結構有限元模型局部細網格快速生成方法

張志康，韓 鈺，林 焰，陳 彬，唐 宇

（1. 大連理工大學 船舶CAD工程中心，遼寧 大連 116024；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

管理現代化

結構有限元模型局部細網格快速生成方法

張志康1,2，韓 鈺2，林 焰1，陳 彬2，唐 宇2

（1. 大連理工大學 船舶CAD工程中心，遼寧 大連 116024；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

在船舶結構設計環節，一般采用直接計算方法評估結構強度。對于應力集中區域，需采用子模型法進行細網格計算。考慮到這項工作繁瑣費時，嚴重影響設計效率，提出一種快速生成結構有限元子模型局部細網格的方法。該方法基于“由幾何生成有限元網格，并采用添加輔助硬線以保證網格質量”的思路。利用Visual Basic語言，基于Catia和Femap的二次開發功能，編制可靠、實用的程序，可極大地提高子模型的建模效率。以某集裝箱船的艙口角隅為例，驗證其可靠性和快速性。

細網格；Catia；Femap；二次開發

0 引 言

目前，船舶結構強度直接計算法已被廣泛應用在各類船舶的設計與研究中，主要包括設備加強計算、艙段計算和全船計算等3類。在工程實踐中，常采用的流程是首先進行整體粗網格模型有限元計算，其次篩選出應力集中區域和關注區域，最后通過建立子模型進行細網格計算，校核關鍵部位的結構強度[1]。子模型作為局部模型，其單元屬性、邊界條件和載荷均可由成熟的工具自動從粗網格模型中獲取，并進行獨立的有限元計算。子模型中某些局部細網格需單獨建立，這項工作不僅枯燥煩瑣，而且費時費力，特別是因為不規則結構（如不規則開孔和艙口角隅等）的存在，會嚴重降低結構設計的效率。

為解決上述有限元建模效率較低的問題，國內已進行許多相關研究。朱永洲等[2]基于過程重用的思想，利用Catia和Patran實現機翼結構有限元快速建模。陸善彬等[3]基于HyperMesh，應用Tcl/Tk語言和內置函數開發整車鉚接SPR2的有限元快速建模模塊。李平書等[4]利用二次開發技術，根據AutoCAD中的二維結構圖，實現快速生成船舶結構的三維有限元模型的功能。單威俊等[5]針對艙口蓋的結構特點和人工建模流程，利用Patran二次開發技術，設計開發參數化有限元建模程序。總體而言，有限元快速建模技術在船舶領域的應用較少，尤其是結構強度計算方面。

本文在國內外已有的相關研究的基礎上，提出一種快速生成結構有限元模型局部細網格的方法（見圖1）。首先對局部結構幾何建模過程中用到的方法和規則等知識進行封裝；其次采用模板參數化技術實現其外形幾何模型的快速生成，并進一步通過添加輔助硬線控制網格劃分，以保證網格質量滿足計算要求及保證網格邊界的協調性；最后通過自動劃分生成細網格。本文利用以下2款軟件，對其進行二次開發，以便實現該方法。

Catia V5是法國達索公司開發的一款高端

CAD/CAM/CAE軟件系統，在幾何參數化建模方面有獨特優勢。此外，為滿足用戶對專業化和工作效率的需求，該系統提供了強大的二次開發接口[6]。然而，該版本的有限元建模和分析模塊尚不完善，且計算結果還未被船舶行業所認可。因此，采用Femap11.2軟件進行有限元建模。Femap是一款高級工程有限元建模和分析應用程序，具有高端的有限元前后處理器；同時，與Catia一樣支持Visual Basic對其進行二次開發，且數據接口良好，滿足各類導入、導出需求[7]。

1 幾何模型

創建準確的幾何模型是實現上述方法的關鍵，本文從分析局部結構的關鍵參數入手，利用進程外應用程序（Out-Process Application）的方式驅動Catia完成外形幾何模型的創建，并結合專業規范的要求為其添加輔助硬線，以保證網格質量。下面以簡單的單圓弧正角隅為例說明該過程。

1.1 關鍵參數分析

單圓弧正角隅常見于大型集裝箱船的貨艙艙口角隅處，是一種有效的減少應力集中的結構形式。本文基于“定形+定位”的思想，分析其主要控制參數，實現幾何外形的快速生成。

1) “定形”：確定單圓弧正角隅的形狀，經分析共包括5個形狀參數，分別為1個半徑、2個寬度和2個長度參數。

2) “定位”：保證局部結構細網格能直接準確地嵌套在子模型中。本文采用與子模型相同的全船坐標系，通過參考點坐標和開口方向確定其空間位置，共有3個位置參數，分別為1個三維點坐標和2個定位軸的值。

另外，考慮到主甲板處可能會有梁拱，再添加一個位置修正參數，即梁拱升高角度。單圓弧正角隅及其關鍵參數分別見圖2。

1.2 添加輔助硬線控制

對局部結構的外形幾何自動劃分往往不能生成理想的有限元細網格，因此必須添加輔助硬線來控制網格劃分。本文結合相關規范的要求，歸納工程實踐經驗，總結出一套完善的細網格劃分控制方法。對于單圓弧正角隅，其圓弧自由邊處為高應力區域，必須劃分高質量的有限元網格，通過分析，最終確定添加3條輔助硬線的方案（見圖3）。輔助硬線CL1為一段與R同心的圓弧，半徑差為所需的細網格尺度；CL2和CL3均與CL1相交，且指向圓心O，這樣便能保證最后的網格質量。若有限元網格質量要求更高，也可在輔助硬線CL1的外圈增加一段半徑為R+2×網格尺寸的同心圓弧。

1.3 創建幾何模型

經過關鍵參數和輔助硬線分析，即可利用VB驅動Catia進行快速幾何建模。具體處理方式為：首先建立基礎幾何長方形，其次利用圓弧切割，隨后進行L1和L2兩段長方形的拉伸操作，最后合并各曲面，完成“定形”操作。“定位”操作主要利用平移和旋轉功能確定其空間位置，最后利用切割幾何的思想實現添加硬線的功能。部分操作代碼如下：

此處只給出代碼的一部分，憑借 Catia強大的參數化建模功能，只需上述幾個關鍵參數便可建立局部結構的外形幾何模型，無須計算各點坐標，因此編寫任務并不繁重。

2 有限元模型

2.1 數據接口

在完成幾何建模之后，只需利用Catia與Femap之間的數據接口，保存中間文件*.model，便可將其導入到Femap中進行網格劃分，實現CAD模型向CAE模型轉換的無縫銜接。該過程可由代碼控制自動完成，部分代碼如下：

2.2 網格劃分及賦屬性

由于是對曲面進行自動網格劃分，因此只需控制網格的大小。另外，單元的屬性可通過前期在Femap中創建、后期在程序中自動調用其ID進行賦值的方式完成，部分操作代碼如下：

至此，單圓弧正角隅的細網格劃分完成，過程見圖4。細網格圓弧自由邊上均為邊長=50mm左右的四邊形單元，滿足規范對利用細網格進行屈服強度校核的要求。

3 程序開發

搭建程序整體框架，采用Visual Basic語言，基于VB 6.0平臺編寫程序，并創建良好的用戶界面，以提高其程序的可操作性和交互便利性。

根據本文提出的方法，并參照上述實現流程，選取幾個典型的局部結構作為對象編寫參數化建模程序。編寫對象主要分為開孔和角隅2種，具體結構分類見圖5。每個局部結構都有其特點，因此在分析關鍵參數和添加硬線等環節處理方法不同，但大體上與上述思路相近，本文不再展開說明。

程序主體框架呈星形，以主窗體為中心，連接各節點的子窗體。該結構簡單明了、可拓展性強。主窗體作為程序的主界面，具有啟動關聯軟件、選擇結構類型和關閉程序等作用（見圖6）。子窗體具有主要參數輸入和快速建模的功能，同時具有交互性的提示功能，隨著輸入的“定位”信息的改變而在窗體左側顯示不同的示意，更加貼切、直觀。單圓弧正角隅的子窗體見圖7。

選取常見的尺寸對各局部結構進行建模，網格大小取50mm，各局部結構細網格模型見圖8。

4 實例應用

為驗證程序的可靠性和快速性，闡述操作過程，以某超大型集裝箱船的艙口角隅為例進行驗證。該角隅為橢圓弧正角隅，位于機艙前相鄰貨艙艙口圍頂板處（見圖9）。該類船型具有大開口的特點，且大量使用高強度鋼，導致貨艙艙口的角隅疲勞強度問題突出，通常需多次優化才能滿足規范的要求。因此，不論是板厚變化，還是幾何形狀改進，都需重新劃分局部細網格，建模工作量非常大。

借助開發的程序建立子模型，具體操作流程如下：

1) 打開本文開發的程序，進入主界面，點擊按鈕啟動Catia和Femap軟件；2) 向Femap中導入子模型并初步細化；

3) 參照圖紙確定局部結構的形狀、位置和屬性；

4) 在Femap中確定局部結構的板單元屬性ID（若沒有該屬性，則手動創建）；

5) 在程序主界面選擇“橢圓弧正角隅”角隅類型，點擊“確定”；6) 進入子窗體后，輸入關鍵參數、網格大小和屬性ID，點擊“創建”；7) 在Femap中完善網格，保證其協調性，子模型的艙口角隅細網格劃分效果見圖10。

通過上述操作，便可快速生成高質量的局部細網格。與傳統的手動創建方法相比，運用開發的程序使得效率有了極大提高。

5 結 語

本文提出的方法可有效解決船舶結構有限元模型局部細網格劃分效率較低的問題，既有利于提高結構設計效率，又可為其他有限元二次開發問題提供參考。實測證明，本文開發的程序實用、可靠，能在一定程度上減少設計人員的重復勞動。另外，局部細網格與相連結構網格之間的自動細化過渡技術具有后續研究價值，實現后可進一步提高設計效率。

[1]韓鈺，陳磊，王偉飛，等. 超大型集裝箱船的結構設計[J]. 船舶與海洋工程，2015, 31 (4): 10-17.

[2]朱永洲，席平，唐家鵬，等. 機翼結構有限元快速建模技術研究[J]. 航空制造技術，2015 (19): 47-51.

[3]陸善彬，呂婕，陳偉，等. 基于HyperMesh二次開發的無鉚釘鉚接有限元快速建模[J]. 圖學學報，2014, 35 (5): 804-808.

[4]李平書，嚴家文，任鴻. 船舶結構有限元模型快速生成研究[J]. 船舶，2007 (4): 52-55.

[5]單威俊，許方，王燦，等. 艙口蓋參數化建模程序設計[J]. 船海工程，2014, 43 (6): 10-14.

[6]周桂生，陸文龍. CATIA二次開發技術研究與應用[J]. 機械設計與制造，2010 (1): 81-83.

[7]黃飛. 網絡環境下橋式起重機參數化CAE技術研究[D]. 太原：中北大學，2012.

Fast Generation of Local Fine Mesh for Finite Element Structure Model

ZHANG Zhi-kang1,2，HAN Yu2，LIN Yan1，CHEN Bin2，TANG Yu2

（1. Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Direct calculation is usually used for the structure strength analysis in ship structure design and a sub-model with fine mesh is necessary for the calculation of critical stress concentration areas. Considering the fact that the modeling process is time-consuming and it severely affects the design efficiency, this study proposes a fast local fine mesh generation method for the finite element structure model. The method is based on the idea of “generating finite element mesh geometrically and adding auxiliary hard lines to guarantee mesh quality”. Taking the advantage of customized development function of Catia and Femap, a reliable and useful code has been developed with Visual Basic language, which significantly improves the efficiency of modeling. The reliability and speed of the code is validated in the modeling of hatch corner for some container ships.

fine mesh; Catia; Femap; customized development

U662

A

2095-4069 (2017) 06-0066-05

2016-03-30

工業和信息化部高技術船舶科研計劃（工信部聯裝[2014]498號）；廣東省科技計劃項目（2015B090904010；2016B090918092）；海洋可再生能源專項資金項目（QDME2013ZB01）

張志康，男，碩士，1991年生。研究方向為船舶與海洋結構物設計制造。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.014