成的Patran模型，應將修改后的SPD模型使用接口系統重新生成新的SES文件，再將新的SES文件讀入到Patran中；或在Patran中對原有模型做相應修改。

圖9 Patran系統模型重建效果

5 結 語

以SPD與Patran的接口系統的設計及開發為主題，主要介紹了該系統的構架設計、功能模塊及數據流程。系統已經進行試用，并取得了良好的評價。

目前，接口系統只是完成了幾何模型的重建和屬性信息的加載，并沒有提供自動網格的劃分功能，而且現階段解決的只是處理船體結構模型，并沒有將結構信息外的船舶設計信息結合起來。這些都是值得后期研究的課題，SPD與Patran的接口系統還在繼續開發與完善的過程中。隨著系統的逐漸改進與完善，SPD與Patran的接口系統將成為SPD重要的組成部分，也為開發SPD與其他有限元分析軟件的接口系統提供重要的參考。

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

[2] 蘇文榮. 船舶產品設計(SPD)系統[J]. 計算機輔助工程，2009,18(2): 1-4.

[3] 朱恒山. CAD、CAE集成中信息模型的研究[D]. 北京：北京航空航天大學，2001.

[4] 馬愛軍，周傳月，王 旭. Patran和Nastran有限元分析專業教程[M]. 北京：清華大學出版社，2005.

[5] 謝世坤，黃菊花，楊國泰. CAD/CAE集成中的有限元模型轉化之研究[J]. 中國機械工程，2005,16 (5): 428-431.

[6] 劉巖松，董林福，信紅波，等. CAD軟件與CAE軟件圖形數據接口問題研究[J]. 沈陽化工大學學報，2011 (4): 349-353.