基于知識工程的面向船體結構總體振動的計算網格生成方法

徐思豪,陳熠畫,彭亞康,吳兆年,高明星

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011;2.上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室,上海 200240)

1 研究背景

1.1 結構總體振動網格的實踐問題

隨著船舶尺度和速度的增加,船舶產生有害振動的現象仍有發生,嚴重危害船舶的安全和乘員的健康。國際標準化組織(ISO)[1]、國際海事組織(IMO)[2]、各國船級社[3-5]等對船體振動噪聲的要求也日益嚴苛。越來越多的大型船舶都需要在詳細設計階段中進行振動評估,采取必要的減振措施,以保障船員與旅客的居住舒適性、船舶設備的正常使用,以及船體結構的安全。當船舶試航時發現存在不可忽視的振動、噪聲問題時,更需要通過有限元振動計算分析問題所在,分析不同方案的減振效果,計算結果往往需要進行數輪設計迭代優化。CCS的《船上振動控制指南》中對于計算模型僅要求保證模型每一個節點的3個線位移方向上都具有單元提供剛度,以防止出現低頻的局部振形等原則性的要求,而對于計算網格的尺寸并未進行明確的限制[6]。

考慮到動力學計算往往會消耗較多的計算機資源,并且根據計算結果進行設計迭代優化的次數也較多。比較常規的做法是如圖1所示規范中推薦的示例模型的做法,網格尺寸取桁材間距[7](一般一檔強框間距等于3檔肋距,因此也常被稱為3S網格),其中桁材可以采用梁單元模擬[8]。這種理想化處理忽略小骨材以及開孔、連接、倒角、板縫等結構細節的影響,既能反映整體結構的剛度與質量分布保證計算結果的參考價值,又能提高FEM計算的效率。

圖1 規范中的振動計算模型示例[6]

對于一些特殊船型,船東或者船級社對計算網格會有額外的限定要求,以某客滾船為例,船東著重關注每一層甲板的高階振動,而DNV船級社根據計算效率等因素要求提供強框間距的振動模型,最終振動網格采取的方案是甲板采用縱骨間距的網格,所有垂直艙壁結構采用長條形網格,其中網格垂向以甲板間高作為間距,短邊與甲板網格一致[9],見圖2。

圖2 根據特殊規則折減后的振動計算模型

另一方面,船舶體量的關系,使得整船計算模型的建模工作量非常大,十分耗時。在工程實踐中會直接采用強度計算的模型,減少工作量,但過多的網格數量會導致計算效率較低,且網格太細會導致計算中出現過多的局部模態,對于振動隱患區域較小,僅需進行單次校核即可滿足送審要求的項目較為適用,而對于有多個隱患區域,有優化需求的項目就顯得非常笨重。因此也會采用折衷的方法,如圖3所示,在重點區域(船尾部分)采用強度模型,而非重點區域(貨艙及首部)則重新建立桁材間距網格從而降低網格數量[10]。

圖3 混合網格示意[2]

由此可見,船體結構總體振動網格在工程實踐上有以下問題。

1)由于動力學計算消耗計算機資源大,需對船體結構進行理想化,減少網格數量提高計算效率。

2)由于不同的計算目標,會存在不同的理想化原則(如圖4所示為DNV具體的理想化標準)。

圖4 DNV規范要求中骨材均攤算法示意圖[9]

3)由于船體建模工作量巨大,重新建模往往代價過高,需要盡可能復用設計幾何模型。

1.2 結構總體振動網格的技術難點

基于3DExperience三維設計軟件可以構造船體結構模型用于生成常規的強度有限元模型[10]。該模型中會嚴格按照設計的板厚與骨材規格進行定義。而振動模型相較于強度模型是一種理想化程度更高的有限元模型,在理想化過程中可以在保持模型的剛度和質量分布不變的原則下,犧牲部分小構件以及局部幾何形狀。因此桁材間距模型中所有構件一般需要按照規范規定的原則進行屬性均攤。

屬性均攤的理想化過程主要在于以下難點。

1)骨材需要按照規范給定的原則均攤至周圍的桁材上。

2)由于理想化過程調整了板縫位置以及取消了開孔,使得調整前后的板格質量會發生較大的偏差,因此需要對一個板格范圍內的板厚進行校準。

3)額外考慮特殊規則,例如參照DNV的規范要求,需要進一步對不同方向上的構件進行不同原則的簡化：骨材在縱向和橫向位置上需要折減加密骨材,而在垂向方向上則要折減所有的普通骨材[9]。

4)屬性均攤是以構件為單位進行處理的,而非直接處理把構件離散后的網格。因此直接基于強度有限元模型進行網格合并與屬性修改十分困難。

5)使用常規的手工建立FEM的方法雖然能夠重建網格模型,但缺點在于需要依靠人工提前計算每個單元特別是梁單元的屬性再定義至模型中去。這種傳統做法不僅耗時耗力,且容易由于人為的疏忽導致局部的屬性定義錯誤或者過度簡化,而且無法應對設計方案的變更。

因此,考慮基于3DE創建幾何模型,基于幾何進行理想化處理,再生成有限元模型。這樣不僅可以保障設計信息的連續性,最重要的是保障了均攤折減是基于設計對象由程序自動計算得出的。

2 具體實現方法

2.1 骨材處理

在得到每個桁材對象下的AdditionalSection(待均攤的骨材信息)之后,即可按照骨材等效原則進行新的骨材規格求解。其中根據規范可知骨材等效原則為

(1)

式中：n為搜索閾值范圍內骨材的數量,折減后的型材都采用T型材表示,其腹板高度為H(含面板厚度)、面板寬度為W、面板厚度為t1、腹板厚度為t2。αi為加權系數,不考慮骨材長度因素時皆可取1,考慮骨材長度因素時可取為第i根骨材的長度。Hi為第i根骨材的腹板高度(含面板厚度),Wi為第i根骨材的面板寬度,t1i為第i根骨材的面板厚度,t2i為第i根骨材的腹板厚度。

繼續采用Action將上述算術過程轉化為EKL代碼從而得出新的截面規格,存放于目標桁材對象下的NewSection字段中。

需要注意的是,骨材并不是只均攤至桁材對象上,還可能會均攤至同方向的艙壁上。因此,在Action遍歷模型對象時,還需要針對板材相交位置處,補充1根規格為FL1x1的虛擬桁材,就可以使得原來的知識推理邏輯能夠適用于艙壁的情況。

最終,如圖5所示,Action運行后使每一個桁材根據其NewSection字段自動更新其截面屬性。同時也可以將所有疊加后產生的新規格輸出為匯總表便于用戶檢查。

圖5 骨材折減機理示意

2.2 板材處理

圖6為典型的板架模型,其中板縫與桁材會錯開一定距離,此外還包括開孔信息。通過板縫將整個板架分為不同面域,分別對應至了圖中若干Plate對象。每個Plate對象對應其不同的厚度屬性。同時開孔對象也被作為一個獨立構件被存儲在板架集合下。

圖6 典型的均攤前板材模型

根據規范板材等效原則為板厚加權平均：

(2)

式中：t為等效平均后的板厚;n為1塊Panel中不同板厚的數量;ti為第i種板厚;Ai為第i種板厚的面積;AHi為第i種板厚的板中孔的面積。

要對板架進行理想化處理,需要涉及到板縫的調整,因此就會產生調整前后兩個狀態的板格,以及其對應的厚度屬性。顯然,當前的數據結構無法對上述步驟做到一一對應,因此對數據結構進行擴充,如圖7所示,在模型中開設臨時特征集(geometrical set)用于后續的理想化過程中不同的幾何求解步驟。

圖7 預處理得到的新舊板縫線

首先可以通過Action得到圖7所示的原板縫線對象OriginalSeam。基于桁材跡線得到新的板縫線NewSeam,兩者疊加得到BreakSeam。

如圖8所示,利用知識工程與模型的交互能力分解原板架生成曲面并對其映射原始厚度。

圖8 分解原板架的板格并映射厚度

而后按照得到新的板縫線將原板架進行曲面的重新分解如圖9所示,得到若干s1,s2,s3…等分解后的面片對象,并且在每個分解面下會添加原板厚屬性。

圖9 重新分解厚的板厚及其厚度

而后,基于新的板縫線,得到板厚均攤后的幾何。此時面域又被縮減為4個。因此根據上述s1.s2.s3…的分解結果重新按照新的區域合并子面域,并根據前后體積相同的原則計算出新的板厚。

如圖10所示,可以看到根據圖9中離散的7與9合并,2和8合并,3,4,5,6,10合并。最后根據新的板縫曲線,生成新的plate,并賦予對應合并后的屬性。

圖10 根據新的板縫分隔求解新的厚度

最后如圖11所示,將圖10通過幾何求解得到的結果再映射給同樣位置的plate對象,完成板格對象的處理。

圖11 將求解的新板厚重新賦給Plate對象

3 應用實例

以某客滾船為應用案例,基于船級社要求,網格尺寸要求為：船長與船寬方向上為骨材間距,需折減加密骨材;垂向上甲板間劃分為1個網格。由于船型特殊性,振動網格取非常規3S網格。初始全船結構模型如圖12所示,該模型基于強度網格大小,準確表達骨材、板厚、開孔等幾何與屬性信息。

圖12 初步全船結構模型

以某一分段為例介紹具體3DE振動網格生成過程。分段初始結構模型如圖13所示。

圖13 初步分段結構模型

根據本文所述流程,基于圖13的模型狀態運行Action,獲得圖14所示的分段振動三維模型。最后通過FEM轉模功能,轉為如圖15所示的有限元模型。可見,通過理想化后的幾何模型生成的網格質量較好,且屬性準確,見表1。

表1 強度模型與振動模型質量慣性矩比較

圖14 理想化后的分段結構模型

圖15 振動分段有限元模型

將上述步驟對每一個分段進行操作,可得到全船三維振動模型如圖16,全船強度與振動有限元模型可見圖17。該船強度有限元模型網格數量為90萬,節點數為45萬;經過簡化后的結構振動模型有限元網格數量為34萬,節點數量14萬,振動有限元模型在能夠反映結構的動力學特點的前提上,對模型進行了大幅簡化,可明顯提高有限元計算效率。

圖16 全船三維振動模型

圖17 全船有限元模型比較

分別在強度模型和振動模型中截取FR164～FR166段,FR165模型剖面如圖18所示,利用有限元軟件對此段模型進行質量慣性矩統計如表1所示。強度模型與振動模型質量慣性矩的誤差約為1.5%～2%,驗證了振動網格生成技術的可靠性。進行全船模態分析,獲得前三階固有頻率與模態如圖19所示,為正式的頻響分析計算提供了有效的振動模型。

圖18 強度模型與振動模型剖面比較

圖19 前三階振型與固有頻率

該客滾船實際案例應用表明,基于3DE知識工程的方法進行船體振動網格建模,能夠大幅減少人工計算工作量并有效提高建模效率。同時知識工程中知識與模型融合的特點可以有效支持船體模型分別輸出強度網格、振動網格。為實現船舶設計模型的“一模多用”提供了有益的技術基礎。

4 結論

1)以船體結構總體振動計算的仿真需求為背景,可以歸納出理想化程度高,種類多,幾何復用要求等實踐問題,進一步提煉了其中幾何前處理過程中的屬性均攤相關的技術問題,提出了一種基于知識工程的幾何前處理方法來應對多樣化的仿真需求。

2)基于KBE方法,將理想化原則通過知識表示與知識推理的方式與模型緊密結合在了一起,具體解決了：①由于骨材和桁材的均攤重新計算骨材規格問題;②由于板縫和開孔的調整重新計算板厚問題。相比于傳統的后臺化的二次開發,本方法使得理想化原則能夠更為靈活的應用在建模過程中,避免增加刻板的程序化運行。

3)利用KBE與CAD模型結合度高的特性,能夠基于構件對象分別實現了骨材和板材兩種均攤算法,該實現方法相比傳統的面向網格的手工處理方法更準確,也更能夠實現自動化,和數據的可追溯。通過一條客滾船的實踐案例從理想化前后的剖面模數和網格數量驗證了KBE方法的有效性。

4)所提出的方法不局限于單一的仿真場景,可以推論通過KBE進一步將不同仿真需求(例如,整體、局部、強度、屈曲、疲勞)提出的不同的理想化原則與模型進行整合,從而可以滿足工程設計中“一模多用”的需求,極大的增加幾何模型的復用性,降低工程成本。