激光焊接夾層板結構設計程序開發

胡宗文，劉 昆，張延昌，王自力

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江212003)

0 引 言

折疊式夾層板較之于傳統的船舶加筋板架具有良好的吸能特性，可用于船舶耐撞、抗爆防護結構設計［1-2］，近幾十年中，夾層板在船舶上的研究和應用得到了很大的發展［3-5］，主要應用于承受橫向載荷的局部結構如甲板、艙室圍壁、島嶼、門等部位。隨著研究的深入，折疊式夾層板也可應用于承受總縱彎曲載荷的強力構件，如舷側外板、內底板、外底板、強力甲板板等構件［6-8］。國內外現行的夾層板船舶結構規范 (指南)大多局限于SPS 系統［9-10］，無法滿足折疊式夾層板船體結構的相關設計，采用有限元軟件進行折疊式夾層板直接設計校核是目前較為常用的研究手段。

折疊式夾層板因其獨特的夾芯形式，在有限元分析中需要花費較長的建模時間，尤其分析多種不同型式及尺寸的折疊式夾層板性能時工作量十分巨大。因此在夾層板研究中，開發適用于夾層板結構設計、強度校核、性能分析等集多種功能模塊的夾層板結構研發工具，有廣闊的前景和實際意義。目前，針對于夾層板設計模塊的有芬蘭Componeering公司研發的ESAComp software 軟件，該軟件集成了一個金屬夾層板模塊，可用于分析、定義I 型、V型、O 型、C 型等夾層板的力學性能［11］。國內在涉及折疊式夾層板方面軟件開發應用較少。本文基于有限元軟件MSC.Patran的PCL (Patran Command Language)語言，針對折疊式夾層板結構特征開發夾層板結構設計程序FEA-LASCOR (Finite Element Analysis of LASer-welded corrugated CORe program)，快速完成夾層板結構參數化建模、屈服強度分析、結果處理等工作，為夾層板數值仿真分析提供快捷高效的分析工具。

1 PCL 語言

MSC.Patran 在船舶結構設計、分析等領域應用較為廣泛。PCL 作為其命令語言，是一個高級、模塊化結構的編程語言和用戶自定義工具。進行PCL程序語句編寫時可以脫離MSC.Patran 環境直接在記事本文件中進行編寫，并將文本保存為“*.pcl”格式的文件即可。也可以直接在MSC.Patran 軟件中的命令行直接輸入，并由“*.ses”文件自動記錄輸入歷史，通過修改“*.ses”文件中代碼進行函數語句編寫。

PCL 函數結構同大部分程序語言一樣以FUNCTION function_ name 開始，END FUNCTION結束。其使用的語法與大多數高級語言類似，除提供一般高級語言的所有數據類型及數學運算函數外，還提供IF THEN ELSE、Switch and Case、While、For 等常用運算控制語句。此外，函數名、變量名等標識符由1～31個字符組成，包含字母、數字和下劃線，且第一個字符不能是數字［12］。為便于程序的可讀性，在PCL 程序代碼中允許換行和添加注釋。當某行代碼較長時可以添加“@ ”符號進行換行。PCL 程序代碼的注釋形式為“/*需要注釋的內容* /”，注釋內容可以呈多行且不參與程序的運行。總體上而言，PCL 較容易被用戶接受和掌握。

在PCL 語言中類(Class)函數是其中一種重要的結構，它實際上是1 組PCL 函數的組合，經常會在編制用戶界面時用到。為了程序的初始化和顯示界面控件表格，在 CLASS 結構中必須包括FUNCTION init ()、FUNCTION display ()函數。類的主要結構如下［12］:

除用戶自編的函數外，PCL 提供了大量的庫函數，這些函數包含在庫文件p3patran.plb 中，在MSC.Patran的環境下可方便調用，減少用戶程序開發過程中的工作量。

2 夾層板結構設計

折疊式夾層板通過金屬面板與金屬夾芯層通過激光焊接形成，又稱為激光焊接夾層板，夾芯層為金屬折疊式薄板或構件。國內外已提出的折疊式夾層板夾芯形式有V，U，I，Vf，C，Z，hat-profile，Key，Tube，Square- tube，X 型等10 多種結構形式［5，13］，可依據夾芯層結構形式方便的對該型夾層板進行命名，如夾芯結構呈V 型排列的夾層板可稱之為V 型夾層板。在結構防護性能和結構建造成本方面U-I，U-IV，V-I，V-IV 等4 種結構的夾層板優于其他夾層板結構，作為船體構件有較大的應用前景［13］。上述幾種夾層板結構形式及尺寸參數如圖1所示。

圖1 夾層板尺寸參數Fig.1 Principal features of folded structure sandwich panels

圖1 中的U-I 型夾層板結構的夾芯層為間斷不連續結構;U-IV，V-I，V-IV 型夾層板結構的夾芯層為連續結構;V-IV的夾芯結構程三角正弦(余弦)布置。圖中各參數說明如下:a，b 為夾層板面板單元寬度;W-Width 為夾層板板格寬度，w為夾層板單元寬度，對于U 型夾層板結構w=a+b，對于V 型夾層板結構w=a;L-Length 為板格長度;h-height 為板格高度;tft，tfl，tc分別為夾層板上、下面板及夾芯結構厚度，下標中，ft 為上面板，fl 為下面板，c為夾芯層。

通過以上參數可以確定整個夾層板板格的結構形式。此外不難發現，夾層板結構雖然復雜，但其結構可由多個夾層板單元重復排列組成，折疊式夾層板結構具有一定的參數化建模基礎。

3 夾層板結構設計程序開發

本部分基于U-I，U-IV，V-I，V-IV 四種不同形式的折疊式夾層板開發夾層板結構設計程序(FEA of LASCOR)。程序作為一個模塊直接嵌入MSC.Patran 界面，方便用戶操作。

3.1 程序主菜單

程序的開發按照MSC.Patran的建模習慣，依次進行建模、設置約束及載荷、提交分析計算、結果處理等步驟，具體流程如圖2所示。

菜單項設置根據MSC.Patran 使用習慣設置，主要分建模、載荷及邊界、提交計算、結果處理等4個模塊。創建菜單的類結構中調用ui_ menu_ create()，ui_ item_ create ()，ui_ exec_ function ()［12］等函數，分別用于創建主菜單、菜單條款及調用響應的函數等。程序編寫完成后需要進行調試，可以直接打開一個Patran 程序，在命令行中輸入“!!input file_ name.pcl”，回車后就可以在命令行中看到程序是否正確。

直接在MSC.Patran的命令行中輸入命令語句調用編寫完成的程序，也可在目錄文件夾下用記事本編譯器新建p3epilog.pcl 文件，將命令語言 “!!input file_ name.pcl”和“ui_ exec_ function ("class_ name"，" init")”保存到p3epilog.pcl 文件中，在目錄文件夾下重新運行MSC.Patran 時就可以顯示如圖3所示程序菜單。對主菜單中每一子菜單項的單擊都會進入相應的程序界面。單擊“Create Sandwich Panel”，通過選擇不同的夾層板結構類型可以進入夾層板建模界面;單擊“Load ＆Displacement”進入載荷及約束條件設置界面;單擊“Analysis”進入提交分析界面;單擊“Result”可以進入結果處理界面。

圖2 程序開發流程Fig.2 Flow chart of program development

圖3 菜單界面Fig.3 Menu interface

3.2 夾層板結構設計模塊

PCL 語言提供了豐富的表格和菜單庫，供開發用戶自編分析程序或者特定的圖形界面。夾層板結構設計模塊中通過從用戶界面輸入不同的夾層板結構尺寸，快速完成夾層板模型建立，得到不同形式的夾層板結構。折疊式夾層板參數化建模主要流程如圖4所示。從流程圖中可以看到夾層板建模模塊的開發中主要分為建模函數編寫、交互界面創建2個部分。

圖4 夾層板參數化建模流程Fig.4 Flow chart of parametric modeling

如U-I 型夾層板建模函數的編寫過程，先新建一個sui_ create.txt 文件，寫入程序代碼，保存后將文件更名為sui_ create.pcl 就完成了程序編寫。UI 型夾層板建模函數主要結構如下:

由于MSC.Patran 運行過程中所有的操作都會記錄在“*.ses”文件中，因此在函數編寫時可以利用PCL 函數語言在MSC.Patran 中進行建模，然后對“*.ses”文件中的記錄代碼按函數要求進行修改、調試，得到滿足函數要求的“*.pcl”函數文件，完成夾層板建模函數的編寫。該方法可以很大程度上縮短函數編寫的時間，降低代碼的錯誤率，減少調試次數。

用戶界面的創建可以方便用戶參數輸入，提高程序的可操作性與便捷性。在開發用戶界面時，PCL 提供了一系列與表格位置及大小有關的參數和用戶界面函數，程序開發人員可方便調用。調用ui_ form_ create ()［12］并對其內部參數變量進行修改可以得到滿足要求的用戶主窗口。U-I 型夾層板用戶窗口函數如下:

對于窗口位置及尺寸參數，在安裝目錄下的“appforms.p”文件中有程序默認的標準尺寸，只需在代碼編寫時設置成類似FORM_ X_ LOC、FORM_ WID_ SML 等程序默認的標準尺寸參數，在Class函數之前添加“include " appforms.p"”語句，在對程序編譯過程中，程序會自動將位置、尺寸等默認參數編譯成程序語言，形成Patran 風格的標準窗口。

在主界面內，使用ui_ botton_ create ()可以用于創建一個按鈕，使用ui_ databox_ create ()產生數據輸入對話框等，調用ui_ labelicon_ create()函數在用戶界面添加結構示意圖，方便用戶參數輸入。將上述內置函數在Class 結構中集成，并調用夾層板建模函數，可得到圖5所示的各型夾層板結構設計界面。通過在界面中輸入對應的夾層板幾何參數及有限元網格控制參數就可以方便的完成折疊式夾層板建模工作。

圖5 夾層板建模界面Fig.5 Modeling interface of corrugated cores sandwich panels

3.3 約束及載荷設定

利用PCL 開發載荷及邊界約束定義模塊，縮短有限元分析時間，方便約束設置及載荷加載。為方便程序操作首先編制如圖6所示交互界面。用戶界面分為主界面、約束設置界面、載荷添加界面3個部分。從主界面可以進入約束、載荷設置界面。約束設置界面(Displacement)中，在“Translations”輸入框中設置位移約束，在“Rotations”輸入框中設置轉角約束，在“Select node”對話框中可以選擇需要約束的節點，所示參數設置好之后按“Apply”鍵程序就可以完成約束設置，按“Cancel”鍵取消參數設置。載荷添加界面(Add load)中，通過在“Enter the Pressure”輸入框中輸入載荷大小就可以完成均布載荷施加。

圖6 約束及載荷設置界面Fig.6 Interface of displacement ＆ Load

設置邊界約束及載荷時需要調用loadsbcs_create2 ()［14］函數。設置邊界條件中，對于約束節點的選取，首先用ui_ wid_ get_ vstring ()從輸入框中選擇節點號，再用sys_ allocate_ string ()函數分配存儲控件，之后將節點號賦值給節點變量，約束函數調用時即可實現對所選節點的邊界定義。

載荷添加函數需要解決的問題是載荷施加單元的自動選取。程序中夾層板均布載荷施加在夾層板的上面板，具體過程如下:首先通過函數db_ get_ group_ id ()獲取上面板單元所在分組的屬性，接著調用程序中db_ count_ elems_ in_group ()函數量取單元數量，用db_ get_ elem_ids_ in_ group ()函數獲取上面板單元信息，賦值給程序中定義的單元變量，運行載荷施加函數實現程序中的載荷添加。

3.4 結果處理

夾層板結構設計程序結果處理部分主要分為分析(Analysis)和結果處理(Results Analysis)兩部分，主要界面如圖7和圖8所示。通過鼠標點擊主菜單欄中的Analysis 選項進入如圖7所示分析模塊界面，該窗口主要用于模型提交計算。在Analysis界面窗口中輸入計算文件名，同時選擇分析方式(分為屈服分析和屈曲分析)，通過提交生成滿足分析的模型文件用于模型的計算。

圖7 提交計算界面Fig.7 Interface of Analysis

圖8 結果處理界面Fig.8 Interface of Result

通過鼠標點擊菜單欄中的Result 選項進入到圖8所示的結果處理界面。在Results Analysis 窗體中分為導入計算結果和輸出分析結果2個部分。導入計算結果部分(Step1)中，首先通過Select the *.op2 file 按鈕用于結果文件選取，選擇文件后利用窗體中的Apply 按鍵程序自動讀入計算結果到MSC.Patran 中;輸出分析結果部分(Step2)中通過點擊OUTPUT 按鈕事件輸出結果文件，主要包括應力-變形云圖，最大應力、變形值等。退出窗體可以通過Cancel 按鈕實現。

3.5 編譯函數庫

通過對用戶窗口的建立，在目錄文件夾下基本能夠完成程序的使用跟操作，但是由于“*.pcl”與“*.cpp”文件較多，其中任何一個文件的缺失都可能導致程序無法正常運行。因此，將眾多的函數文件編譯成一個數據庫文件“*.plb”很有必要，而且還能夠減少存儲空間。

以本文中需要編譯的函數庫文件FEA_ of_LASCOR.plb 為例，編譯函數庫的主要語句為:“!!library create FEA_ of_ LASCOR.plb 0”、“!!compile filename.pcl into FEA_ of_ LASCOR.plb”。將程序開發過程中的“*.pcl”、“*.cpp”文件編譯到數庫文件FEA_ of_ LASCOR.plb 中。

數據庫編譯完成后，將數據庫文件FEA_ of_LASCOR.plb和p3epilog.pcl 文件復制到安裝目錄文件夾內，將位圖文件復制到安裝目錄文件中的“icons”文件夾內，運行MSC.Patran，夾層板設計程序就可以正常應用。

4 程序算例及驗證

對開發的夾層板結構設計程序進行有效性和實用性進行驗證。為了便于敘述與對照，文中提到的傳統分析所指的是采用MSC.Patran 傳統的建模和載荷設置等分析方式，程序分析指的是利用二次開發的夾層板結構設計程序(FEA- LASCOR)對夾層板結構進行力學性能分析。

4.1 有限元模型

選取1 000 mm×1 000 mm×50 mm 大小的夾層板板格進行分析對比，有限元模型均采用shell 單元模擬，邊界均為四周剛性固定，上面板受0.5 m 高水壓。結構彈性模量E=2.06 × 1011，密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3 。夾層板結構參數如表1所示，具體有限元模型如圖9所示。

對比圖9 中2 種方式得到的有限元模型可以看到，利用FEA- LASCOR 程序創建的有限元模型與采用傳統建模得到的有限元模型并無明顯區別。

表1 夾層板模型參數Tab.1 Parameters of sandwich panels

4.2 結果對比

利用MSC.Patran 及二次開發程序對圖9 中的4種夾層板結構在5 kPa 均布載荷作用下力學性能進行分析。計算結果如圖10所示。

圖9 夾層板有限元模型Fig.9 FEM model of folded sandwich panels

圖10 夾層板應力-變形云圖Fig.10 Stress ＆ Deformation graph of folded sandwich panels

對比圖10 兩種結果無明顯區別，說明利用二次開發技術得到的夾層板結構設計程序出圖合理;此外利用傳統出圖方式輸出的圖形大小格式上會有所差異，需要對輸出界面進行調整，而利用程序自動輸出的圖形大小及格式較為統一。

程序適用性效果如表2所示。從表中的結果比較可以看到:1)利用FEA-LASCOR 程序計算得到的結果與傳統分析計算得到的結果無明顯區別，說明夾層板結構設計程序設計合理，結果有效;2)FEA-LASCOR 程序對夾層板進行分析時，結構建模、分析設置等方面所需時間明顯少于傳統分析所需時間，利用夾層板結構設計程序對夾層板進行力學性能分析效率得到明顯提高。

5 結 語

1)PCL 語言語法上同其他高級程序語言類似，函數命令使用方便，能夠較容易被用戶接受和掌握。利用PCL 語言對MSC.Patran 二次開發可以快速實現結構有限元建模、載荷邊界施加、結果處理等有限元分析過程，同時通過編制用戶界面實現程序的可操作性。

2)基于PCL 語言對MSC.Patran 進行二次開發，得到了激光焊接夾層板結構設計程序(FEA-LASCOR);該程序具有與傳統數值仿真分析一樣的精度，可用于夾層板船體結構設計。

3)通過在FEA-LASCOR 用戶界面簡單操作即可實現折疊式夾層板結構快速建模、屈服強度分析、結果處理等。與傳統的有限元分析方式相比，該程序是一種高效的夾層板建模和數值分析工具。

4)隨著激光焊接夾層板結構在船舶上的不斷應用，開發適用的夾層板設計工具，在船用夾層板結構的研究領域有著較大的應用前景和工程意義。

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