網格劃分軟件在船舶磁場計算中的應用

李 宇，趙文春，劉勝道，周國華

(1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033;2.92351部隊，海南 三亞 572016)

維修理論

網格劃分軟件在船舶磁場計算中的應用

李 宇1，2，趙文春1，劉勝道1，周國華1

(1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033;2.92351部隊，海南 三亞 572016)

網絡劃分軟件TrueGrid具有簡化建模過程、提高計算效率等優點，廣泛應用于船舶磁場計算中。文章分析了網絡劃分軟件TrueGrid在磁場計算中需要關注的因素，通過計算實例，驗證了網格劃分軟件的高效性和實用性。

磁性物體；磁場計算；網格劃分

船舶受地球磁場影響，周圍將會不可避免的形成船體磁場，由于該磁場的存在，極易被水中磁性探測設備發現和遭受水中兵器的攻擊，給船舶的生存帶來了一定的威脅，因此要對船舶進行磁性防護。在實際中，磁防護技術采取的方式通常用消除或補償來實現，目的是使船舶整體磁場強度保持在某一安全值之下，而需要的方式、順序、程度都必須建立在對船舶磁場大小識別的基礎之上[1]。船舶因受其體積龐大、系統復雜、設備非常多等因素影響而使得在磁場計算時異常復雜和困難，需要消耗大量的人力物力和時間。

船舶設計或消磁技術人員在磁場計算時通常采用的算法有磁體模擬法、有限元法、邊界元法和積分方程法等，積分方程法比其他算法有著諸多的優勢，在磁防護專業領域普遍應用，但計算的前提需對磁性區域進行耗時的建模和網格劃分[2]。根據調查，網格的劃分通常需要占用整個項目完成時間和費用的80%，因為該過程必須兼顧諸多因素，如復雜船殼型線的構造、船舶內部多個結構模塊的建立、剖分單元疏密的調整和重新劃分等。這些工作都給船舶實體網格劃分帶來了較大障礙，因此尋求一套優秀、簡單易用、功能強大的網格生成前處理工具十分必要。網格劃分軟件TrueGrid所提供的各種功能，可以近乎完美地完成上述復雜的工作。

1 網絡劃分軟件TrueGrid的作用及組成

網格劃分軟件TrueGrid在磁場計算中可以完成型線構造任務，簡化建模過程，完成復雜幾何體的網格生成和疏密調整，從而大大提高計算效率。該軟件具有工業界最先進的映射網格劃分、簡單的交互式批處理、支持高結構化的多塊體網格劃分、基于投影幾何學的投影方法，具有應用廣泛、計算可靠度高、運算速度快等高質量的網格劃分功能和特點，是一款優秀而功能強大的通用網格生成前處理軟件，其可接受任何分析任務和強大的診斷功能等優點，可以在船舶磁場計算中很好的應用。

網絡劃分軟件TrueGrid可以將復雜幾何結構細化為一個個小方格，然后劃分成六面體塊體單元或四邊形殼體單元，劃分的結果就是網格或柵格，其由3部分組成：第一部分是幾何建模，主要是分析體的幾何結構的定義部分；第二部分是網絡劃分，主要是分析體的網格劃分部分；第三部分是網格輸出，主要是網格輸出為各種分析工具所支持的網格類型。其可以方便快速地生成優化的、高質量的和多塊結構的網格模型，如六面體網格模型、四面體網格模型、殼體網格模型等。它所提供的參數化建模功能和批處理功能，使得用戶稍作修改所定義的一些幾何參數即可建立不同型號的船舶實體網格離散模型，而無需重復繁瑣而枯燥的建模工作，且非常容易與工程人員的系統進行整合，該軟件能幫助消磁設計和防護人員進行船舶磁場計算。

2 網絡劃分軟件TrueGrid在計算磁場時需要關注的因素

2.1 船體復雜型線的構造

船體型線能精確地表示船體形狀，它由縱剖線、橫剖線、半寬水線組成，是船舶設計、計算和建造放樣的重要依據。將垂線間長分為10或者20個等份，得到11或21個平行于中站面的橫剖面，橫剖面與船體型表面的交線稱之為橫剖線。同樣，將船寬分為若干等份，過各等份點作平行于中性面的縱剖面，縱剖面與船體型表面的交線稱之為縱剖線。將船舶設計吃水分成若干等份，過各等分點作平行于基平面的水線面，水線面與船體型表面的交線稱之為水線。為了完整地表示船體這個復雜的空間曲面，可以用以上3個互相垂直的平面與船體相交，將交線投影到3個互相垂直的視圖上，就構成了船體型線圖。型線圖上究竟要多少根縱剖線、水線和橫剖線才能表達清楚，這取決于船體表面復雜程度。一般而言，構造復雜的型線需大量的船舶型線測量數據。TrueGrid軟件中提供了空間曲線的構建方式，通過選擇合適的曲線建立方法，可以完成曲線的構造。對于船舶復雜的型線而言，TrueGrid軟件在構建船舶型線時可大大減少型線測量數據，幫助人員完成型線構造任務。

2.2 船舶內部復雜的結構

船舶是一個由眾多板、梁、柱等構件構成的大型復雜的空間結構體。如果在建模過程中將所有構件都建在一起，則在視圖顯示中各種構件交織在一起，同時船舶結構內部因為裝載、穩性和人員工作等需要，劃分了許多艙室，每個艙室都有可能在一些局部因特殊目的而具有特殊結構特點。這些結構上的復雜性大大增加了建模的難度，使建模過程變得異常復雜。若要一次完成整個船舶內部結構的建模是不可能的，通常需要分為若干個塊網格來完成。

軟件提供了網格模型合并功能，可以在建立內部分塊結構的塊網格模型基礎上，通過網格合并和捏合來形成整個網格模型。可以很方便地處理上百個復雜修整曲面的模型，而每一個曲面內又可能含有幾十種甚至上百種復雜的修整曲線。在各行、列和層上，每一個塊都可以由三維六面體、二維四邊形、以及一維線性或二次方程式單元組成，處理過程中不需要對表面進行編輯，甚至可以很方便地處理“多修整”表面模型，支持高結構化的多塊體網格劃分功能，能產生高質量的網格劃分。利用相關功能，可以在建模中對大型復雜空間結構進行分解，以位置、構件特點等為原則，對構件進行分組，使每一個組中的結構都盡量簡單并容易進行幾何、單元元素的查找與選擇，從而避免這種因結構過于復雜而造成的建模困難，加快建模的速度。 組的應用除了可以方便幾何對象或單元對象的選取外，還可以通過軟件工具建立平行體中的一個艙段，然后使用命令，在相應方向上進行組的平移，從而一次性在相應的位置上生成所有結構相同的新艙段。對于具有對稱性的結構，可以只建立一半的模型，通過選項，就可以生成對稱面另一側的半個模型。在船舶結構的角隅處有些傾斜的構件可以通過在方便的位置建立相應的結構，再使用工具選項，將其旋轉到正確的位置。

2.3 網格單元生成

劃分網格是前處理過程中最困難的部分，網格單元劃分質量的優劣不僅決定了求解是否準確，還決定了求解規模。

1)網格數量。網格數量的多少將影響磁場計算結果的精度和時間消耗，數量增加，計算精度必然能有所提高，但會使計算用時周期大大的增加。網格數量太少時，網格的質量將無法保證，計算結果就會發生偏差。但是，數量增加到一定程度后，精度會趨于收斂，而計算規模則會越來越大。應用中可以通過增加網格數量的方式，來提高網格品質，同時還可以通過刪除模型中一些無關緊要的細節，來減少這些細節對網格品質的影響。所以劃分網格時，并不是數量越多越好，我們要注意網格的經濟性，兼顧精度和時間消耗這兩個因素。

2)網格疏密。在結構不同部位采用大小不同的網格，是為適應計算數據的分布特點。通常在數據變化梯度變化明顯的部位，需要采用比較密集的網絡，才能較好的反映出該部分的數據變化規律。網格劃分的足夠精細才能得到精確的結果,但是工作量非常大,對計算機的要求高，而且當細到一定程度以后,精度已經能達到要求,對結果的影響將很小而沒必要。

3)網格分界面和分界點。由于船體表面有很多小面，應該先采用軟件中的工具把船體中變化較小的部分曲面合成為較大的面，這樣可以節約劃分網格的難度，但在船尾和船首曲面曲率變化較大的部位應該保持原有小面，然后在船表面先畫面網格，經過多次驗證方能找出一個較為合適的網格尺度，在面網格的基礎上就通過調整邊界層以及自適應網格技術畫出體網格。軟件的映射網格劃分功能，使得技術人員可以方便地將簡單規則的網格單元映射成所需的復雜網格單元，從而使用戶能夠簡單地完成復雜幾何體的網格生成工作，免去了用戶指定結構體積詳細信息的需要。

2.4 網格單元數據的導出

為使用戶能夠方便地使用網絡劃分軟件TrueGrid所建立的網格離散模型數據，軟件提供十余種網格數據輸出格式，如Ansys、Dyna3d、Cfd-ace、Fluent、Nastran等，用戶按照所選擇的數據輸出格式即可實現與用戶源程序的整合，從而構成一個完整的集成環境。命令流文件可以保存為TXT文件，用戶可以提前輸入命令流或者對命令流進行檢查、修改，方便快捷。為使網格數據輸出格式與磁場計算程序模塊較好結合，文中選擇Ansys網格輸出數據格式。根據上述基本工作，圖1給出了基于網絡劃分軟件TrueGrid建立船舶網格離散模型的主要流程。

圖1 基于網格劃分軟件TrueGrid建立船舶網格離散模型的主要流程

3 磁場計算實例

下面以某主機磁場計算進行示例，用計算值與測量值進行比較，來判斷計算方法的適用性及計算結果的準確性。采用網絡劃分軟件TrueGrid對主機模型進行剖分，根據主機的三視圖對主機進行簡化(如圖2所示)。在此需要指出，如果對主機進行詳細的網格建模，將耗費大量的人力物力，考慮到該課題中對磁防護技術評估的測試點位于標準深度平面，距離船體及船載設備較遠，對主機進行粗略建模即可滿足工程需求[3]。根據主機總體形狀和各部位結構，通過切換和運用計算窗口、物理窗口、環境窗口，分別顯示塊網格的邏輯結構、真實網格和幾何模型、類型和一些鼠標控制操作，使用初始網格，定位，投影，刪除，改進，光滑處理塊網格等工具命令，利用鼠標各鍵實現圖形旋轉、移動、縮放、窗口式放大，將各塊網格通過粘合，合并節點等方式裝配成一個簡化模型的過程，可建立某型主機的簡化網格模型(圖3)。模型中剖分的節點數為5 635個，單元數為1 945個，設定相對磁導率為260，縱向感應磁場垂直分量Zix、垂向感應磁場垂直分量Ziz的計算結果用點劃曲線表示，測量值用黑色曲線表示，比較結果見圖4、圖5所示。

圖2 某主機主體結構

圖3 主機簡化模型

圖4 主龍骨下Zix計算值和測量值比較圖

從圖4、圖5中可以看出，運用網絡劃分軟件TrueGrid剖分后的某大型鐵磁設備感應磁場計算值與現場實際測量值的吻合度非常高，說明基于網絡劃分軟件TrueGrid的積分方程法，計算模型非常適宜的用于計算艇上設備產生的感應磁場，也確實在實際計算和現場試驗中已被反復證實。通過定義相對均方根誤差為：

(1)

式中：Hmeas為實測磁場值；Hcalc為計算磁場值；n為測量點數。

圖5 主龍骨下Ziz計算值和測量值比較圖

用式(1)計算得到，某主機龍骨下縱向感應磁場垂直分量Zix、垂向感應磁場垂直分量Ziz之間的相對均方根誤差為4.58%，能夠滿足實際要求。

網絡劃分軟件TrueGrid的應用，直接明顯降低了時間、經費等成本。以往通常需要花費數月時間的項目現在只需幾天就可以完成，讓人員從復雜繁重的建模工作中解脫出來，在保證高質量的同時，大大降低了計算難度并節約了時間。

[1] 張國友．艦船消磁系統原理與設備[M]．武漢：海軍工程大學，2004．

[2]肖昌漢．鐵磁學[M]．武漢：海軍工程大學，2005．

[3]祝小雨，劉勝道，周國華．一種磁性物體周邊磁場的估算方法[J].艦船電子工程,2015(4)：162-164.

True Grid meshing software is widely used in ship magnetic field calculation because of its simplified modelbuilding and high efficeienc of calculation.In this paper,some key factors are analyzed for calculating the magnetic field with True Grid meshing.Meshing software proves high effective and practical through calculating example.

magnetic object; magnetic field calculation; meshing

李宇(1973-)，男，陜西蒲城人，高級工程師，大學本科，主要從事艦船保障工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.011

2016-07-26