Patran船舶結(jié)構(gòu)有限元建模的

何勇

目前，市面上主流的通用結(jié)構(gòu)有限元分析前處理器種類眾多，包括 Patran、Ansys、Abaqus、HyperMesh和 Femap等。這五款軟件在國內(nèi)船舶行業(yè)均有應(yīng)用，其中 Patran的用戶數(shù)量很多。本文結(jié)合筆者多年運(yùn)用 Patran進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)有限元建模積累的經(jīng)驗(yàn)，為廣大同行介紹一些建模方面的技巧，以期對(duì)讀者有一些幫助。

一、網(wǎng)格劃分與編輯技巧

1.根據(jù)現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)撒種子

對(duì)于具有曲線邊界的面，例如首尾區(qū)域垂向加強(qiáng)的橫艙壁，橫艙壁與外板交線上的網(wǎng)格種子并不是等間距的，此時(shí)可先在橫艙壁與甲板的交線上生成等間距的節(jié)點(diǎn)，然后將這些節(jié)點(diǎn)投射到橫艙壁與外板的交線上，最后用Create＼Mesh Seed＼Tabular方法（Coordinate Type選Node and Point）根據(jù)投射得到的節(jié)點(diǎn)生成網(wǎng)格種子，這樣得到的網(wǎng)格種子可以保證橫向?qū)R。

2.徑向掃略

由低階單元變換得到高階單元時(shí)，Sweep＼Element＼ Extrude是一種經(jīng)常使用的方法，此方法為線性掃略。但徑向掃略的作用也不容忽視，圖 1所示的立柱環(huán)筋的創(chuàng)建就是一個(gè)典型的例子。

徑向掃略通過 Sweep＼Element＼Radial Cyl.方法實(shí)現(xiàn)。掃略時(shí)，Axis填寫掃略平面的法向，Radial Distance填寫掃略距離，為正時(shí)背離原點(diǎn)掃略，為負(fù)時(shí)指向原點(diǎn)掃略。

3.跨越邊界的單元的修改

通過掃略創(chuàng)建甲板邊板殼單元時(shí)，在非平行中體區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)最外側(cè)的一行單元跨越甲板邊線的情況，此時(shí)需移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將其拉回到甲板邊線上。有些用戶習(xí)慣使用 Modify＼Node＼Move方法實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，但這種方法要求輸入節(jié)點(diǎn)要移動(dòng)到的新位置，而這個(gè)位置的坐標(biāo)通常是未知的，因此需先通過求交點(diǎn)的方法找到這個(gè)位置。

更快捷的做法是使用 Modify＼Node＼Project方法，Project onto選 Surface，Direction選 Define Vector，即將節(jié)點(diǎn)沿指定的方向投射到指定的面上。為此，先用 Create＼Surface＼Extrude方法將甲板邊線沿垂向掃略成一個(gè)面，然后將節(jié)點(diǎn)沿橫向投射到這個(gè)面上，這樣可一次性完成所有節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)。

4.單元切割

手工修改網(wǎng)格時(shí)，經(jīng)常需要對(duì)單元進(jìn)行切割，可通過Modify＼Tria|Quad＼Split方法進(jìn)行，該方法提供了多種切割模式。例如，對(duì)于四邊形單元，有圖 2（a）所示的 6種模式。可以看到，這 6種切割模式還是不夠豐富的，作為補(bǔ)充，Utilities>FEM-Elements>Break Elements菜單命令提供了更全面的切割模式，如圖 2（b）所示，用戶可按需選用。

（a）E lements模塊切割模式

（b）Ut ilities切割模式

二、單元賦屬性技巧

在 Patran中，單元賦屬性是一項(xiàng)很繁重的工作，因?yàn)榕c其他前處理器不同，Patran中沒有當(dāng)前材料、板厚和梁截面的概念，因此所有單元必須指定屬性。此外，船舶結(jié)構(gòu)包含大量的加強(qiáng)筋，用梁?jiǎn)卧M這些加強(qiáng)筋時(shí)，賦屬性需指定方向矢量和偏置矢量，比較耗時(shí)。因此掌握一些單元賦屬性的技巧非常有必要。

1.自動(dòng)賦屬性

使用 Create＼Element＼Edit方法手工創(chuàng)建單元時(shí)，可單擊操作面板上的 Select Existing Prop按鈕，在彈出的 Property Sets面板中選擇適當(dāng)?shù)膯卧獙傩约瑢⑿聞?chuàng)建的單元添加到所選擇屬性集的作用區(qū)域中，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)賦屬性的功能。

2.在單元坐標(biāo)系中填寫梁?jiǎn)卧钠檬噶?/p>

默認(rèn)情況下，梁?jiǎn)卧钠檬噶恳粤憾斯?jié)點(diǎn)的分析坐標(biāo)系（默認(rèn)情況下為全局坐標(biāo)系）為參考進(jìn)行填寫。這種填法的不便之處在于用戶需要隨時(shí)判斷偏置矢量的非零分量及其正負(fù)。例如，甲板縱骨的偏置矢量是 Z分量非零且為負(fù)；左舷舷側(cè)縱骨和右舷舷側(cè)縱骨的偏置矢量雖然都是 Y分量非零，但前者為負(fù)，而后者為正。當(dāng)加強(qiáng)筋腹板不與某個(gè)主坐標(biāo)平面平行時(shí)，偏置矢量的三個(gè)分量可能均為非零，填寫尤其麻煩。那么是否有一種更高效且不易出錯(cuò)的填寫方法，使偏置矢量不隨加強(qiáng)筋的類型和方向而變呢？答案是肯定的，那就是在單元坐標(biāo)系中填寫偏置矢量。

圖 3為底邊艙斜板（與水平面成 45°）縱骨（左舷，規(guī)格為 L125x80x8）的偏置矢量在全局坐標(biāo)系和單元坐標(biāo)系中的填寫方法，兩種方法產(chǎn)生的實(shí)際效果都如圖4所示，可以看出在單元坐標(biāo)系中填寫更為方便。

（a）全局坐標(biāo)系中

（b）單元坐標(biāo)系中

將參考坐標(biāo)系切換為單元坐標(biāo)系的方法為向右拖動(dòng) Input Properties面板中的水平滾動(dòng)條，將Offset @ Node1/2文本框最右側(cè)的下拉列表選項(xiàng)切換為 Element（默認(rèn)為Analysis）。切換后便可在單元坐標(biāo)系中填寫偏置矢量。為方便讀者參考，圖 5列出了三種常用加強(qiáng)筋截面（單元類型為 CBEAM）的單元坐標(biāo)系。

3.使用局部坐標(biāo)系作為梁?jiǎn)卧姆较蚴噶?/p>

默認(rèn)情況下，梁?jiǎn)卧姆较蚴噶恳缘谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的分析坐標(biāo)系（默認(rèn)為全局坐標(biāo)系）為參考進(jìn)行填寫。在某些情況下，這種填法非常麻煩，圖 6所示的起重機(jī)立柱垂向加強(qiáng)筋就是一個(gè)典型的例子。

圖 6中各垂向加強(qiáng)筋每隔 45°均勻分布。很顯然，在全局坐標(biāo)系中，各加強(qiáng)筋的方向矢量各不相同，這就意味著要為每根加強(qiáng)筋分別定義一個(gè)屬性集。事實(shí)上，Patran支持在用戶自己定義的局部坐標(biāo)系中填寫方向矢量，方法為在填寫 Bar Orientation時(shí)，先輸入方向矢量，然后空一格再輸入“Coord n”（n為局部坐標(biāo)系的編號(hào)），這樣就表示方向矢量以編號(hào)為 n的局部坐標(biāo)系為參考。對(duì)于上例，可以以立柱的中心為原點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)柱坐標(biāo)系（假設(shè)為Coord 2），這樣加強(qiáng)筋的方向矢量均沿該柱坐標(biāo)系的徑向并指向原點(diǎn)，即方向矢量可填為“<-1 0 0> Coord 2”。

三、其他常用技巧

1.組的導(dǎo)出與導(dǎo)入

計(jì)算書送審或者在不同版本的 Patran之間傳遞有限元模型時(shí)，通常會(huì)用到 bdf文件，但是 bdf文件中并無模型分組的信息，當(dāng)導(dǎo)入 bdf文件重新構(gòu)建模型時(shí)，讀入的節(jié)點(diǎn)和單元將位于一個(gè)組中。如果模型比較復(fù)雜，不分組時(shí)模型操作是非常不便的，因此有必要重新生成原數(shù)據(jù)庫文件中的組，步驟如下。

（1）執(zhí)行 Utilities>Group>Groups To Session File菜單命令，將創(chuàng)建組的命令寫入一個(gè)對(duì)話文件。

（2）導(dǎo)入 bdf文件后，執(zhí)行 File>Session>Play菜單命令播放上一步生成的對(duì)話文件。

2.Region工具的使用

有時(shí)我們希望把某些節(jié)點(diǎn)或單元?dú)w到一起，供后續(xù)的某些操作使用，但是為避免分組過多，且不希望把節(jié)點(diǎn)或單元放到一個(gè)組里，此時(shí)可以借助 Regions工具。創(chuàng)建 Region的菜單命令為 Tools>Regions，創(chuàng)建好的 Region可以作為載荷 /邊界條件和單元屬性集的作用區(qū)域，使用方法為在 Select Application Region面板中將Select切換為Region。

3.PCL表達(dá)式的應(yīng)用

有時(shí)我們?cè)?Patran中輸入的數(shù)據(jù)可能需要通過計(jì)算才能得到，此時(shí)大多數(shù)用戶的做法是先用計(jì)算器等外部工具算好再填入 Patran，利用 PCL表達(dá)式可以省略這個(gè)中間過程。以圖a）偏置矢量的填寫為例，用戶可以輸入“<0 `121*cosd（45）``-121*sind（45）`>”，單擊 Apply按鈕后 Patran將自動(dòng)將表達(dá)式替換為其結(jié)果。用戶需特別注意表達(dá)式兩側(cè)的撇號(hào)，此符號(hào)位于鍵盤左上角，與“～”占據(jù)同一個(gè)鍵。