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(1.中國船舶科學(xué)研究中心, 江蘇 無錫 214082;2.中國船級(jí)社上海規(guī)范研究所,上海 200135)

艙口蓋的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核主要采用有限元直接計(jì)算法，根據(jù)規(guī)范修改有限元模型中相關(guān)參數(shù)，循環(huán)反復(fù)多次，不斷調(diào)整設(shè)計(jì)方案直至滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。有限元模型的建立和修改占用了整個(gè)設(shè)計(jì)周期較大的比例[1]?！朵撡|(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》[2]中對(duì)艙口蓋強(qiáng)度的新要求，需要驗(yàn)證的構(gòu)件種類多，網(wǎng)格質(zhì)量要求的細(xì)節(jié)也較為復(fù)雜。所以需要開發(fā)相應(yīng)的艙口蓋快速建模程序來減輕工作量[3]。為了快速準(zhǔn)確地為艙口蓋設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)估提供技術(shù)服務(wù)，本文針對(duì)艙口蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，人機(jī)界面采用PCL，基于Patran平臺(tái)開發(fā)操作性強(qiáng)的艙口蓋參數(shù)化建模軟件，以實(shí)現(xiàn)幾何建模和網(wǎng)格劃分的自動(dòng)化。

1 流程設(shè)計(jì)

Patran的二次開發(fā)功能基本能實(shí)現(xiàn)手工可實(shí)現(xiàn)的建模流程，經(jīng)對(duì)開式和閉式等若干常規(guī)艙口蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及建模過程研究，將艙口蓋分解為幾個(gè)主要構(gòu)件獨(dú)立設(shè)計(jì)，幾何模型建立后依次進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分。根據(jù)校核公式編寫程序，求出設(shè)計(jì)載荷并自動(dòng)添加；依據(jù)規(guī)范實(shí)現(xiàn)艙口蓋邊界條件自動(dòng)設(shè)定。使用Patran結(jié)果管理功能，快速生成云圖，保證一定靈活性[4-5]。

程序設(shè)計(jì)的參數(shù)化建模流程見圖1。

圖1 艙口蓋參數(shù)化建模流程

按類型將艙口蓋分為單塊和多塊，多塊的情況按塊數(shù)分組為多個(gè)單塊，建模方法視為多個(gè)單塊。根據(jù)艙口蓋的閉合方式分為開式和閉式。區(qū)別就是閉式無需建底板，程序建模功能模塊按構(gòu)件分為頂板、底板、主要支撐構(gòu)件、扶強(qiáng)材、裙板、肘板、支撐塊、限位塊，分別設(shè)計(jì)定制參數(shù)化建模界面，在Patran中創(chuàng)建默認(rèn)的Groups，并在后臺(tái)保存和管理幾何模型及后續(xù)劃分出來的有限元網(wǎng)格。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

2.1 頂板底板

頂板建模提供3種方式，以適應(yīng)多種艙口蓋頂板或底板的創(chuàng)建。①輸入頂板起始位置坐標(biāo)及長寬等參數(shù)創(chuàng)建；②選擇基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置面板長寬，根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)創(chuàng)建；③選擇基準(zhǔn)邊，設(shè)置板面寬度，根據(jù)基準(zhǔn)線創(chuàng)建。根據(jù)圖紙上實(shí)際參數(shù)的標(biāo)定，輸入相應(yīng)參數(shù)完成頂板建模?；鶞?zhǔn)邊創(chuàng)建頂板的方式，默認(rèn)沿X方向平鋪，頂板高度位置為0，底板為負(fù)值；底板與頂板建立方式一致，厚度不同時(shí)，輸入不同的縱向位置重復(fù)創(chuàng)建以便屬性的設(shè)置。

2.2 裙板

根據(jù)裙板的腹板高度和面板朝向，自動(dòng)創(chuàng)建裙板模型，并將創(chuàng)建的幾何模型添加到相應(yīng)的組中。建模時(shí)，以基準(zhǔn)邊作為裙板的一邊沿Z向向下創(chuàng)建裙板腹板。裙板的腹板和面板分別創(chuàng)建。

2.3 主要支撐構(gòu)件

主要支撐構(gòu)件是艙口蓋模型中比較復(fù)雜的構(gòu)件，大多是變截面的，即腹板中間位置會(huì)比較高，到兩端會(huì)慢慢變小如T型、L型、I型以及箱型。據(jù)統(tǒng)計(jì)腹板有等高、截面端部變小、截面端部變大等多達(dá)11種幾何形狀(見圖2)，并且存在兩端不對(duì)稱的情況，面板也有端部凸起、端部削斜等8種形狀。其中，L型支撐構(gòu)件還存在設(shè)定面板L的朝向問題。

圖2 主要支撐構(gòu)件腹板

在主要支撐構(gòu)件腹板上創(chuàng)建局部坐標(biāo)系，以頂板或底板上X/Y向連續(xù)的直線作為基準(zhǔn)邊，根據(jù)截面參數(shù)計(jì)算出腹板及面板的輪廓線，利用Create/Surface/Curve(Edge)等方法創(chuàng)建主要支撐構(gòu)件的幾何面。以枚舉的形式將常規(guī)艙口蓋中常用主要支撐構(gòu)件類型列出，在設(shè)計(jì)艙口蓋時(shí)可根據(jù)圖紙中主要支撐構(gòu)件的腹板和面板實(shí)際類型組合創(chuàng)建。對(duì)于等間距和同截面類型的主要支撐構(gòu)件用復(fù)制的方式實(shí)現(xiàn)批量創(chuàng)建，見圖3。

圖3 主要支撐構(gòu)件建模流程

2.4 扶強(qiáng)材和肘板

普通扶強(qiáng)材分為X、Y向，根據(jù)基準(zhǔn)邊(如頂板)、設(shè)置間距等參數(shù)，自動(dòng)創(chuàng)建扶強(qiáng)材幾何模型(Curve)；創(chuàng)建出的扶強(qiáng)材與選定的基準(zhǔn)邊平行，長度一致。肘板建模包括箱腳肘板、T型材肘板等，采用基準(zhǔn)點(diǎn)加基準(zhǔn)面和方向的方式設(shè)定參數(shù)。在肘板所處位置創(chuàng)建局部坐標(biāo)系，根據(jù)箱腳在X方向上的長度及肘板與X坐標(biāo)夾角的度數(shù)創(chuàng)建三角形幾何平面，見圖4。

圖4 肘板示意

2.5 支撐塊和限位塊

單塊艙口蓋或多塊艙口蓋在分析時(shí)需要在支撐塊或限位塊上設(shè)置邊界條件。例如,支撐塊約束Z向位移、限位塊約束所限位方向的位移(y+/y-)。因此建模時(shí)根據(jù)支撐塊節(jié)點(diǎn)、限位塊節(jié)點(diǎn)，以及鉸鏈的位置，自動(dòng)生成支出艙口蓋外面的一列板格。創(chuàng)建支撐限位塊時(shí)，艏端(X+)沿X正方向創(chuàng)建；艉端(X-)沿X負(fù)方向創(chuàng)建；左舷(Y+)沿Y正方向創(chuàng)建；右舷(Y-)沿Y負(fù)方向創(chuàng)建，見圖5。

圖5 支撐限位塊示意

2.6 材料屬性

屈曲屈服強(qiáng)度校核所需的材料屈服應(yīng)力，程序利用PCL設(shè)計(jì)界面，設(shè)置保存在Patran的DB中以便在后續(xù)的校核中提取。根據(jù)梁截面參數(shù)和板厚，自動(dòng)創(chuàng)建梁截面、設(shè)置梁?jiǎn)卧屏俊⒏鶕?jù)單元所屬構(gòu)件類型自動(dòng)扣除減?。徊⒅С峙吭O(shè)置單元屬性。

3 網(wǎng)格自動(dòng)劃分

網(wǎng)格按默認(rèn)的200～300 mm，頂板底板上根據(jù)扶強(qiáng)材間距，兩條扶強(qiáng)材之間兩個(gè)單元。通過將扶強(qiáng)材的幾何模型(Curve)，作為硬線關(guān)聯(lián)到頂板 (Surface)上，并計(jì)算單元個(gè)數(shù)，沿扶強(qiáng)材方向和頂板/底板垂直于扶強(qiáng)材的邊界上撒種，控制單元質(zhì)量。在反復(fù)進(jìn)行手工網(wǎng)格劃分測(cè)試的基礎(chǔ)上，結(jié)合PCL二次開發(fā)技術(shù)，提出自動(dòng)網(wǎng)格劃分流程。

步驟1。將主要支撐構(gòu)件和頂板連接邊創(chuàng)建為一條直線作為網(wǎng)格劃分的輔助線[6]，并用Associate/Curve/Surface方法將輔助線和頂板關(guān)聯(lián)。

步驟2。提取頂板上的扶強(qiáng)材(Curve)，并用Associate/Curve/Surface方法將扶強(qiáng)材和頂板關(guān)聯(lián)，見圖6。

圖6 硬線關(guān)聯(lián)

步驟3。將頂板垂直于扶強(qiáng)材方向的邊，根據(jù)扶強(qiáng)材間距并結(jié)合規(guī)范中網(wǎng)格尺寸要求，計(jì)算種子個(gè)數(shù)并撒種，見圖7。

圖7 頂板撒種

步驟4。利用Create / Mesh / Surface(IsoMesh)方法創(chuàng)建頂板四邊形單元，見圖8。

圖8 頂板網(wǎng)格劃分

步驟5。根據(jù)扶強(qiáng)材長度計(jì)算單元個(gè)數(shù)，利用Create / Mesh Seed / Curve Based方法創(chuàng)建扶強(qiáng)材和主要支撐構(gòu)件頂板邊上的Mesh Seeds，見圖9。

圖9 扶強(qiáng)材網(wǎng)格劃分

步驟6。在主要支撐構(gòu)件底部邊上撒種，種子個(gè)數(shù)和頂板邊一致，見圖10。

圖10 支撐構(gòu)件腹板撒種

步驟7。劃分主要支撐構(gòu)件腹板網(wǎng)格，其中變截面腹板的三角區(qū)域，采用三條邊分別根據(jù)相鄰結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)撒種的方法定制劃分方法，見圖11。

圖11 支撐構(gòu)件腹板網(wǎng)格劃分

步驟8。劃分主要支撐構(gòu)件面板、扶強(qiáng)材、肘板網(wǎng)格；

步驟9。合并重復(fù)節(jié)點(diǎn)并對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化[7-8]。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 模型參數(shù)

No.10艙口蓋位于船中部，中心艉垂線約114 m,由三塊艙口蓋構(gòu)成,相對(duì)于船體中縱剖線左右對(duì)稱。第1塊艙蓋的大小為12.88 m×10.20 m,第2塊和第3塊相對(duì)于船中縱剖線對(duì)稱，大小為12.88 m×12.98 m。由橫向箱型強(qiáng)橫梁和縱向T形強(qiáng)構(gòu)件以及橫向和縱向加強(qiáng)筋支撐，見表1。

表1 艙口蓋參數(shù)

4.2 載荷設(shè)定

每一個(gè)載荷節(jié)點(diǎn)包含Az、Bz、By3種Force力，作用的方向按船體的坐標(biāo)。x船長方向，y兩舷方向，z深度方向，適用于艙口蓋上裝載集裝箱，當(dāng)集裝箱堆裝在艙口蓋上，圖12為由縱搖、垂蕩和橫搖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的載荷。

圖12 集裝箱載荷施加示意

(1)

(2)

By=2.4·M

(3)

式中：av——加速度；

M——最大設(shè)計(jì)集裝箱堆垛質(zhì)量，t；

hm——在艙口蓋支撐以上的集裝箱堆垛重心的設(shè)計(jì)高度，m；

b——箱腳中心線間的距離，m；

Az、Bz——集裝箱垂向堆角支反力，kN；

By——集裝箱橫向堆角支反力，kN。

利用程序?qū)δ臣b箱船的第10艙口蓋進(jìn)行參數(shù)化建模，該艙口蓋頂板下設(shè)縱桁、橫梁和次要扶強(qiáng)材，通過支承塊擱置在艙口圍板上承受載荷。依據(jù)規(guī)范對(duì)參數(shù)化建模形成的模型手工施加集裝箱載荷后，可以提交Nastran計(jì)算并得到應(yīng)力結(jié)果(見圖13)，為驗(yàn)船師后續(xù)的規(guī)范校核分析提供依據(jù)。

5 結(jié)論

1)基于Patran平臺(tái)利用PCL語言開發(fā)的程序，能夠取代純手工操作，實(shí)現(xiàn)常規(guī)類型艙口蓋模型的參數(shù)化幾何建模。

2)文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)開發(fā)了艙口蓋參數(shù)化建模程序，但是只支持有兩根以下中間橫梁，本文設(shè)計(jì)的程序解決了這一問題，可支持多橫梁的情況。

3)網(wǎng)格劃分模塊，本文采用硬點(diǎn)硬線和撒種的方式解決網(wǎng)格匹配問題，但是在實(shí)際運(yùn)用中，有些類型的艙口蓋在進(jìn)行硬線綁定時(shí)會(huì)失敗而導(dǎo)致網(wǎng)格劃分異常，需要進(jìn)一步深入研究解決。

4)此程序已經(jīng)作為一個(gè)建模工具納入CCS的規(guī)范校核軟件體系中，在一定程度上減輕了審圖驗(yàn)船人員的重復(fù)建模工作。

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