基于三維幾何模型的船舶扶強材自動理想化系統開發研究

李海靜，陳有芳，王麗榮，唐宜健，胡豐梁，章志兵

（1.華中科技大學 材料科學與工程學院，武漢 430074；2.中國船級社技術研發中心，北京 100007）

疲勞失效是影響船舶壽命的重要因素，也是船舶結構設計中不容小覷的部分[1]。目前普遍采用簡化計算的方式來校核船舶結構強度，按照評估范圍不同，可分為局部結構計算、艙段結構計算與全船結構計算[2—6]。校核時，面對數量龐大、截面形狀尺寸多變、方向各異的筋結構，設計人員往往采用抽樣法進行筋校核。這種方式受到計算數量、樣本分布的制約，經驗依賴度高，計算工作量大，效率低下，可靠性差。基于此，文中提出了一套船舶扶強材自動理想化系統，實現對分布密集、復雜多樣的船舶扶強材的批量自動規范計算，降低校核的人工依賴性，提高校核準確性，從而提高船舶設計效率，保障設計質量。

1 扶強材理想化系統體系結構

文中所提出的船舶扶強材自動理想化系統隸屬于船舶工程計算軟件Compass 3D 集成系統。該系統集CAD 建模模塊[7—9]、SDR 數據管理模塊[10]、CAE有限元分析模塊[11—12]、SDP 規范計算模塊[13]于一體，設計人員可以一站式完成船體建模、分析、校核的全過程，無需處理各子系統間的過渡，操作簡潔，用戶友好度高。

規范計算子系統用于部分三維模型建立后。在規范計算子系統中，板結構與筋結構被離散為子板與子筋單元，重組后構成基本計算單元。模型示意圖如圖1 所示。

圖1 模型示意圖Fig.1 Model diagram

2 扶強材理想化系統功能設計

系統功能設計見圖2。

2.1 單元梁快速自動識別

圖2 系統功能設計Fig.2 Design of system function

扶強材，也稱為加強筋，是為了增強船體金屬板結構的剛度和強度所引入的鋼質船體結構材料[14]。在船體三維模型中，加強筋依附于板架，由理論線、復線和筋三維模型組成，如圖3 所示。其中，復線用于規范計算；理論線反應了加強筋在CAD 模型中的空間分布；筋三維模型則直觀地呈現出該加強筋的空間形態，包括截面形狀、截面尺寸、依附狀況、傾斜角度等。

圖3 加強筋模型描述Fig.3 Description of stiffener model

在經過預處理的目標船體模型中，原始的整段加強筋經過一定規則的切割，被離散為多段子筋，每個子筋都繼承了其父筋的相關屬性。將共用端點且該端點未終止于結構相交處的子筋集合記錄為一個筋計算單元，稱為單元梁，如圖4 所示。

圖4 單元梁模型描述Fig.4 Description of unit beam model

單元梁識別的總體流程如圖5 所示。①步驟1為初始化子筋相交關系，提取分析范圍內的全部子筋，按照依附板架對子筋進行分組，以分組為單位，對子筋、子筋端點進行編號，并記錄子筋之間的相交關系；② 步驟2 為識別可構成單元梁的子筋集合，以初始化分組為分析單位，首先任意獲取一個子筋（Curve1），任取一側端點（Point11），根據初始化相交關系，搜索到與其相連的子筋（Curve2），并判斷相連子筋的非共用端點（Point22）是否與板架結構相交，如果相交，則該端終止，轉到初始子筋的另一側端點（Point12）繼續進行上述操作，如果相連子筋的非共用端點（Point22）不與板架結構相交，則以該點作為基點，繼續搜索相連子筋并進行板架相交性判斷，直至非共用端點與板架相交或者已經到達板邊界，如圖6 所示，在這個過程中，如果通過一個端點可以搜索到多個相連子筋，則根據相連子筋與用于搜索的上層子筋的夾角進行篩選，選擇夾角最接近平角的子筋作為唯一的目標子筋；③步驟3 為搜索到的子筋集合記錄相同的標識，構成一個單元梁，采用自定義數據對象進行存儲，當分析范圍內所有的子筋都加入且只加入到唯一的單元梁后，即完成了單元梁的快速自動識別，通過單元梁的快速自動識別，將離散后的加強筋重新組合簡化為若干單元梁，從而實現相關規范參數的快速準確計算。

圖5 單元梁自動識別流程Fig.5 Automatic recognition flowchart of unit beam

圖6 識別相連曲線示意圖Fig.6 Identifying connected curves

2.2 船體梁結構強度校核參數分析

船體梁結構強度校核分析是以單元梁為單位對船體局部強度模型進行相關校核。對于加強筋而言，需要校核的參數包含壓力載荷計算點、彎曲應力載荷計算點、單元梁間距、帶板與水平面夾角、單元梁兩側的艙室環境等共13 項參數。下面以單元梁間距為例，進行簡要介紹。

在船舶結構中，存在許多大跨度加筋板結構，比如甲板、橫向艙壁等，板架上加強筋的分布、尺寸對板架強度的影響很大[15]。單元梁間距是單元梁與其鄰近兩側單元梁的垂直距離。由于船舶三維模型在轉換過程中經過了多次切割，剖面模型中存在許多碎邊、懸臂邊、不閉合區域，如圖7 所示。如果采用直接搜索兩側單元梁求解的方式，計算結果和計算速度都會受到影響。在校核誤差允許的條件下，最終采用等效簡化的方式來計算單元梁間距。

圖7 間距示意圖Fig.7 Pitch diagram

據單元梁端部形式，將單元梁分為屈曲梁和非屈曲梁兩類。其中，由非屈曲梁、板相交縫圍成的區域稱作屈服板格；由屈服梁、屈曲梁和板相交縫圍成的區域稱作屈曲板格。采用矩形等效的方法，將非矩形板格等效為矩形板格，如圖8 所示。分別在單元梁B1B2兩端（B1，B2）搜索板格，并獲取到非矩形板格1 和板格2 的面積，用板格面積除以單元梁跨距即可計算出對應的等效間距。

圖8 板格矩形等效示意圖Fig.8 Rectangle equivalent diagram of panel

采用矩形等效法簡化后的理想化板格如圖9 所示。對每個結構板而言，只需要進行一次板格分組，即可計算出整個板架上所有單元梁之間的間距。

圖9 理想化板格示意圖Fig.9 Diagram of idealized gird

3 應用實例

基于NX11.0 平臺，使用C++語言開發上述船舶扶強材自動理想化系統，并在以油船和散貨船為代表的船型三維模型上進行測試。測試結果表明，在不同縱向位置處，扶強材自動理想化系統均可快速、準確地輸出剖面中所有筋的校核參數分析結果。

圖10 是180000DWT 散貨船FR176 位置處剖面模型的扶強材自動理想化系統計算結果示意圖。其中，模型的結構建模公差為2.0 mm。在Intel(R) Core(TM) i5-6400、CPU 2.70 GHz、8 G 內存的測試機上測試發現，剖面模型中共220 個單元梁、每個單元梁13 項參數的計算過程共耗時約15 s。

圖10 180000DWT 散貨船FR161 剖面自動理想化計算結果Fig.10 Automatic idealization calculation result of FR161 section of 180000DWT bulk carrier

4 結論

主要研究了基于三維幾何模型的船舶扶強材自動理想化系統。本系統可對船舶三維模型中分布密集、截面多變、依附情況復雜、人工難以計算的扶強材規范校核參數進行快速自動的理想化計算。結果表明，本系統可以快速準確地計算出船舶剖面模型中所有扶強材的壓力載荷計算點、彎曲應力載荷計算點、間距、兩側的艙室環境等共13 項規范校核參數，解決了人工校核的多項不便，有效提高了船舶加強筋結構校核的精度和效率。