張 偉 陳 磊
(中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011)
NAPA STEEL 是芬蘭NAPA公司開發(fā)的船舶設計軟件包中的結構設計模塊,其主要功能有結構快速建模、二維輔助出圖、質量統(tǒng)計、船級社軟件接口及有限元模型輸出等。利用NAPA STEEL進行船體結構輔助設計在行業(yè)內已有了一些研究介紹[1-5]。
2012年至2013年,我院在兩條萬箱級集裝箱船的結構設計中利用NAPA STEEL軟件進行結構輔助設計,最終實現(xiàn)了設計效率和水平的提高。
所謂參數(shù)化就是將設計過程中的數(shù)據(jù)用靈活可變的參數(shù)來表示,以便根據(jù)實際情況隨時加以更改。由于集裝箱都是采用標準化尺寸,對于相似尺度的集裝箱船盡管會在箱位布置上有些差異,但參數(shù)化后的集裝箱船結構模型可以對總體專業(yè)的修改做出快速響應;同時對后續(xù)船也可以很快實現(xiàn)模型修改,從而縮短后續(xù)船的設計周期。因此,在大型集裝箱船上使用NAPA STEEL軟件進行參數(shù)化三維設計較其他船型具有先天的優(yōu)勢。
NAPA 自2011.1版本開始推出了針對集裝箱船結構快速建模的Container Manager,與其他NAPA中的Manager相似,只需按照流程樹操作,便可完成集裝箱船的主要結構建模。由于在使用Container Manager之前,只需要總體專業(yè)提供全船艙室的幾何模型和平臺、縱艙壁的幾何參考面,因此在結構設計的初期階段便可使用該Manager進行建模,以得到初步的結構設計方案。同時,由于在整個流程中大量使用了參考坐標,后期利用拓撲關系可以快速修改設計方案。
圖1是Container Manager的流程樹。從圖中可以看出,建模的流程為:基本數(shù)據(jù)定義(參考坐標系、強框間距、STR表、貨艙、參考結構面),船體主要結構建模(外板、強框、底部肋板、甲板、縱艙壁、底部縱桁、橫艙壁,艙口圍)。其中船體主要結構建模有相類似的過程,首先在Manager中根據(jù)之前定義好的參考坐標系和參考結構面,生成初步的Surface Object,將其歸入對應的STR表,然后根據(jù)實際情況在Manager或NAPA STEEL中對這些Object做適當?shù)男薷摹D2是通過交互式建模對縱艙壁進行修改的示意圖,NAPA STEEL在顯示參考坐標的同時也包含捕捉功能,大大提高了建模的便捷性和準確性。
圖1 Container Manager流程樹
圖2 Container Manager縱艙壁的交互式建模
根據(jù)以上介紹,在Container Manager中只能得到一個較為簡單的主船體結構模型,有些Surface Object還需修改,同時板材并不包含板縫、板厚、材料、加強筋等信息,這些工作都需在NAPA STEEL模塊中進一步完善。這里主要的工作是添加一些在Manager中無法定義的Surface Object,例如首尾區(qū)域、機艙區(qū)域中的局部結構以及在Surface Object上添加扶強材等信息。根據(jù)使用經(jīng)驗,創(chuàng)建Surface Object時有如下建議:
(1)合理使用參考坐標。參考坐標包含參考坐標系、幾何參考面等,通過拓撲關系減少后期的修改量。
(2)規(guī)范Surface Object和其幾何參考面的命名。對結構進行分類,方便后期的查找及修改。
(3)運用Macro減少重復工作。通過NAPA語言編制相應的宏,運用循環(huán)語句,快速定義邊界相似的結構。
(4)利用NAPA STEEL界面工具進行交互式建模。利用這些工具可以進行Surface Object的復制、對稱等操作,方便相同參考坐標結構的建模。
(5)把生成的Surface Object定義存至Text文檔中,以便后期查找及修改。
在Surface Object的建模工作完成后,需要在Surface Object上添加扶強材、肘板、開孔、板厚、材料等屬性信息,也給出如下建議:
(1)每類信息都以表格形式存在,不同的Surface Object可以共同使用一個表格來定義信息。合理使用共用表格可以節(jié)省建模時間。
(2)定位的時候運用參考坐標,盡量避免使用絕對坐標,方便后期的查找及修改。
圖3 目標船的三維結構模型
(3)運用Macro命令添加信息至表格,充分利用NAPA自帶的循環(huán)語句。
在完成NAPA STEEL 結構模型之后,就可以利用該三維模型數(shù)據(jù)庫完成如二維出圖、質量統(tǒng)計、導入船級社軟件和生成有限元模型等任務。然而各項任務對于模型的要求(主要體現(xiàn)在精細程度上)是不同的,比如質量統(tǒng)計、二維出圖等,要求模型盡可能地反映實際結構,而如果是利用NAPA STEEL模型導出全船有限元模型,由于僅要粗網(wǎng)格模型(網(wǎng)格為強框至強框),對于很多結構都要進行簡化處理,與實際結構會有不小的出入,因此基于NAPA軟件目前的情況,對于不同的任務使用同一個模型數(shù)據(jù)庫是不合適的。根據(jù)現(xiàn)在的使用經(jīng)驗,質量統(tǒng)計、二維出圖和導入船級社軟件可共用一個數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫和總體專業(yè)共同使用。全船有限元建議單獨用一個數(shù)據(jù)庫,由于設計過程中結構形式的修改會影響到全船有限元結果的評估,因此,可通過使用共用數(shù)據(jù)庫表格替換本數(shù)據(jù)庫的表格來完成,從而保證兩個數(shù)據(jù)庫的屬性一致。
NAPA STEEL二維出圖的主要功能是輔助進行詳細設計出圖,可以通過Drawing Manager進行控制實現(xiàn)。在其中可以對導出的二維圖紙的線型、圖層等進行控制,便于導入AutoCAD后進行修改。
對于質量統(tǒng)計,在初步設計階段,可利用Container Manager進行全船的初步快速建模,建模對象主要是船體的主要構件,局部構件可通過加權系數(shù)等考慮。這樣,通過NAPA STEEL可以得到全船結構的質量、質心預估結果,使設計人員在設計初期就能得到一個相對準確的空船質量和質心。隨著設計深入,模型可以添加更多的細節(jié),例如更詳細的扶強材、肘板、開口、板縫和材料等信息,使得結構質量的統(tǒng)計更詳細并趨于精確。表1是初步設計階段目標船某分段NAPA STEEL模型與船廠最終TRIBON模型在質量與縱向質心上的比較。從表中可以發(fā)現(xiàn),兩者質量偏差在5%左右,縱向質心偏差更小,說明NAPA STEEL 可以讓設計人員在設計初期對質量、質心有一個大致的了解。
表1 NAPA STEEL與TRIBON質量統(tǒng)計比較
NAPA 自2011.1版本開始增加了新的Interface to Rules Manager[6],目前版本支持將 NAPA STEEL模型導入 LR、DNV和GL三家船級社的規(guī)范計算軟件。
在本次項目中,我們將NAPA STEEL與這三家船級社的規(guī)范軟件的接口都進行了嘗試,以DNV/Nauticus軟件為例,圖4的流程圖為將NAPA STEEL模型信息導入Nauticus軟件的流程圖。
圖4 NAPA STEEL模型導入Nauticus軟件流程圖
通過嘗試,發(fā)現(xiàn)導出的結果不甚理想,最關鍵的問題是結構屬性信息有所丟失,并不適宜直接利用其導出的文件進行規(guī)范計算。隨著NAPA公司對其軟件的更新,相信此項功能會逐步完善。據(jù)了解,NAPA公司與NK船級社合作,在該Manager中加入了對NK船級社規(guī)范計算軟件的支持。
通過在Container Manager中快速建模及在NAPA STEEL中對部分Surface Object做修改,便可生成有限元模型。NAPA中可以導出Global、Local、Fine三類有限元模型,本項目導出的是全船的Global模型,各參數(shù)主要是通過FEMDEF表格來控制,包括網(wǎng)格大小,四邊形比重,邊界處的網(wǎng)格長度等,詳細內容可以參看軟件幫助[4]。
目前,NAPA STEEL可以導出后綴名為.out和.bdf的文件供Patran,Ansys等有限元軟件進行下一步處理。其中.bdf文件中的扶強材是包含截面形狀的,而在.out文件中包含模型的分組信息。導出的有限元模型在后期還需作如下修改:
(1)網(wǎng)格形狀。由于NAPA的網(wǎng)格是依靠軟件計算自動生成的,雖然可以進行一些參數(shù)的控制,但如果生成的模型非平行中體段,某些線型變化較大位置的網(wǎng)格還是需要手工調整,以滿足計算的要求。
(2)加強筋的均攤。由于全船有限元的間距為強框到強框,因此大部分加強筋都會攤到相鄰的網(wǎng)格邊界上去。NAPA STEEL中在創(chuàng)建加強筋時也可以作相應設置,但在導出有限元模型時,發(fā)現(xiàn)有時在兩個節(jié)點間可能存在不止1根加強筋,這樣導出的模型如果用MSC/Nastran求解器沒有問題,但某些船級社軟件則視其存在錯誤,無法計算。另外,加強筋可能并不往最近的有限元網(wǎng)格邊界上均攤。
(3)檢查重復單元及自由邊。
圖5 目標船首部有限元模型示意圖
(1)利用NAPA最新的Container Manager可以快速對集裝箱船的主要結構進行參數(shù)化建模,在結構初步設計階段,可以對總體專業(yè)的修改(如線型、箱位)做出快速響應,以完成初步的方案設計。
(2)在NAPA STEEL中通過使用參考坐標,可以完成集裝箱船大部分結構(板、扶強材、開孔、肋板等)的參數(shù)化建模,本文摸索出一套快速有效的建模方法。
(3)利用NAPA STEEL結構數(shù)據(jù)庫可進行基本結構二維出圖、質量統(tǒng)計、有限元輸出等任務,還能將剖面信息導入船級社軟件中進行規(guī)范描述性校核,為后期的詳細設計奠定基礎,并可進行靈活的修改以實現(xiàn)二維圖紙、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、有限元模型及信息輸出的實時更新。
[1] 管義鋒,王劍.基于 NAPA STEEL 的船體結構參數(shù)化建模研究[J].船舶工程,2009 (5):37-39.
[2] 袁俊.基于NAPA STEEL 在船舶研發(fā)和設計中的應用[J].船舶設計通訊,2007(2):43-46.
[3] 張瑞瑞,謝云平,包國治.基于NAPA 的船舶結構設計方法研究[J].船舶工程,2010(5):44-46.
[4] 姜廣煜,謝云平,劉可峰,等.基于NAPA大寬深比船舶總縱強度計算方法及分析[J].江蘇科技大學學報(自然科學版),2007(S1):21-23.
[5] 張志軍.NAPA概述及NAPA船體模型的建立[J].船舶設計通訊,2003(Z1):36-40.
[6] NAPA Limited Liability Company.NAPA Manuals [S].2011.