劉江波，姜廣煜

(1.重慶海事局，重慶 400050;2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200135)

滑行艇整艇參數(shù)化有限元分析程序

劉江波1，姜廣煜2

(1.重慶海事局，重慶 400050;2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200135)

針對(duì)有限元建模的參數(shù)化程度不高、生成的模型不便于修改、重復(fù)的工作量大等問(wèn)題，提出船舶參數(shù)化有限元分析程序的解決方案，編寫了基于滑行艇整艇的參數(shù)化有限元分析程序，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)算，并與實(shí)例結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明本程序是可靠的，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

FEM;強(qiáng)度;參數(shù)化;滑行艇

在船舶結(jié)構(gòu)分析中引入大型有限元分析程序已經(jīng)取得很好的效果，但仍存在很多不足。對(duì)于主尺度、結(jié)構(gòu)形式一致的一系列船舶進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，僅僅是構(gòu)件幾何尺寸不同也需要重復(fù)建模，并且很難針對(duì)船型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

因此，筆者引入了參數(shù)化有限元分析程序的解決方案。該程序的主要原理是先運(yùn)用大型有限元程序ANSYS二次開發(fā)語(yǔ)言APDL［1］實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)建模、自動(dòng)賦值計(jì)算，然后利用編程語(yǔ)言VC++提供的接口對(duì)各參數(shù)和ANSYS進(jìn)行集成、封裝，形成有限元計(jì)算分析程序［2］。這樣就可以使參數(shù)化分析達(dá)到避免重復(fù)工作，節(jié)約計(jì)算時(shí)間的作用，并且獲得很好的精度，也能利用多次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

該方案的關(guān)鍵是引入了參數(shù)化的分析思想。用參數(shù)化模塊對(duì)前、后處理都進(jìn)行封裝，使有限元分析過(guò)程的全程參數(shù)化［3］。前處理模塊，對(duì)材料參數(shù)、幾何模型、網(wǎng)格大小、邊界條件，載荷等都利用參數(shù)化進(jìn)行賦值，從而只需改變參數(shù)的賦值就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模，后臺(tái)計(jì)算便能實(shí)現(xiàn)。后處理模塊，用戶根據(jù)所需，對(duì)后處理參數(shù)賦值即可自動(dòng)提出結(jié)果，打印出結(jié)果文檔。圖1是參數(shù)化有限元分析的基本流程。

圖1 參數(shù)化有限元分析流程Fig.1 Flow chart of parameterization

程序的主要工作是完成滑行艇的整艇參數(shù)化有限元分析。根據(jù)滑行艇力學(xué)特征及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提取參數(shù)，編制參數(shù)化分析模塊，從而達(dá)到相同船型、不同艇體的快速參數(shù)化有限元分析的目的。

1 程序的實(shí)現(xiàn)

按照 GJB 4000—2000《艦船船體規(guī)范》［4］(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中對(duì)滑行艇的要求，本文適用于下列特性的滑行艇:排水體積傅汝德數(shù)小于4.3，設(shè)計(jì)波高小于2.65 m，正常排水量小于300 t。

1.1 參數(shù)定義模塊

參數(shù)化有限元分析的基礎(chǔ)是參數(shù)定義模塊，其它功能模塊均需要使用此模塊定義的參數(shù)，正確的參數(shù)定義能使參數(shù)分析過(guò)程合理有效。參數(shù)定義模塊包括模型材料與實(shí)常數(shù)定義、結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義、網(wǎng)格控制參數(shù)、外載荷參數(shù)與約束參數(shù)定義［5］。對(duì)于參數(shù)是否確定分別用數(shù)組參數(shù)與變量參數(shù)來(lái)定義:如每個(gè)肋位的橫向坐標(biāo)由于肋位數(shù)的不確定，則采用數(shù)組參數(shù)來(lái)定義;船長(zhǎng)、船寬有確定數(shù)值，就采用變量參數(shù)來(lái)定義。

1.2材料賦值以及分網(wǎng)模塊

船體梁?jiǎn)卧?、殼單元分別選用了Beam 44和Shell 43單元。采用Desize命令定義默認(rèn)的網(wǎng)格大小，控制幾何建模時(shí)切割命令生成的每一段構(gòu)件的單元數(shù);用Lesize命令控制每一個(gè)面邊界的尺寸并使其與梁?jiǎn)卧叽缗浜蟻?lái)控制殼單元。通過(guò)上述的控制方法，最后得到了較為理想的網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格形狀99%為四邊形網(wǎng)格且分布均勻。另外，需要嚴(yán)格控制殼單元正法向方向與梁?jiǎn)卧较螯c(diǎn)。

1.3 幾何模型生成模塊

采用點(diǎn)、線、面的方式生成船體型表面［6］。首先利用命令生成每一肋位處的關(guān)鍵點(diǎn)，再用Lstr命令或者Bspline命令生成肋骨線，最后利用生成的肋骨線采用Askin命令包絡(luò)成舷側(cè)面、甲板面、船底面。最后用Aglue命令檢查面與面之間是否存在縫隙，是否在允許容差范圍內(nèi)。構(gòu)件則采用APDL中特有的切割功能，利用Asbw命令移動(dòng)工作平面(workplane)切割船體曲面，效率高并且可靠，可以保證曲面與構(gòu)件的無(wú)縫連接，減少建模出錯(cuò)的幾率。需要注意是，某些時(shí)候由于滑行艇艇艏曲面曲率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致建模失敗，這候只需適當(dāng)加大容差即可。

1.4 約束模塊

從滑行艇的滑行模式與受力分析出發(fā)，采用了如下的邊界條件:約束艏部水平中和軸與垂直中和軸相交處的節(jié)點(diǎn)繞 x，z的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度［7］，x向、y向、z向的位移自由度;約束艉部中和軸與垂直中和軸相交處節(jié)點(diǎn)繞x，z的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，y向、z向的位移自由度。

1.5 后處理模塊

通過(guò)后處理模塊，用戶可以快速讀取關(guān)心的結(jié)構(gòu)部位應(yīng)力。借助APDL語(yǔ)言的命令驅(qū)動(dòng)［8］，對(duì)后處理采用“批處理”的手段，用戶可以節(jié)約大量時(shí)間，也可以借助不同參數(shù)結(jié)果進(jìn)行比較分析。本程序不僅可以查看應(yīng)力圖，還可以通過(guò)自動(dòng)生成的報(bào)告得出最大的應(yīng)力值;不僅可以查看船體整體應(yīng)力水平，也可以查看最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。

2 程序構(gòu)架與界面

2.1 程序構(gòu)架

用VC++設(shè)計(jì)友好的參數(shù)輸入界面，利用Windows的消息控制功能實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS的啟動(dòng)，ANSYS運(yùn)行后能執(zhí)行程序提交的APDL模塊并自動(dòng)讀取參數(shù)賦值，自動(dòng)完成分析任務(wù)［9］。

程序主要完成的任務(wù)是:

1)接收前處理中輸入的參數(shù)賦值，按一定格式錄入txt文本中，供APDL的表格數(shù)組讀取;

2)將生成的APDL程序模塊提交給運(yùn)行中的ANSYS程序進(jìn)行批處理操作;

3)判斷ANSYS的批處理操作是否結(jié)束，打印結(jié)果文件，提示用戶進(jìn)行后處理操作;

4)查看批處理生成的圖片以及報(bào)告。

程序構(gòu)架見圖2。

圖2 程序構(gòu)架Fig.2 Program structure

2.2 界面設(shè)計(jì)

用戶只需在主界面輸入必要的參數(shù)即可進(jìn)行計(jì)算。使得不懂ANSYS的用戶也能使用。應(yīng)用該程序進(jìn)行滑行艇整艇有限元計(jì)算，大大減輕了用戶的計(jì)算工作量，提高了計(jì)算分析的效率。圖3、圖4分別是結(jié)果查看界面、參數(shù)輸入界面。

圖3 結(jié)果查看界面Fig.3 Output check interface

圖4 參數(shù)輸入界面Fig.4 Parameter input interface

3 工程應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證程序的可靠性，對(duì)一型滑行艇采用開發(fā)的程序HPFEA進(jìn)行整艇有限元計(jì)算。為了便于驗(yàn)證結(jié)果，計(jì)算與《滑行艇艇體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》［10］中例艇一致，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［10］中的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

3.1 計(jì)算結(jié)果

后處理模塊可以自動(dòng)生成各種應(yīng)力報(bào)告文檔以及應(yīng)力圖(圖5、圖6)，以便于用戶調(diào)用查看。

3.2 結(jié)果對(duì)比

《滑行艇艇體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》［10］中滑行艇艙段強(qiáng)度有限元分析程序(PCCSFEMA)對(duì)例艇機(jī)艙進(jìn)行了有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果輸出為梁?jiǎn)卧獜澢鷳?yīng)力和軸向拉壓應(yīng)力疊加而形成得合成應(yīng)力。筆者選取了機(jī)艙25#(圖7)肋位處的梁?jiǎn)卧獀on Mises應(yīng)力與之比較以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性。比較結(jié)果見表1。

圖7 25#肋骨剖面計(jì)算節(jié)點(diǎn)布置Fig.7 Node position of frame 25

表1 結(jié)果比較Tab.1 Result comparison

從表1中可以看出，除44號(hào)單元誤差較大外，其余單元誤差均在一定幅度范圍內(nèi)且變化趨勢(shì)一致。

4 結(jié)語(yǔ)

從工程實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，以通用有限元分析軟件ANSYS為平臺(tái)，運(yùn)用參數(shù)化分析方法開發(fā)了針對(duì)滑行艇的有限元分析程序。該程序可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模，自動(dòng)加載，自動(dòng)輸出計(jì)算結(jié)果的功能。通過(guò)實(shí)際模型計(jì)算驗(yàn)證了該程序的可靠性，并且具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

［1］Bush G.ANSYS Tutorials［DB/OL］.NewYork:ANSYS.Inc，2005［2005-09-26］.http://www.ansys.com/Support/Documentation.

［2］康博創(chuàng)作室.Visual C++6.0程序設(shè)計(jì)自學(xué)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999:88-152.

［3］ 龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:25-125.

［4］GJB 4000—2000艦船船體規(guī)范［S］.北京:國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1997.

［5］Muhanna R L，Ayyub B M，Bruchman D D.Uncertainty analysis of structural strength of stiff-ened panels［J］.Naval Engineers Journal，1996，108:399-418.

［6］Basu R I，Kirkhope K，Sirnivasan J.Guideline for evaluation of finite element and results［J］.Ship Structure Committee Reports，1996，387:25-28.

［7］ 朱珉虎.滑行艇的受力與強(qiáng)度［J］.中外船舶科技，2006，5(1):25-27.ZHU Ming-hu.Stress and strength of hydroplane［J］.Shipbuilding Science and Technology，2006，5(1):25-27.

［8］孫玉國(guó)，劉巡.基于APDL的柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性智能設(shè)計(jì)研究［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2003，5(2):23-24.

SUN Yu-guo，LIU Xun.Based on the dynamic characteristics of flexible structure APDL intelligent design research［J］.Noise and Vibration Control，2003，5(2):23-24.

［9］黎雪芬，黃菊花.基于PFEA法的板料成形工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.金屬成形工藝，2003，10(5):12-14.

LI Xu-fen，HUANG Ju-hua.Sheet metal forming process parameter optimization based on the PFEA method［J］.Metal Forming Process，2003，10(5):12-14.

［10］GJB/Z 31—1992滑行艇艇體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法［S］.北京:國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1992.

Research on Exploiting a Program to Analyze Hydroplanes FE Characteristics

LIU Jiang-bo1JIANG Guang-yu2
(1.Changjiang MSA ，Chongqing 400050，China;2.Marine Design ＆ Research Institute of China，Shanghai 200135，China)

In view of the facts such as low degree of parameterization，hard to modify，repeating work .etc.，the author proposed the solution of general routine to finish ships finite element analysis，and compiled general routine to proceed hydroplane FEA.In order to confirm the reliability of computed result，this article chose a hydroplane to carry on the computation and contrasted with result data on national standard.The contrast result showed this procedure is reliable and has the certain project application value.

FEM;strength;parameterization;hydroplane

U663.2

A

1674-0696(2011)03-0498-03

2010-11-22;

2011-01-18

劉江波(1981-)，男，四川眉山人，碩士，主要從事船舶檢驗(yàn)、管理方面的工作。E-mail:paladinlau@hotmail.com。