董旭靜 蒙昌松 雷雪華

(廣船國際技術(shù)中心)

0 前言

有限元分析在現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)中占有重要位置，且建模工作時(shí)間占整個(gè)有限元分析的比例相當(dāng)大，各船級(jí)社均開發(fā)了不同有限元軟件，皆有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)船體這樣大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而言，探索一種快捷、便于修改的建模方法是非常有必要的。為此，我們根據(jù)對(duì)多個(gè)軟件及多型船的建模經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一套比較高效的建模方法。

1 船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

船體結(jié)構(gòu)為板梁組合結(jié)構(gòu)，外板為復(fù)雜的曲面，中部結(jié)構(gòu)一般比較規(guī)則，在艏、艉、機(jī)艙區(qū)域，線型變化比較大，外板骨材的布置也不規(guī)則，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通常為了加快有限元分析進(jìn)度，在詳細(xì)設(shè)計(jì)初始階段就開始建有限元模型，而在設(shè)計(jì)期間又存在艙室、平臺(tái)、艙壁等方面的反復(fù)修改，給建模及修改帶來了很大的難度，本文基于這些特點(diǎn)及問題，探索一種高效的有限元建模方法。

2 船體有限元建?，F(xiàn)狀

各船級(jí)社均開發(fā)有限元計(jì)算軟件，這些軟件建模方法可分為兩種，一種為直接用有限元網(wǎng)格建模，另一種為建立幾何模型后通過軟件自動(dòng)劃網(wǎng)格。直接以網(wǎng)格為基礎(chǔ)的方法建模及修改模型效率比較低，而使用幾何模型生成網(wǎng)格，對(duì)模型質(zhì)量要求非常高，否則容易產(chǎn)生大量的畸形網(wǎng)格，修改模型也易產(chǎn)生各種錯(cuò)誤，也有可能導(dǎo)致模型報(bào)廢。

3 聯(lián)合CATIA 及FAST TRACK 軟件建模

通過對(duì)各有限元軟件使用及總結(jié)，我們選擇了CATIA 及FAST TRACK 兩款軟件進(jìn)行有限元建模，可以極大的提高建模效率?，F(xiàn)以某客滾船為例展示并分析軟件的特點(diǎn)，將兩款軟件優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)。

3.1 CATIA 有限元建模應(yīng)用

CATIA 軟件的SFD（Structure Functional Design）為通過建模幾何模型后自動(dòng)劃分有限元網(wǎng)格的專用模塊。其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面：第一，CATIA 相比其他幾何模型轉(zhuǎn)網(wǎng)格有限元軟件，其無論是實(shí)體還是曲面，做到了變量及參數(shù)化混合建模，極大的提高了建模效率；第二，無論是平面還是曲面建模，CATIA 提供了智能化的樹結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者可方便快捷的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)修改；第三，船體外板線型比較復(fù)雜，CATIA 對(duì)生成曲面SURFACE 的操作方式較多，對(duì)不光順曲面可以逆向工程編輯曲面，生成曲面質(zhì)量高，其建模方式比較簡(jiǎn)單，通過參考曲面SURFACE 定義邊界即可快速生成曲面板架，能處理復(fù)雜的曲面建模；第四，SFD 模塊劃分網(wǎng)格質(zhì)量較好，因其幾何模型有強(qiáng)拓?fù)潢P(guān)系，所以極少會(huì)出現(xiàn)畸形網(wǎng)格。

3.2 FAST TRACK 模型修改應(yīng)用

FAST TRACK 為一款非常優(yōu)秀的有限元建模軟件，其針對(duì)船舶行業(yè)開發(fā)了多項(xiàng)功能，如自動(dòng)分組、自動(dòng)優(yōu)化網(wǎng)格、細(xì)化網(wǎng)格、自動(dòng)合并規(guī)格材質(zhì)、自動(dòng)檢查模型問題等，可以非常便捷的修改CATIA導(dǎo)出有限元模型出現(xiàn)的問題，經(jīng)過FAST TRACK修改的模型可導(dǎo)入各船級(jí)社軟件進(jìn)行計(jì)算。

聯(lián)合CATIA 及FAST TRACK 建模步驟，見圖1。

3.3 CATIA 模型更新

使用CATIA 建模時(shí)，應(yīng)充分應(yīng)用其模型間的拓?fù)潢P(guān)系。本船在使用CATIA 建模完成后，從一甲板至十二甲板高度均做了修改，且機(jī)艙及貨船雙層底各艙室也進(jìn)行了調(diào)整，如果使用常規(guī)有限元軟件建模，如此大的修改，相當(dāng)于重新建立有限元模型，而應(yīng)用CATIA 模型的拓?fù)潢P(guān)系，僅修改各甲板及艙壁的參考面，便可做到模型自動(dòng)更新，且不會(huì)出現(xiàn)模型錯(cuò)誤，極大的降低了模型修改的工作量。CATIA 全船有限元模型見圖2。

圖1 有限元建模步驟

圖2 有限元模型

3.4 FAST TRACK 網(wǎng)格優(yōu)化

CATIA 外板SURFACE 需要平邊線、平底線等控制，在劃網(wǎng)格時(shí)該線條成為網(wǎng)格控制線，無法消除，見圖3。

圖3 CATIA 外板網(wǎng)格

如圖3 可見，如果手工修改網(wǎng)格，則工作量非常大。而利用FAST TRACK 軟件REMESH 功能，設(shè)定單元格規(guī)格，選取需要優(yōu)化的單元格區(qū)域可實(shí)現(xiàn)一鍵優(yōu)化，見圖4。

圖4 優(yōu)化后的網(wǎng)格

3.5 FAST TRACK 材質(zhì)規(guī)格修改

因各有限元軟件的接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，模型經(jīng)過導(dǎo)出、導(dǎo)入后，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)型材、板材規(guī)格等命名的更換，見圖5。

圖5 導(dǎo)入FAST TRACK 后的命名

而FAST TRACK 是各有限元軟件中唯一能夠按屬性自動(dòng)命名的軟件。可先通過Property Value Edit 功能對(duì)板材進(jìn)行重新命名，并選擇添加材質(zhì)，見圖6。通過Modify physical Property 功能對(duì)型材重新命名并添加材質(zhì)，見圖7。

由于CATIA 每建一個(gè)結(jié)構(gòu)，會(huì)新生成一個(gè)板或者型材規(guī)格的名稱，這樣導(dǎo)入FAST TRACK 后就形成非常多的規(guī)格名稱，而在重新命名后，通過Merge Versions 功能可自動(dòng)合并相同屬性的規(guī)格名稱,見圖8。

3.6 FAST TRACK 模型檢查

一般從幾何模型劃分為網(wǎng)格后，部分結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)布置、幾何模型局部錯(cuò)誤等問題，會(huì)導(dǎo)致畸形網(wǎng)格、自由邊，或漏賦屬性、重復(fù)單元等問題。CATIA 相比其他從幾何模型轉(zhuǎn)網(wǎng)格的有限元軟件，因其有拓?fù)潢P(guān)系，出現(xiàn)此類錯(cuò)誤較少，但由于建模錯(cuò)誤仍會(huì)出現(xiàn)相關(guān)問題。這時(shí)通過FAST TRACK的Model Diagnosis 功能可以快速檢查各類模型錯(cuò)誤并將各類型錯(cuò)誤自動(dòng)分組，可非常便捷的修改模型，見圖9。

3.7 FAST TRACK 模型分組

通常有限元建模需要將單元格分組以便于查看、修改、計(jì)算等，通過FAST TRACK 的Auto Create Group 功能按外板、橫向、縱向、水平可比較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分組，亦可按需要手工修改分組，分組后導(dǎo)出“ses”格式文件，該文件可導(dǎo)入各船級(jí)社有限元軟件使用，見圖10。

圖6 自動(dòng)修改板材規(guī)格名稱

圖7 自動(dòng)修改型材規(guī)格名稱

圖8 合并相同規(guī)格

圖9 模型檢查

圖10 模型分組

經(jīng)FAST TRACK 對(duì)有限元模型進(jìn)行修改，可直接保存為“BDF”格式，各船級(jí)社軟件均有該格式模型導(dǎo)入的接口或轉(zhuǎn)換程序，也可在該“BDF”加載后用NASTRAN 求解器進(jìn)行計(jì)算, 生成“OP2”文件后導(dǎo)入FAST TRACK 查看結(jié)果及自動(dòng)出有限元計(jì)算報(bào)告。

通過在某客滾船有限元分析中聯(lián)合使用CATIA 及FAST TRACK，對(duì)比原計(jì)劃客滾船全船有限元建模使用PATRAN 建模，需配備6 個(gè)人同時(shí)建模，且人均約需要80 個(gè)工作日，而使用CATIA及FAST TRACK 聯(lián)合建模，按照以上總結(jié)的步驟和方法，只需配備4 個(gè)人，在圖紙完善的情況下約人均40 個(gè)工作日即可完成建模任務(wù)，可見該方法可極大的提高有限元建模效率。

4 結(jié)束語

通過聯(lián)合使用多個(gè)軟件進(jìn)行有限元分析，不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將有限元分析工程師的大部分工作從繁重、低效的建模任務(wù)中解放出來，節(jié)省出大量的時(shí)間用于結(jié)果分析，可極大的提高了設(shè)計(jì)工程師單位工時(shí)的含金量，有充足的時(shí)間進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、降低空船重量等工作，最終實(shí)現(xiàn)降低產(chǎn)品成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)。