張志康,高明星,葉星宏,吳貝尼,鄭藝

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,上海 200011)

有限元分析是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要的方法,一般包括局部強(qiáng)度分析、艙段有限元分析和全船有限元分析等。隨著近年來計算機(jī)的發(fā)展,以及行業(yè)規(guī)范的要求升級,直接計算方法應(yīng)用越來越多。如《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],建模和分析優(yōu)化的工作量數(shù)倍增加,而且船體艏尾區(qū)域的線型變化劇烈,建模難度增加。

參考行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,結(jié)合一線設(shè)計經(jīng)驗,基于公司的應(yīng)用需求和環(huán)境,提出一套完整的船舶有限元模型標(biāo)準(zhǔn)。并以此為指導(dǎo)原則,基于FEMAP軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化程序,用于幫助創(chuàng)建和處理標(biāo)準(zhǔn)有限元模型,針對常用軟件開發(fā)數(shù)據(jù)接口。

1 有限元模型標(biāo)準(zhǔn)

1.1 坐標(biāo)系及原點

采用行業(yè)通用的右手直角坐標(biāo)系,原點為船中縱剖面內(nèi)尾垂線與基線的交點,x軸沿船長方向,以船艏為正;y軸沿船寬方向,以左舷為正;z軸沿船的垂向,以向上為正,見圖1。

圖1 船舶有限元模型坐標(biāo)系

采用統(tǒng)一的坐標(biāo)系,有利于分段模型的拼接和便于專業(yè)定制化功能的開發(fā),如自動化分組、艙室識別和快速加載技術(shù)等。

1.2 單位制

國際單位制中共有7個基本量,其中和船舶有限元模型相關(guān)的主要是長度、時間和質(zhì)量。

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,繪圖及規(guī)范計算大都采用mm制來表達(dá)結(jié)構(gòu)尺寸和定位,而描述船舶的重量常用t為單位,據(jù)此制定模型的標(biāo)準(zhǔn)單位制,見表1。

表1 船舶有限元模型單位制

該單位制與大多數(shù)船舶專業(yè)軟件一致,有利于數(shù)據(jù)交換。

1.3 單元尺寸

針對不同的計算分析需求,船舶有限元模型的精度要求不同,即對單元的尺寸要求不同。參考目前行業(yè)內(nèi)的基本共識,制定統(tǒng)一的單元尺寸標(biāo)準(zhǔn),見表2。

表2 船舶有限元模型單元尺寸

1.4 單元類型

船體結(jié)構(gòu)是典型的板架結(jié)構(gòu),一般采用板(PLATE)、梁(BEAM)和桿(ROD)單元來模擬。船體的板殼、強(qiáng)框和桁材采用PLATE單元模擬,縱骨、局部扶強(qiáng)材和主要構(gòu)件的面板采用BEAM單元模擬。

1.5 材料

常用的船舶材料為鋼材,主要區(qū)別是鋼級的不同,即屈服強(qiáng)度不同。A,B,D和E材料等級不影響屈服強(qiáng)度,因此在有限元模型中,區(qū)分不同屈服強(qiáng)度即可,采用如表3所示的標(biāo)準(zhǔn)命名。

表3 標(biāo)準(zhǔn)材料定義

1.6 屬性

1.6.1 板屬性

對一般的船體結(jié)構(gòu)分析而言,板屬性僅需定義厚度Thickness和材料Mat.即可。約定板屬性的標(biāo)準(zhǔn)命名規(guī)則如下:Thickness_Mat.,如“10_H36”。

1.6.2 梁屬性

梁屬性定義包括截面名稱Section和材料Mat.,常用的型材有扁鋼(FB)、角鋼(L)、T型材(T)和球扁鋼(HP)。約定梁屬性的標(biāo)準(zhǔn)命名規(guī)則如下:Section_Mat.,具體的見表4。

表4 梁屬性標(biāo)準(zhǔn)命名

一般通用有限元軟件無法直接定義球扁鋼屬性,各大船級社均推薦采用等效角鋼替代的方法[2-4],具體的定義如下。

hstf=h′stf

(1)

tw=t′w

(2)

(3)

(4)

式中:h′stf和t′w分別為球扁鋼的總高度和腹板厚度,mm;α為系數(shù),

(5)

α=1.0,h′stf>120

(6)

梁單元的朝向和偏心需要特別關(guān)注。對于傳統(tǒng)的Patran軟件,梁屬性參數(shù)包括了單元的朝向和偏心,而FEMAP與SRFT軟件很不同,屬性參數(shù)中僅包括偏心,朝向?qū)儆趩卧x參數(shù),見表5。

表5 朝向和偏心歸屬的不同

實際操作過程中,Patran定義屬性時需要計算型材截面的剪心高度和指定朝向。對于同一種截面,不同朝向的單元就需要多次定義,不僅操作繁瑣而且額外增加數(shù)據(jù)量。另外,對于復(fù)雜曲面船體外板上的骨材,利用原生功能幾乎不可能完成。即使通過開發(fā),采用通過關(guān)聯(lián)板單元計算出朝向,創(chuàng)建矢量場作為輸入的辦法還是較為繁瑣。

事實上,對于船舶結(jié)構(gòu)而言,骨材與板材的連接方式較為固定,因此不同型材的梁單元的偏心也都是固定的。FEMAP和SRFT在屬性參數(shù)中定義偏心時,就很好地體現(xiàn)了這一點。具體地,對于不同截面,在腹板根部設(shè)置參考點,該參考點即為骨材與船體板的連接點,見圖2。這樣可以省去手動計算截面剪心,減少輸入?yún)?shù),而且朝向?qū)儆趩卧獏?shù),同一個截面的梁屬性僅需定義一個即可。

圖2 角鋼的參考點示意

總的來說,FEMAP和SRFT采用的定義方法更為合理,有利于減少輸入和提高模型的輕量化。因此梁屬性標(biāo)準(zhǔn)采用此類定義方法,各截面的參考點均統(tǒng)一采用如圖2所示角鋼的位置來定義偏心。

1.6.3 桿屬性

桿屬性定義包括截面面積Area和材料Mat.,約定其標(biāo)準(zhǔn)命名規(guī)則如下:Rod_Area_Mat.,如“Rod_1000_H32”。

2 工具開發(fā)

FEMAP是一款先進(jìn)的有限元分析軟件,其擁有強(qiáng)大的前后處理功能,且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)[5]。因此,選用FEMAP軟件作為工具的二次開發(fā)平臺。

基于FEMAP2019.1版本和.NET開發(fā)框架,采用VB.NET語言開發(fā)程序,使用Visual Studio 2012作為集成開發(fā)環(huán)境,操作系統(tǒng)為Windows 7,并在Windows 10系統(tǒng)下通過測試。

2.1 材料模塊

經(jīng)過開發(fā),材料標(biāo)準(zhǔn)化模塊界面見圖3。

圖3 材料標(biāo)準(zhǔn)化模塊界面

支持一鍵生成符合上述標(biāo)準(zhǔn)的材料,以及對模型中的材料進(jìn)行批量修改、重命名、按屈服強(qiáng)度從小到大排序和合并重復(fù)材料。界面簡潔明了,操作方便快捷。

2.2 屬性模塊

為減少不必要的參數(shù)輸入和冗余操作,將屬性的創(chuàng)建功能集成在一個界面中,只需輸入少量的必要參數(shù),即可快速生成標(biāo)準(zhǔn)屬性,見圖4。

圖4 屬性快速創(chuàng)建界面

屬性定義包括材料和截面參數(shù),材料選擇框中的選項由讀取模型中現(xiàn)有的材料而來,選擇需要的即可。支持多種標(biāo)準(zhǔn)屬性的快速生成,包括上述的板、梁和桿屬性。“Plate”下拉框中可選擇“Rod”,切換成桿屬性的截面面積輸入模式。同樣地,“FB”下拉框中可選擇“HP”,輸入球扁鋼的hstf和tw,即可快速生成相應(yīng)的等效角鋼的屬性。

與材料類似,屬性也支持一鍵標(biāo)準(zhǔn)化重命名、按類型和首字母排序、合并重復(fù)屬性的功能,標(biāo)準(zhǔn)化屬性見圖5。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)化屬性

針對球扁鋼屬性的重命名問題,通過讀取角鋼截面的hstf和tw,作為球扁鋼截面的定義參數(shù),再利用式(3)～(6)計算得到等效角鋼的bf和tf,若它們等于實際值(容差5%),則判定該屬性為球扁鋼,對其采用球扁鋼的標(biāo)準(zhǔn)命名。

3 數(shù)據(jù)接口

常見的FEM模型文件流轉(zhuǎn)過程見圖6。

圖6 FEM流轉(zhuǎn)過程

CATIA,Veristar Hull和Poseidon均支持以bdf格式文件導(dǎo)出有限元模型,但想要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)有限元模型,還需要進(jìn)一步開發(fā)支持。

3.1 CATIA

CATIA是法國達(dá)索公司開發(fā)的一款高端CAD/CAM/CAE軟件系統(tǒng),目前在船舶行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛,基于CATIA不僅能快速完成船舶結(jié)構(gòu)建模與出圖,還能生成網(wǎng)格質(zhì)量較優(yōu)的有限元模型,已成為目前有限元建模的主要工具[6]。

由于軟件的特性,CATIA導(dǎo)出的有限元模型存在以下問題。

1)模型里有大量重復(fù)的材料和屬性,且丟失了名稱,不便于識別。

2)T型材截面定義中,腹板的高度比實際小了一個面板的厚度。

第一個問題可采用上述標(biāo)準(zhǔn)化程序進(jìn)行自動化處理。以某集裝箱船艙段為例,合并操作后可大幅度減少模型中材料和屬性的個數(shù),見表6。

表6 模型合并前后對比

第二個問題則需進(jìn)一步的定制化開發(fā)來解決。利用程序?qū)型材截面定義進(jìn)行修復(fù),腹板高度增加相應(yīng)的面板厚度,并對相關(guān)BEAM單元的偏移進(jìn)行更新,見圖7。

圖7 T型材截面修復(fù)

通過實例測試,利用數(shù)據(jù)接口程序,僅需數(shù)十秒即可完成CATIA導(dǎo)出的有限元模型標(biāo)準(zhǔn)化處理,非常高效、便捷。

3.2 Veristar Hull

Veristar Hull為法國船級社BV的船舶有限元分析專業(yè)軟件,基于FEMAP軟件的二次開發(fā)技術(shù),適用于艙段有限元分析和全船有限元分析前后處理等。該軟件有個特點,無論模型中的筋是何種類型的單元,導(dǎo)入后均會被自動改成BAR類型、截面形式為Standard Section的單元。因此從Veristar Hull導(dǎo)出的bdf文件,直接導(dǎo)入Patran和SRFT,均會出現(xiàn)丟失截面形狀信息的情況,模型的數(shù)據(jù)完整性遭到破壞,給后期修改帶來諸多困難。

通過二次開發(fā),在FEMAP中先對模型進(jìn)行預(yù)處理,一鍵轉(zhuǎn)化筋的類型和截面定義方式,即可完美解決上述問題。再利用上述其他工具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,即可得到標(biāo)準(zhǔn)化模型。

3.3 Poseidon

Poseidon是挪威船級社DNV的一款規(guī)范計算軟件,功能強(qiáng)大,且集成CAD/CAE一體化,具備艙段有限元分析及全船建模的功能。

導(dǎo)出的有限元模型存在一些問題。

1)該軟件的單位制是m、t和kN,與本文提出的標(biāo)準(zhǔn)不一致。

2)球扁鋼截面在導(dǎo)出時,是以截面特征參數(shù)的方式寫在bdf文件中的,包括面積、慣性矩和剪切面積等。這樣就無法判斷該截面是何種規(guī)格的球扁鋼。

3)艙段強(qiáng)度分析模型中包含了邊界和載荷等數(shù)據(jù),而通常并不需要。

上述第二個問題處理起來較為困難。筆者曾嘗試?yán)媒孛嫣卣鲄?shù)以逆推的方式來求解其截面形狀,但遇到了諸多問題。還考慮過與型材表進(jìn)行查找和比對的思路,但操作起來也較為繁瑣。最終,尋求與軟件開發(fā)商合作后解決了此問題。Poseidon在導(dǎo)出的bdf文件中添加各截面的形狀名稱,如“MYM HP 200*10.0”,再通過二次開發(fā)對其進(jìn)行解析與識別,重定義為等效角鋼。

編寫各自動化處理功能和集成界面,見圖8。通過一鍵操作即可將Poseidon導(dǎo)出的模型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化模型。

圖8 Poseidon FEM轉(zhuǎn)換程序

3.4 Patran和SRFT

在FEMAP中經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的有限元模型,可以任意地在FEMAP、Patran和SRFT間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。唯一的問題是,利用它們各自的原生功能導(dǎo)出后,均存在丟失材料和屬性標(biāo)準(zhǔn)命名的現(xiàn)象。

分析原因,bdf文件并沒有規(guī)定材料和屬性的命名格式,因此各軟件無法兼容其他軟件導(dǎo)出的文件。通過開發(fā),采用直接解析bdf文件,識別命名并修改成需導(dǎo)入軟件的格式,可以解決該問題,避免模型重要信息的丟失。

4 結(jié)論

所提出的船舶有限元模型標(biāo)準(zhǔn)緊貼專業(yè)特點,符合行業(yè)規(guī)范和共識,在實船項目中的深入應(yīng)用也驗證了其合理性,具備行業(yè)內(nèi)推廣的價值。

1)船體結(jié)構(gòu)的材料和屬性定義簡單明了,標(biāo)準(zhǔn)命名具有很強(qiáng)的辨識度,且考慮了球扁鋼屬性的特殊性。

2)梁屬性中有關(guān)朝向和偏心的定義方法充分體現(xiàn)了船體構(gòu)件間的連接特性,有助于減少重復(fù)屬性,提高模型的輕量化程度。

3)開發(fā)的定制化專業(yè)工具,可快速實現(xiàn)有限元模型的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)交換,實用性強(qiáng),且交互界面友好,有利于提高建模效率。