基于NX的船舶CAD/CAE模型預(yù)處理

林垚,張少雄,王麗榮,章志兵

基于NX的船舶CAD/CAE模型預(yù)處理

林垚1,張少雄1,王麗榮2,章志兵3

為了提高有限元建模效率，基于NX的CAD/CAE設(shè)計(jì)分析一體化的優(yōu)勢(shì)，將CAD船舶模型快速高效地轉(zhuǎn)換為可用來劃分網(wǎng)格的CAE模型，提出基于NX的船舶CAD/CAE模型預(yù)處理設(shè)計(jì)方案，測(cè)試表明，方案切實(shí)可行，有一定實(shí)用性。

NX；船舶結(jié)構(gòu)；CAD/CAE；模型轉(zhuǎn)換

船舶的設(shè)計(jì)建造過程中不同的階段根據(jù)需要將建多個(gè)模型。譬如，在整體設(shè)計(jì)階段，為了設(shè)計(jì)型線、性能校核以及艙容計(jì)算等創(chuàng)建船殼模型；在工藝設(shè)計(jì)中，需創(chuàng)建包含建造詳細(xì)信息的幾何模型；在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，需創(chuàng)建FEM模型等。這種不同階段的建模模式，導(dǎo)致大量重復(fù)勞動(dòng)。當(dāng)前所使用的幾何造型軟件，如CATIA，NX，PRO/E和有限元軟件；如MSC.Patran/Nastran、ANSYS等雖然有廣泛的通用性，但缺乏船舶行業(yè)針對(duì)性[1]。因此，如果能將船舶領(lǐng)域所涉及到的應(yīng)用模塊集中到同一個(gè)平臺(tái)上，那么用戶只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)完整的三維船舶CAD通用模型，使得“一個(gè)模型，多個(gè)用途”。這樣既可減少重復(fù)勞動(dòng)，又可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享[2]。

此平臺(tái)對(duì)船舶快速CAE建模有更加顯著的意義。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，有限元建模工作占到CAE分析的50%～80%。目前，船舶結(jié)構(gòu)有限元建模大部分都采用手工建模的方式，即通過二維圖紙獲取位置信息和形狀信息再手工輸入，尤其是創(chuàng)建船體外殼時(shí)多是要借助外殼幾何，數(shù)據(jù)量龐大、工作繁瑣[3]。平臺(tái)可以借助NX實(shí)現(xiàn)船舶模型由CAD到CAE的轉(zhuǎn)換，為劃分網(wǎng)格提供幾何基礎(chǔ)。除此之外，NX中CAD/CAE強(qiáng)大的更新功能給用戶帶來極大的便利，當(dāng)對(duì)CAD幾何模型進(jìn)行修改，CAE模型包括網(wǎng)格也可以隨之更新。這不僅可以保證精度，降低建模出錯(cuò)率，還可以保證CAD到CAE數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，為后期屬性映射做準(zhǔn)備，最終可大幅度提高有限元分析效率。為此，探討基于NX的船舶模型的CAD到CAE模型預(yù)處理方案設(shè)計(jì)。

1 開發(fā)環(huán)境

NX是一款功能強(qiáng)大的CAD/CAM/CAE軟件，NX CAD以parasolid為內(nèi)核提供強(qiáng)大的曲面造型功能，NX CAE提供快捷的有限元建模和模型處理功能，方便用戶快速由設(shè)計(jì)切換到分析，真正做到設(shè)計(jì)分析一體化。NX不僅可以通過UI操作來控制各種功能，還提供了多種應(yīng)用程序開發(fā)包(API)對(duì)NX內(nèi)部對(duì)象進(jìn)行訪問。在這些API基礎(chǔ)上，用戶可以開發(fā)各種自動(dòng)程序，定制NX功能，甚至可以在現(xiàn)有NX功能之上二次開發(fā)新的CAD/CAM/CAE軟件產(chǎn)品[4]。

NX預(yù)處理平臺(tái)體系將借助API使用C++語言進(jìn)行開發(fā)，其體系結(jié)構(gòu)見圖1。

為了保證平臺(tái)的穩(wěn)定性，需保證開發(fā)模塊數(shù)據(jù)能與NX有效流動(dòng),所以CAD與CAE相關(guān)功能的開發(fā)都以其基本功能為基礎(chǔ)。

為了保證平臺(tái)的實(shí)用性，提高其兼容性，結(jié)合NX本身功能，設(shè)計(jì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口見圖2。

2 CAD/CAE模型預(yù)處理設(shè)計(jì)方案

2.1 CAD/CAE預(yù)處理思路

因?yàn)榇皩?shí)際結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且CAD模型要包含盡可能詳細(xì)的形狀信息，所以在劃分網(wǎng)格之前需要忽略幾何模型中不必要的細(xì)節(jié)特征，保證單元質(zhì)量提高分析效率。

NX自身模型層次為prt文件存儲(chǔ)CAD模型，iprt文件(另一種形式的prt文件)存儲(chǔ)幾何理想化模型，F(xiàn)EM文件存儲(chǔ)CAE模型。NX在CAD/CAE轉(zhuǎn)換過程中已完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其內(nèi)部將高精度描述的幾何體(sheet body)轉(zhuǎn)換為三角形描述的較低精度的多邊形幾何體(polygon body)。所以工作重心在模型簡(jiǎn)化處理方面，平臺(tái)CAD/CAE的預(yù)處理系統(tǒng)的思路與結(jié)合NX模型層次設(shè)計(jì)見圖3。

2.2 CAD/CAE預(yù)處理流程

結(jié)合實(shí)際建模的需求和NX的功能特點(diǎn)，平臺(tái)CAD/CAE的預(yù)處理流程見圖4。

平臺(tái)將通過簡(jiǎn)單的人機(jī)交互，輔助用戶盡可能快速便捷地完成預(yù)處理的工作，為網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備。

2.2.1 創(chuàng)建船體分析模型

創(chuàng)建船體幾何模型和有限元模型往往是一個(gè)多方協(xié)作的過程，復(fù)雜的模型更是由不同的人員分段創(chuàng)建。為了幫助用戶更靈活的建模，同時(shí)考慮了船舶分批審圖流程特點(diǎn)設(shè)計(jì)此功能。

創(chuàng)建分析模型結(jié)構(gòu)見圖5，用戶選取需分析的結(jié)構(gòu)并指定范圍，程序內(nèi)部將其切割提取并wave link到同一個(gè)prt中，同時(shí)記錄筋與板、板與板的拓?fù)潢P(guān)系及屬性，以便在CAE中重構(gòu)組織關(guān)系。

NX可以同時(shí)管理同一個(gè)幾何模型關(guān)聯(lián)的多個(gè)FEM模型，所以用戶可以創(chuàng)建多個(gè)分析模型，用來分析不同位置的結(jié)構(gòu)。除此之外，還可以在幾何模型只完成一部分的時(shí)候就開始創(chuàng)建有限元模型，譬如幾何模型中間艙段創(chuàng)建完畢后即可開始創(chuàng)建中間艙段的有限元模型。同時(shí)，別的用戶可以繼續(xù)創(chuàng)建幾何模型。最后通過NX更新，完成FEM模型與幾何模型的兼容匹配。

2.2.2 CAD模型預(yù)處理

CAD模型預(yù)處理包含一系列工具，幫助用戶忽略幾何模型不必要的細(xì)節(jié)特征。NX基礎(chǔ)建模包含大量的創(chuàng)建和修改幾何功能，但有些功能不能很方便地處理船舶模型，所以在NX現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上提出以下新功能[5]。

1)刪除小板。根據(jù)面積和長(zhǎng)度搜索面積較小的幾何并刪除，用戶可用此功能刪除尺寸遠(yuǎn)小于單元的片體，比如肘板。

2)消除圓角。根據(jù)半徑搜索圓角并刪除。

3)板趾端簡(jiǎn)化。搜索趾端結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化包括將趾端截?cái)嗪蛯⑵淅鞛樗倪呅纹w。

4)刪除小筋。搜索長(zhǎng)度較小的加強(qiáng)筋并刪除，以免影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量。

5)加強(qiáng)筋調(diào)整。因CAD模型中加強(qiáng)筋按照真實(shí)理論線布置，往往不能滿足網(wǎng)格劃分要求，所以提供手動(dòng)調(diào)整加強(qiáng)筋的工具。用戶可調(diào)整加強(qiáng)筋理論線的起點(diǎn)或終點(diǎn)，程序保證加強(qiáng)筋的屬性及拓?fù)潢P(guān)系不變。

6)腰圓孔等效。創(chuàng)建粗網(wǎng)格模型時(shí)，腰圓孔有時(shí)可直接簡(jiǎn)化成矩形孔。腰圓孔等效工具提供2種等效方式，即按面積、長(zhǎng)寬比保持一致等效和保持最大長(zhǎng)寬比等效。

7)刪除小孔。搜索面積或等效直徑在指定范圍內(nèi)的孔(可自行選擇是否剔除人孔)，將其刪除。同時(shí)孔緣幾何線可以根據(jù)用戶的需要選擇是否提取保留，以便進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

2.2.3 板格切割

在船舶幾何模型清理完畢后，就進(jìn)入到板格切割的階段。板格切割是預(yù)處理過程中極其重要的一步，若構(gòu)件相交處未切割，在該幾何面上劃分出的網(wǎng)格就無法匹配，見圖6。

板格切割時(shí)，程序遍歷所有的板和筋，根據(jù)先前記錄的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行筋與板、板與板的切割。同時(shí)輸出切割后面(face)的屬性、邊(edge)的屬性、以及相交板處的邊對(duì)(edge pair)信息(板與板交線被多個(gè)edge共享，但edge屬于不同的face)，為屬性繼承做準(zhǔn)備，并且在進(jìn)入CAE環(huán)境下自動(dòng)消除自由邊。

2.2.4 CAE模型預(yù)處理

在板格切割后，就進(jìn)入到CAE環(huán)境中，繼續(xù)CAE模型預(yù)處理。

1)消除板縫與分片縫。在CAD模型中，板縫只有被切割才能對(duì)片體賦不同的屬性，另外在創(chuàng)建外殼時(shí)，在曲率變化較大的地方需分片擬合，這就導(dǎo)致出現(xiàn)板縫和分片縫。但在劃分網(wǎng)格時(shí)，板縫與分片縫會(huì)影響網(wǎng)格的質(zhì)量，必須消除。該工具提供了快速消除板縫與分片縫的功能。在CAD建模時(shí)，對(duì)板縫和分片縫賦予了相應(yīng)的屬性，使用該工具，程序?qū)⒆詣?dòng)搜索板縫和分片縫并消除，將面合并。

2)刪除孔周小板。若開孔面積很大，則開孔周圍單元?jiǎng)荼貢?huì)很小甚至畸形。故提供此功能，通過開孔面積占其板格比例進(jìn)行搜索，比例過大則可刪除板格。

3 預(yù)處理功能的實(shí)現(xiàn)

以某船模型為例，模型創(chuàng)建到預(yù)處理各個(gè)階段見圖7～10。

圖7為剛建好外殼與甲板的模型。在這個(gè)階段，模型中只有外殼與甲板，作為其他結(jié)構(gòu)的建模基礎(chǔ)，外殼和甲板形狀須表達(dá)準(zhǔn)確，位置須精準(zhǔn)。注意箭頭所指處為建模導(dǎo)致的分片縫。

圖8為船體結(jié)構(gòu)創(chuàng)建完畢的模型，為了真實(shí)模擬船體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的小孔、圓角、趾端等細(xì)節(jié)特征須按照?qǐng)D紙創(chuàng)建，并且為了后續(xù)預(yù)處理，所有結(jié)構(gòu)都需有相應(yīng)屬性。接下來將全船模型作為分析模型，進(jìn)行預(yù)處理。

圖9為經(jīng)過CAD預(yù)處理的簡(jiǎn)化模型。圖8中箭頭所指的小孔被刪除，圓角被消除。經(jīng)過幾何清理后，進(jìn)行板格切割，如圖9所示，模型已被切割成板格。CAD預(yù)處理完成，進(jìn)入CAE預(yù)處理。

進(jìn)入CAE環(huán)境，首先就要處理板縫與分片縫。在建模過程中已經(jīng)對(duì)板縫和分片縫賦予了對(duì)應(yīng)的屬性，故使用“消除板縫與分片縫”工具即可一鍵消除，如圖10所示。

至此，該模型預(yù)處理部分完成，可直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

4 結(jié)論

本文充分考慮船舶結(jié)構(gòu)的建模特點(diǎn)，基于NX開發(fā)創(chuàng)建分析模型、CAD模型預(yù)處理、板格切割、CAE模型預(yù)處理等船舶特色功能，完成CAD模型到CAE的轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)。該平臺(tái)致力于輔助用戶快速完成CAD/CAE建模，功能力求操作便捷，滿足船舶專業(yè)人員的需求。通過測(cè)試證明，設(shè)計(jì)方案可行，工具實(shí)用。

[1] 朱蘇,柳存根.基于中間平臺(tái)的船舶CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換研究[D].上海：上海交通大學(xué),2011.

[2] 邸立強(qiáng).基于NuCAS系統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)有限元模型快速生成研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2012.

[3] 潘新安,蘇學(xué)成,李華.基于UG和PATRAN的有限元建模技術(shù)探討[J].煤礦機(jī)電,2007(1):32-34.

[4] 陳蔚.基于NX的汽車覆蓋件模具靜態(tài)干涉檢查研究與開發(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué),2013.

[5] 李巖.船舶三維設(shè)計(jì)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué),2010.

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院,武漢 430063;2.中國(guó)船級(jí)社北京軟件工程部，北京 100000;3.華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430074)

Study on Model Preparation from CAD to CAE Based on NX for Ship Structures

LIN Yao1, ZHANG Shao-xiong1, WANG Li-rong2, ZHANG Zhi-bing3

(1.School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2.China Classification Society, Beijing 100007, China;3.School of Material Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

For improving the efficiency of the finite element modeling, making use of the advantages of NX in integration of CAD/CAE, the model preparation method was studied to transform the ship’s CAD model to the CAE model which can be meshed efficiently. A feasible and integrated preparation plan was proposed based on the functions in NX, which was tested and proved to be feasible and practical.

NX; ship structure; CAD/CAE; model preparation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.010

2016-04-27

林垚(1991—)，女，碩士生研究方向:結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

U661.43

A

1671-7953(2017)01-0041-04

修回日期：2016-05-14