張志康，劉 戈，陳樂昆，李 闖，張思航，孫明宇

(1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,上海 200011；2.中國船舶集團(tuán)有限公司系統(tǒng)工程研究院,北京 100000)

0 引言

有限元分析是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要的校核方法，一般包括艙段有限元分析和全船有限元分析。在強(qiáng)度分析時，艙室內(nèi)部水壓力載荷的施加和構(gòu)件腐蝕扣除的確定均與艙室相關(guān)，因此艙室定義是必不可少的環(huán)節(jié)。

手動搜索艙室空間的邊界單元，不僅費(fèi)時費(fèi)力，效率低下，而且還容易出錯。尤其是近年來《散貨船和油船共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》（HCSR）生效后，規(guī)范對散貨船和油船的艙段校核范圍要求由中間貨艙擴(kuò)展到全船各貨艙[1]，不僅工作量加重，而且船首和船尾區(qū)域的線型變化劇烈，給艙室定義增加了難度。此外，對于集裝箱船、客滾船和豪華郵輪等需進(jìn)行全船有限元計算的船型，每條船需定義的各類大小艙室多達(dá)上百個，非?？简炘O(shè)計人員的體力與耐心。因此，急需實用、高效和智能的艙室自動識別算法和程序，以期能夠縮短操作時間，提升設(shè)計人員的效率。

針對此類艙室空間邊界自動識別的問題，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了不少研究。單威俊等[2～4]基于有限元模型，提出“切分拼接法”實現(xiàn)艙室邊界單元的識別，并基于Patran 開發(fā)自動化程序，該程序已經(jīng)納入CCS 的HSCR 規(guī)范校核軟件體系中，但識別過程仍需用戶人為干預(yù)，且對船首、船尾等曲面較復(fù)雜的區(qū)域，識別精度還有待提高。章志兵等[5]提出一種基于CAD 模型的艙室識別算法，并在NX 平臺上以C++語言編程實現(xiàn)，算法自動化與智能化程度高，有助于艙室快速建模。章志兵等[6]通過設(shè)計網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系和分析艙室的幾何特征，基于半邊半面結(jié)構(gòu)，提出了半面封閉空間概念，并利用半面擴(kuò)展算法，實現(xiàn)了CAE 模型艙室的自動識別，但僅限于封閉艙室，且算法相對復(fù)雜。此外，法國船級社的商業(yè)軟件Veristar Hull 可以對有限元網(wǎng)格進(jìn)行艙室搜索，但僅限于水密艙室，內(nèi)在算法也不得而知。

本文基于拓?fù)鋵W(xué)原理和船舶艙室特征，提出一種基于CAE 的船舶艙室識別算法“無自由邊法”，該算法適用于多種船型及任意復(fù)雜的艙室，且改進(jìn)算法可適用于非封閉艙室。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出自動化程序，經(jīng)過實船測試驗證，能夠大幅提高艙室定義效率，具有工程應(yīng)用價值。

1 艙室識別

船舶艙室最典型的特點為大多是水密艙室，因此本研究以該特點為突破點，從識別有限元三維封閉空間入手，提出一種“無自由邊法”以實現(xiàn)船舶水密艙室的識別，并針對非水密艙室對算法進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，以提高算法的適用性。

1.1 原 理

首先，根據(jù)某艙室的空間位置搜索該范圍內(nèi)的所有單元（Elem），統(tǒng)計這些單元的邊（Edge）及其數(shù)量，其中數(shù)量等于1 的一定是自由邊（Free edge）。根據(jù)該原則篩選出所有自由邊，然后將其所屬單元剔除出集合，接著重新統(tǒng)計邊與數(shù)量，以此不斷循環(huán)往復(fù)，直到?jīng)]有自由邊。最終，剩下的單元便形成封閉的三維空間，組成船舶艙室的搜索目標(biāo)邊界。

現(xiàn)有研究的搜索方法大多屬于“加法”，而本文提出的算法則采用的是“減法”思想。

1.2 實現(xiàn)過程

艙室識別的流程如圖1 所示。

圖1 艙室識別流程Fig.1 Recognition process of ship compartment

步驟1根據(jù)船舶艙室邊界的定義，獲取該長方體空間內(nèi)的所有單元Elem 和及其Edge 元素。

步驟2建立有限元模型的拓?fù)潢P(guān)系，并創(chuàng)建單元和邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)儲存拓?fù)潢P(guān)系。

步驟3尋找唯一存在的Edge；若不存在，則結(jié)束。

步驟4識別該Edge 所屬的單元，將其從表示封閉空間的單元數(shù)組中剔除，并更新邊的數(shù)據(jù)儲存Hash 表。

步驟5將結(jié)果作為新的輸入，回到步驟3，遞歸執(zhí)行艙室識別過程。

1.3 建立拓?fù)潢P(guān)系

船舶艙室是由一組單元組成的封閉空間區(qū)域，各個單元之間由單元邊相互聯(lián)系。為實現(xiàn)本文的算法，需建立的拓?fù)潢P(guān)系：單元與邊的組合關(guān)系，邊與邊的重合關(guān)系。

將單元邊定義為從起點Start node 指向終點End node 的有向邊（Start node，End node），其中起點的編號一定比終點的編號小。

如圖2 所示，單元Elem_1 包含有向邊(1,2)，(2,3)，(3,4)和(1,4)；單元Elem_2 包含有向邊(3,4)，(4,6)，(3,5)和(5,6)。它們存在共同邊(3,4)，該邊的數(shù)量為2，其余均為1。

圖2 拓?fù)潢P(guān)系示意Fig.2 Topological relation

將Elem 和其包含的有向邊儲存在二維數(shù)組中。另外以有向邊的名稱作為Key，數(shù)量作為Value，使用Hash 表進(jìn)行儲存。

1.4 算法介紹

“無自由邊法”算法用于搜索三維模型中由單元構(gòu)成的封閉空間。

首先，確定搜索范圍。艙室定義數(shù)據(jù)包括了艙室名稱和x,y和z方向的范圍值。因此，對于單個艙室的搜索范圍{Elem_i}，它包含的單元坐標(biāo)應(yīng)滿足式（1）～式（3）。

建立該范圍內(nèi)的拓?fù)潢P(guān)系，創(chuàng)建包含Elem 和有向邊的二維數(shù)組，及儲存有向邊和數(shù)量的Hash 表。

查詢Hash 表中Value 等于1 的Key，則該有向邊即為自由邊。通過二維數(shù)組獲得該自由邊所屬的Elem，一方面將其從{Elem_i}內(nèi)剔除，另一方面記錄它包含的其他有向邊，再次查詢Hash 表，各有向邊對應(yīng)的Value 減一。

把更新后的二維數(shù)組和Hash 表作為新的輸入，進(jìn)行遞歸運(yùn)算，直至無法找到自由邊，則{Elem_i}內(nèi)包含的單元即為該艙室的邊界。運(yùn)行過程如圖3 所示。

圖3 “無自由邊法”示意Fig.3 No free edge algorithm

2 算法改進(jìn)

“無自由邊法”本質(zhì)是搜索有限元網(wǎng)格中的封閉空間。為了擴(kuò)大算法的適用性，滿足工程實際應(yīng)用的需求，針對非封閉空間的識別問題，對本文的算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

2.1 艙室邊界帶有小孔

在實際的艙室定義過程中，常常碰到有限元模型中水密艙室邊界有小孔、不封閉的情況，此時類似的艙室搜索算法都會失效，而手動去尋找缺失的單元和修補(bǔ)也會非常耗時。

導(dǎo)致此問題的原因有2 種：一種是由于建模人員在建模過程中的粗心，不小心遺漏了一些網(wǎng)格單元；另一種是考慮了水密艙室上的人孔。

針對有限元模型中水密艙室邊界上缺失多個且“獨立”單元的情況，對本文提出的算法進(jìn)行優(yōu)化。大致的原理：不以有向邊的數(shù)量來判斷是否為自由邊，而是以單元節(jié)點Node 的數(shù)量作為依據(jù)，即搜索范圍內(nèi)Node 數(shù)量≤2 的，其所屬有向邊即為自由邊。

基于該改進(jìn)算法，便可準(zhǔn)確識別此類帶小孔的艙室。

2.2 貨艙大開口

對于散貨船和集裝箱船這類船型，貨艙均帶有大開口，對此現(xiàn)有的艙室搜索算法均不適用。

文獻(xiàn)[5]中提出手動創(chuàng)建艙口蓋進(jìn)行封口的預(yù)處理方法，雖然能將此類大開口艙室轉(zhuǎn)換為“封閉艙室”，但考慮到貨艙的數(shù)量較多，因此處理起來還是過于繁瑣。

本文借鑒此預(yù)處理的思想，提出給此類貨艙加一個虛擬“貨艙蓋”的改進(jìn)算法。具體實現(xiàn)方法：在自由邊的判斷過程中，若有向邊的2 個節(jié)點都在“貨艙蓋”的高度方向上，則該有向邊必定不是自由邊。該改進(jìn)算法可由程序自動實現(xiàn)，避免了人工預(yù)處理的工作，有利于提高艙室識別效率。

3 應(yīng)用實例

FEMAP 是一款先進(jìn)的有限元分析軟件，提供完全開放的二次開發(fā)接口，支持各種通用語言，非常適用于CAE 的二次開發(fā)[7]?；谠撥浖捎肰B.NET 語言和WinForm 客戶端開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)本文提出的艙室識別算法。

對某15000TEU 集裝箱船實船項目的全船有限元模型進(jìn)行測試。全船有限元模型如圖4 所示，共計約62 萬個單元，需定義的艙室總計110 個。

圖4 測試集裝箱船全船有限元模型Fig.4 Test global ship FEM of container vessel

測試計算機(jī)的CPU 為Intel Xeon E5-2 643 3.4 GHz，內(nèi)存容量為64 GB，操作系統(tǒng)為Windows 7（64 位）。

利用Napa 軟件輸出總體專業(yè)的船舶艙室數(shù)據(jù)，并按照特定格式寫入Excel 文件，將其作為艙室必要數(shù)據(jù)的輸入文件。

導(dǎo)入成功后，一鍵運(yùn)行程序即可快速、自動、準(zhǔn)確地識別出絕大多數(shù)艙室，如首/尾尖艙、底/邊壓載水艙、LNG 燃料艙等封閉艙室和集裝箱貨艙，如圖5 所示。

圖5 水密艙室邊界Fig.5 Watertight compartment boundary

此外，對于機(jī)艙等個別非封閉艙室，需先采用手動填補(bǔ)開孔的方法進(jìn)行預(yù)處理，然后再進(jìn)行艙室邊界自動搜索。機(jī)艙搜索結(jié)果如圖6 所示。

圖6 機(jī)艙邊界Fig.6 Engine room boundary

經(jīng)多次測試，完成上述110 個艙室一鍵自動識別共需106 s，平均一個艙室耗時約1.0 s。經(jīng)檢查，結(jié)果無需修改的識別正確率約為90%，剩余的限于艙室特點和有限元模型質(zhì)量，還需手動處理，耗時約半小時。總體而言，該程序識別率較高，所需時間較少，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價值。

測試結(jié)果表明，對于具有不規(guī)則、復(fù)雜形狀的艙室，本文的算法能很好地實現(xiàn)邊界搜索。

4 結(jié)語

結(jié)合實際設(shè)計和科研的需求，針對船舶有限元艙室自動識別問題進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

1）提出的全新船舶有限元艙室識別算法“無自由邊法”，可實現(xiàn)艙室空間的快速智能識別，編寫程序?qū)ζ溆行赃M(jìn)行了驗證；

2）該算法本質(zhì)是解決有限元三維封閉空間的識別問題，可拓展應(yīng)用到類似的科研和開發(fā)項目中；

3）通過實例驗證，該算法實用可靠，除了水密艙室，對具有大開口或小開孔的非水密艙室也適用。程序操作簡單，交互界面友好，可大幅提高設(shè)計人員的工作效率。