NAPA STEEL在大型集裝箱船結構設計中的應用

張 偉 陳 磊

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

NAPA STEEL 是芬蘭NAPA公司開發的船舶設計軟件包中的結構設計模塊，其主要功能有結構快速建模、二維輔助出圖、質量統計、船級社軟件接口及有限元模型輸出等。利用NAPA STEEL進行船體結構輔助設計在行業內已有了一些研究介紹［1-5］。

2012年至2013年，我院在兩條萬箱級集裝箱船的結構設計中利用NAPA STEEL軟件進行結構輔助設計，最終實現了設計效率和水平的提高。

1 結構參數化三維快速建模

所謂參數化就是將設計過程中的數據用靈活可變的參數來表示，以便根據實際情況隨時加以更改。由于集裝箱都是采用標準化尺寸，對于相似尺度的集裝箱船盡管會在箱位布置上有些差異，但參數化后的集裝箱船結構模型可以對總體專業的修改做出快速響應；同時對后續船也可以很快實現模型修改，從而縮短后續船的設計周期。因此，在大型集裝箱船上使用NAPA STEEL軟件進行參數化三維設計較其他船型具有先天的優勢。

NAPA 自2011.1版本開始推出了針對集裝箱船結構快速建模的Container Manager，與其他NAPA中的Manager相似，只需按照流程樹操作，便可完成集裝箱船的主要結構建模。由于在使用Container Manager之前，只需要總體專業提供全船艙室的幾何模型和平臺、縱艙壁的幾何參考面，因此在結構設計的初期階段便可使用該Manager進行建模，以得到初步的結構設計方案。同時，由于在整個流程中大量使用了參考坐標，后期利用拓撲關系可以快速修改設計方案。

圖1是Container Manager的流程樹。從圖中可以看出，建模的流程為：基本數據定義（參考坐標系、強框間距、STR表、貨艙、參考結構面），船體主要結構建模（外板、強框、底部肋板、甲板、縱艙壁、底部縱桁、橫艙壁，艙口圍）。其中船體主要結構建模有相類似的過程，首先在Manager中根據之前定義好的參考坐標系和參考結構面，生成初步的Surface Object，將其歸入對應的STR表，然后根據實際情況在Manager或NAPA STEEL中對這些Object做適當的修改。圖2是通過交互式建模對縱艙壁進行修改的示意圖，NAPA STEEL在顯示參考坐標的同時也包含捕捉功能，大大提高了建模的便捷性和準確性。

圖1 Container Manager流程樹

圖2 Container Manager縱艙壁的交互式建模

1.1 NAPA STEEL建模

根據以上介紹，在Container Manager中只能得到一個較為簡單的主船體結構模型，有些Surface Object還需修改，同時板材并不包含板縫、板厚、材料、加強筋等信息，這些工作都需在NAPA STEEL模塊中進一步完善。這里主要的工作是添加一些在Manager中無法定義的Surface Object，例如首尾區域、機艙區域中的局部結構以及在Surface Object上添加扶強材等信息。根據使用經驗，創建Surface Object時有如下建議：

（1）合理使用參考坐標。參考坐標包含參考坐標系、幾何參考面等，通過拓撲關系減少后期的修改量。

（2）規范Surface Object和其幾何參考面的命名。對結構進行分類，方便后期的查找及修改。

（3）運用Macro減少重復工作。通過NAPA語言編制相應的宏，運用循環語句，快速定義邊界相似的結構。

（4）利用NAPA STEEL界面工具進行交互式建模。利用這些工具可以進行Surface Object的復制、對稱等操作，方便相同參考坐標結構的建模。

（5）把生成的Surface Object定義存至Text文檔中，以便后期查找及修改。

在Surface Object的建模工作完成后，需要在Surface Object上添加扶強材、肘板、開孔、板厚、材料等屬性信息，也給出如下建議：

（1）每類信息都以表格形式存在，不同的Surface Object可以共同使用一個表格來定義信息。合理使用共用表格可以節省建模時間。

（2）定位的時候運用參考坐標，盡量避免使用絕對坐標，方便后期的查找及修改。

圖3 目標船的三維結構模型

（3）運用Macro命令添加信息至表格，充分利用NAPA自帶的循環語句。

2 NAPA STEEL結構模型數據庫應用

2.1 數據庫功能描述

在完成NAPA STEEL 結構模型之后，就可以利用該三維模型數據庫完成如二維出圖、質量統計、導入船級社軟件和生成有限元模型等任務。然而各項任務對于模型的要求（主要體現在精細程度上）是不同的，比如質量統計、二維出圖等，要求模型盡可能地反映實際結構，而如果是利用NAPA STEEL模型導出全船有限元模型，由于僅要粗網格模型（網格為強框至強框），對于很多結構都要進行簡化處理，與實際結構會有不小的出入，因此基于NAPA軟件目前的情況，對于不同的任務使用同一個模型數據庫是不合適的。根據現在的使用經驗，質量統計、二維出圖和導入船級社軟件可共用一個數據庫，該數據庫和總體專業共同使用。全船有限元建議單獨用一個數據庫，由于設計過程中結構形式的修改會影響到全船有限元結果的評估，因此，可通過使用共用數據庫表格替換本數據庫的表格來完成，從而保證兩個數據庫的屬性一致。

2.2 二維出圖

NAPA STEEL二維出圖的主要功能是輔助進行詳細設計出圖，可以通過Drawing Manager進行控制實現。在其中可以對導出的二維圖紙的線型、圖層等進行控制，便于導入AutoCAD后進行修改。

2.3 質量統計

對于質量統計，在初步設計階段，可利用Container Manager進行全船的初步快速建模，建模對象主要是船體的主要構件，局部構件可通過加權系數等考慮。這樣，通過NAPA STEEL可以得到全船結構的質量、質心預估結果，使設計人員在設計初期就能得到一個相對準確的空船質量和質心。隨著設計深入，模型可以添加更多的細節，例如更詳細的扶強材、肘板、開口、板縫和材料等信息，使得結構質量的統計更詳細并趨于精確。表1是初步設計階段目標船某分段NAPA STEEL模型與船廠最終TRIBON模型在質量與縱向質心上的比較。從表中可以發現，兩者質量偏差在5%左右，縱向質心偏差更小，說明NAPA STEEL 可以讓設計人員在設計初期對質量、質心有一個大致的了解。

表1 NAPA STEEL與TRIBON質量統計比較

2.4 船級社軟件接口

NAPA 自2011.1版本開始增加了新的Interface to Rules Manager［6］，目前版本支持將 NAPA STEEL模型導入 LR、DNV和GL三家船級社的規范計算軟件。

在本次項目中，我們將NAPA STEEL與這三家船級社的規范軟件的接口都進行了嘗試，以DNV/Nauticus軟件為例，圖4的流程圖為將NAPA STEEL模型信息導入Nauticus軟件的流程圖。

圖4 NAPA STEEL模型導入Nauticus軟件流程圖

通過嘗試，發現導出的結果不甚理想，最關鍵的問題是結構屬性信息有所丟失，并不適宜直接利用其導出的文件進行規范計算。隨著NAPA公司對其軟件的更新，相信此項功能會逐步完善。據了解，NAPA公司與NK船級社合作，在該Manager中加入了對NK船級社規范計算軟件的支持。

2.5 有限元模型輸出

通過在Container Manager中快速建模及在NAPA STEEL中對部分Surface Object做修改，便可生成有限元模型。NAPA中可以導出Global、Local、Fine三類有限元模型，本項目導出的是全船的Global模型，各參數主要是通過FEMDEF表格來控制，包括網格大小，四邊形比重，邊界處的網格長度等，詳細內容可以參看軟件幫助［4］。

目前，NAPA STEEL可以導出后綴名為.out和.bdf的文件供Patran，Ansys等有限元軟件進行下一步處理。其中.bdf文件中的扶強材是包含截面形狀的，而在.out文件中包含模型的分組信息。導出的有限元模型在后期還需作如下修改：

（1）網格形狀。由于NAPA的網格是依靠軟件計算自動生成的，雖然可以進行一些參數的控制，但如果生成的模型非平行中體段，某些線型變化較大位置的網格還是需要手工調整，以滿足計算的要求。

（2）加強筋的均攤。由于全船有限元的間距為強框到強框，因此大部分加強筋都會攤到相鄰的網格邊界上去。NAPA STEEL中在創建加強筋時也可以作相應設置，但在導出有限元模型時，發現有時在兩個節點間可能存在不止1根加強筋，這樣導出的模型如果用MSC/Nastran求解器沒有問題，但某些船級社軟件則視其存在錯誤，無法計算。另外，加強筋可能并不往最近的有限元網格邊界上均攤。

（3）檢查重復單元及自由邊。

圖5 目標船首部有限元模型示意圖

3 結 論

（1）利用NAPA最新的Container Manager可以快速對集裝箱船的主要結構進行參數化建模，在結構初步設計階段，可以對總體專業的修改（如線型、箱位）做出快速響應，以完成初步的方案設計。

（2）在NAPA STEEL中通過使用參考坐標，可以完成集裝箱船大部分結構（板、扶強材、開孔、肋板等）的參數化建模，本文摸索出一套快速有效的建模方法。

（3）利用NAPA STEEL結構數據庫可進行基本結構二維出圖、質量統計、有限元輸出等任務，還能將剖面信息導入船級社軟件中進行規范描述性校核，為后期的詳細設計奠定基礎，并可進行靈活的修改以實現二維圖紙、統計數據、有限元模型及信息輸出的實時更新。

［1］ 管義鋒，王劍.基于 NAPA STEEL 的船體結構參數化建模研究［J］.船舶工程，2009 （5）：37-39.

［2］ 袁俊.基于NAPA STEEL 在船舶研發和設計中的應用［J］.船舶設計通訊，2007（2）：43-46.

［3］ 張瑞瑞，謝云平，包國治.基于NAPA 的船舶結構設計方法研究［J］.船舶工程，2010（5）：44-46.

［4］ 姜廣煜，謝云平，劉可峰，等.基于NAPA大寬深比船舶總縱強度計算方法及分析［J］.江蘇科技大學學報（自然科學版），2007（S1）：21-23.

［5］ 張志軍.NAPA概述及NAPA船體模型的建立［J］.船舶設計通訊，2003（Z1）：36-40.

［6］ NAPA Limited Liability Company.NAPA Manuals ［S］．2011.