基于NAPA Steel模型導出模塊程序的研究

王 靖，岳興華，金嬌輝，楊高勝

（1.農業部 漁業裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院 漁業機械儀器研究所，上海 200092；2.遼寧陸海石油裝備研究院，遼寧盤錦 124010）

基于NAPA Steel模型導出模塊程序的研究

王 靖1，岳興華2，金嬌輝1，楊高勝1

（1.農業部 漁業裝備與工程技術重點實驗室，中國水產科學研究院 漁業機械儀器研究所，上海 200092；2.遼寧陸海石油裝備研究院，遼寧盤錦 124010）

NAPA Steel具有從初步設計到自動生成結構網格模型的功能，將劃分好的網格模型導入到有限元分析軟件就可以直接對所要分析的結構進行計算。文中以坐底式平臺為例，通過基于NAPA BASIC宏程序語言對NAPA數據庫中宏程序的再開發，成功實現從利用NAPA進行初步設計到ANSYS結構有限元模型分析，大大減少了有限元結構分析軟件建模時間，可以為以后坐底式平臺、自升式平臺等海洋工程結構打造船舶數字化智能設計平臺提供參考，減少設計人員的冗余工作，提高設計效率。

NAPA Steel；軟件二次開發；有限元；數字化

0 引言

NAPA軟件是目前船舶及海洋工程認可的計算平臺，其用于三維結構建模的NAPA Steel模塊在初步設計階段為實現數字化造船提供了先決條件[1]。

由于該軟件采用命令操作方式，且提供了 NAPA BASIC這一開發工具，使其對初步設計階段的諸多大大小小的修改能迅速方便地反映在有限元模型中。

1 研究背景及程序實現流程

ANSYS與波流計算模塊AQWA的友好接口，使得其在海工設計中被廣泛應用。船舶海洋工程結構物尺寸較大、結構復雜，如在ANSYS中用APDL語言建立CP30系列坐底式平臺結構模型[2]，板梁結構建模也需要花費大量的時間和精力，比如初步設計修改頻繁，或者后期結構計算需要調整。ANSYS經典模式目前沒有操作友好的倒退功能，對建模者要求非常高，修改極其繁瑣，甚至可能修改的時間超過重新建模的耗時。APDL語言中一些參數化的理念真正反應到后續改進系列船的快速建模時難度及工作量很大，棄之可惜。其次，為標識幾何對象需要編號的規律化，而這往往要求編號至少六七個數量級，增加了總體剛度矩陣半帶寬，導致ANSYS運行速度大大減慢。

對于上面提及的APDL語言建模問題，NAPA Steel無疑擁有巨大的優勢。首先，NAPA Steel輸出的編號均為從1開始連續，總體剛度矩陣最小；其次NAPA Steel修改直觀且方便；第三，可通過“船型變換”的方式對母型船進行修改，迅速得到后續改進系列船的模型。

NAPA Steel較之APDL有上述優點，并且操作友好，因此建模效率大大提高[3]。但由于目前NAPA Steel與ANSYS接口并不完善，因此NAPA Steel的優勢并不能發揮。目前 NAPA Steel主要通過ADDFEM.ANSYS_ELEMENT_OUTPUT與ADDFEM.ANSYS_KEY_POINT_OUTPUT這兩個宏將有限元模型導入ANSYS，前者以節點、單元的形式導入，后者以點、線、面幾何體的形式導入。雖然兩種方法輸出的面或板單元均是 NAPA Steel劃分的網格，但兩個宏均有一個大問題——輸出的梁單元沒有賦屬性，僅僅是輸出線或線單元，如果在此基礎上后期再在 ANSYS中賦截面屬性，則NAPA Steel建模失去優勢。

文中立足于ADDFEM.ANSYS_ELEMENT_ OUTPUT宏的再開發，考慮的重點為已賦屬性的單元（包括板單元與梁單元）高效導入ANSYS單元編組。本程序輸出的代碼在ANSYS中建模順序為節點、板單元、梁單元。從NAPA Steel到ANSYS軟件分析完成總流程見圖1。

圖1 結構建模分析流程圖

2 建模參數輸出控制

2.1 模型的建立

首先在NAPA Steel中建立實體模型（見圖2），并對實體模型進行有限元網格劃分（見圖3）。

2.2 節點輸出

節點的輸出與原宏并沒有很大區別，只是增加了對節點就其所屬的艙室進行編組，用于模型以后添加液艙載荷，其方法與后述板單元編組類似。

2.3 板單元輸出

板單元的輸出與原宏相比，增加了一些描述材料、板厚實數的“背景”類代碼，另增加了板單元的分組，以方便于在ANSYS中操作（材料、板單元屬性以及梁單元屬性需要根據有限元計算的要求來設置）。

板厚實數的賦值編號從 1開始，以方便于ANSYS應用時分類清晰[4]。定義存放板厚的數組，

為方便查找等操作，將數值轉化為字符。輸出時，用LOCS命令查找到板厚對應的實數，如下所示（如結構的材料或類似屬性多樣，亦可用此種方法進行標識）：

LQFEME, 'real,', (PLTH), R(F=5, U=M)/'locs(plth3,plth)', '$'……

將板單元就其隸屬的NAPA Steel中的板進行分組。

@name1=cnc('FEMOBJ*',MODEL,'*')

cat name＞@NAME1

MODEL為有限元模型名稱，上述命令可以將其下的各板名稱列出來。

然后通過設置輸出選項，即可將隸屬于同一板的板單元篩選出來。

@NAME2=SBS(le(I),LEN(NAME1)+1,LEN(le( I)))

TOO FEME, HD=N, SELECT=(PLTH＞0,name=@name2)

用下述命令編組：

typeesel,none

……….

…….

type cm,@name2,elem

輸出的結果文件如圖4所示。由于NAPA Steel中筋是依附于板的，因此筋的分組也是按其隸屬的板分組，可以在組名前加不同字母，以示區別。

圖2 NAPA Steel幾何模型

圖3 NAPA Steel有限元模型

圖4 ANSYS中全殼單元的顯示

2.4 梁單元輸出

梁單元的輸出是整個再開發的重點，分為以下四步進行，輸出到ANSYS里的結果見圖5。

圖5 ANSYS中梁單元的分組

1）取出各截面屬性放入數組PROFID2中，然后將其轉化成ANSYS中生成截面的代碼；

2）根據模型精度等需要，生成適當數量的用于標識球扁鋼（或角鋼）球頭方向的節點；

3）確定梁的走向，梁的端點決定梁的走向；

4）NAPA Steel中梁單元的節點輸出順序為：

從后向前、向右向左、向下向上，而不是筋的切向叉乘法向決定的方向，二者比較以確定球頭方向。

導入ANSYS后，顯示所有梁單元，可以看出，代碼導入的ANSYS模型中梁的信息是完全正確的，如圖6所示。在導入的有限元模型基礎上，導入其他計算軟件計算的波浪載荷、施加液艙載荷、附舾裝等專業質量點，慣性釋放后，即可進行有限元分析計算，分析結果如圖7所示。

圖6 ANSYS中所有梁單元的顯示

圖7 施加波浪載荷后的有限元模型分析結果

3 結論

NAPA Steel建模效率高，且操作友好；ANSYS為常用的有限元計算軟件，且與水動力計算模塊AQWA有友好的接口，方便將環境載荷直接導入ANSYS中進行結構強度等分析。通過對NAPA中ADDFEM.ANSYS_ELEMENT_OUTPUT宏的二次開發，成功將二者的優勢結合起來，大大減少了有限元建模時間及建模強度，提高了效率。另外，其船型變換功能可以方便地用于后續船型的建模，如坐底式、自升式等結構相似的海洋結構物。

[1]NAPA.NAPA for Design Manuals for Release 2014.3[S].2014.

[2]ANSYS.Mechanical APDL Commands Quick Reference Guide Release 13.0[Z].2012.

[3]丁愛兵, 汪學鋒.船舶綜合設計軟件系統中NAPA的集成研究[J].船舶工程, 2014(2): 91-94.

[4]吳鵬, 曾紅, 韓邁.基于 ANSYS的二次開發技術的實現方法[J].遼寧工學院學報, 2004(5): 25-29.

中國首次獨立承擔國際海事公約配套標準修訂工作

從交通運輸部獲悉，我國首次承擔修訂的《雷達導航示范課程（操作級）1.07》由國際海事組織一次性通過，成為新的船舶雷達操作適任教學、培訓和評估的國際海事標準。經修訂的示范課程將由國際海事組織正式出版發行，在全球應用。這是我國首次獨立承擔國際海事公約配套標準的修訂工作。

為保障航海安全和加強航運人力資源建設，國際海事組織制定了雷達導航示范課程標準，在公約締約國范圍內強制實施。此次標準的修訂，主要針對船舶自動識別、速度和航程、艏向電子定位系統等多傳感器在船舶導航雷達上的集成，對其原理、操作和應用做出培訓和教學要求，以切實提升船舶駕駛員的雷達使用技能，有效運用航行信息，保障航行安全。

（來源：新華網）

Research of Program for Modules Exporting Based on NAPA Steel

Wang Jing1, Yue Xing-hua2, Jin Jiao-hui1, Yang Gao-sheng1
(1.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering of Ministry of Agriculture, Fishery Machinery and Instrument Research Institute of China Academy of Fishery Science, Shanghai 200092, China; 2.Liaoning Petroleum Equipment Institute Co., Ltd., Liaoning Panjin 124010, China)

NAPA Steel has the function of automatically generating the structure features of grid model from the preliminary design.The divided grid model is put into the FEM analysis software and then the structure which needs to be analyzed is calculated directly.Taking the bottom-supported platform as an example, based on the re-development of the macro program NAPA BASIC in NAPA database, it is successfully accomplished from NAPA structure preliminary design to the ANSYS finite element model analysis, which greatly reduces the manual finite element structure modeling time.It provides reference to the future establishment of digitalized intelligent design platform for marine engineering structures such as bottom-supported platforms and jack-up platforms, which can reduce the redundant work and raise design efficiency.

NAPA Steel; software secondary development; FEM; digitization

U663.2

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.007

海洋經濟創新發展區域示范專項項目“深水網箱養殖產業工程技術研發公共服務平臺”（GD2013-D01-001）；農業部漁業裝備與工程重點開放實驗室開放課題：漁船結構數字化設計技術研究（漁機行科（2012）1號）。

王靖（1985—），女，助理研究員，研究方向：船舶設計。