船体舱段三维有限元模型参数化建模方法研究

，

(华南理工大学 交通学院，广州 510641)

现阶段船体结构强度的直接计算一般运用通用有限元软件。其中，有限元模型的建模主要是由手工建模完成，这种建模方法的效率及重复利用率较低，直接应用通用有限元软件建模需要较高的有限元应用技巧且较费时，拉长了分析周期。这种建模方式不能满足现实船舶设计建造的要求，也不具备处理突发事件的能力。

因此，提出参数化建模的方法，所谓参数化建模，也即自动化建模，是指由用户在界面上输入必要的参数，程序根据这些参数进行分析和计算，最终完成模型创建作为输出。整个建模的主要过程由程序完成，期间只需少量的用户操作。用参数化建模的方法来实现船体有限元模型的自动建模，能显著地缩短船体结构有限元分析的周期，提高效率。

在船体结构参数化建模的探索中，国内外的许多船舶工作者都为之作出了不懈的努力[1-4]。

在综合前人研究的基础上，笔者提出了一个参数化建模研究的思路。

1 研究思路

用PCL语言编写程序代码，并导入MSC.Patran中，同时充分利用MSC.Patran的功能，最终实现三维船体舱段的有限元自动建模。其中，难点与关键技术在于有限元模型自动生成方法的设计，即由程序自动生成高质量的有限元网格的方法。

船体舱段结构是由杆、梁、板、壳等构件组成的弹性体，是一个大型空间薄壁板梁组合结构。根据船体舱段结构的特点，可以预先对其有限元模型的网格进行规划。

首先，从单元类型上讲，船体舱段有限元模型所用的单元主要是一维单元和二维单元。其中，一维单元主要是2节点的梁单元和2节点的杆单元，二维单元主要是3节点的三角形壳单元和4节点的四边形壳单元。

其次，从船体舱段的结构特征看，可以把船体舱段上的单元归类为纵向单元和横向单元，或是把整个网格分为纵向网格和横向网格两部分。其中，把沿着船长方向的网格称为纵向网格，其上的单元即纵向单元；把全部横向构件上的网格称为横向网格，其上的单元即横向单元。

先通过输入的信息直接生成纵向有限元网格，再以纵向网格为基础，在相应的肋位上利用已有的节点作为边界，进而生成横向的有限元网格。

1.1 纵向网格的自动生成方法

遵循一定的规则输入若干个典型横剖面上的插值点的插值信息(如点的几何信息，选用的插值类型，等等)，程序根据输入信息用几何线构造一个空间的几何骨架，然后在此几何骨架的基础上生成纵向的有限元网格。

用分段的三次非均匀B样条曲线对船体外壳或甲板在每个典型横剖面上的输入点进行插值，并根据实际建模的需要对所构造的三次非均匀B样条曲线进行插值计算以获取建模所需的其它点[5]。在每个剖面上对全部的插值点进行连线，然后对相邻剖面上的插值点进行连线，这2组线构成了一个空间的几何骨架，最后，在此几何骨架上生成纵向的有限元网格[6，7]。

对于纵向构件的其它部分，如内壳、纵舱壁等，也用相同的方法完成，所不同的是这些部分在横剖面上的投影表现为直线段，因此只需进行线性插值计算而无需用样条曲线进行插值。

纵向网格的整个创建过程如图1所示。

图1 纵向网格创建的流程

纵向网格生成的同时，在程序中根据输入的信息对各部分构件进行分组，以便对模型进行检查以及进行各部分构件属性赋值的操作。从总体上看，纵向网格生成的整个过程是一个由点连线，进而在由线所构成的几何骨架上生成纵向网格的过程，在这一过程中，由几何元素所承载的信息最终传递到有限元网格的单元之中。纵向网格的生成也为接下的横向网格的生成奠定了基础。

选取一个双底双壳的三维船体舱段结构进行分析，其纵向网格的生成如图2～4所示。

1.2 横向网格的自动生成方法

对于三维船体舱段上的横向网格，由于船体横向构件所在的区域通常是一些细带状的二维区域，且其边界上的节点的位置和个数一般都已预先确定，因此，尽管在二维区域上生成有限元网格的方法有多种，但要在这些细带状的二维区域中自动生成高质量的二维网格仍然困难。

为了解决此问题，在现有的网格生成理论基础上提出了一种新的二维有限元网格的铺设算法，用于在细带状二维区域自动生成包含三角形单元和四边形单元的有限元网格，其中，四边形单元占主要部分，而少量的三角形单元则是为了加强算法对边界的适应性。

基本原理主要基于Blacker和文献[8]和[9]。同时，笔者提出一些新的算法规则，使算法所生成的单元更能有效适应细带状的二维区域。

图5 横向网格生成算法的流程图

主要步骤包括单元和节点的生成、相交、缝合、把网格节点移至内部固定节点、网格局部调整、均匀化共6个部分。算法的主要过程见图5。

以大型综合有限元软件MSC.Patran为应用平台，用MSC.Patran提供给用户的二次开发语言PCL实现了该算法，所得到的有限元网格的质量优于直接用MSC.Patran自身的Paver命令划分所得到的非结构化网格[7]。见图6，这是对于一个舱段肋位上的强肋骨，用本算法对所选定的的边界节点以及内部固定节点所进行的网格自动生成的结果。其中，外部边界上的节点由纵向网格在指定位置上的节点所确定，内部的固定节点是根据实际需要而添加的。从图中可以看出，程序可以自动生成网格的主要部分。当然，用算法所生成的网格还需要后续的一些人为的修改与调整工作。

a)

b)

c)

2 程序的数据结构图

程序中主要的数据结构见图7。

图7 主要的数据结构

3 自动建模模块的界面

根据本文所提出的参数化建模思路，三维船体舱段有限元模型自动生成所依赖的交互界面见图8～9。

图8 自动生成纵向网格的菜单选项以及命令框

图9 铺设方法的菜单选项以及命令框

4 结论与展望

对于一般的油船或散货船，用这种参数化建模方法可以由程序生成整个三维船体舱段有限元模型中接近70%的组成部分，甚至更多，能够减少接近50%的建模时间。当然，本课题目前只处于研究阶段，所完成的只是基础部分的工作，对于程序生成的网格还需要一定的人为调整。整个参数化建模系统的完成将会进一步提高建模的自动化程度。

[1] Forde B W R, Foschi R O, Stiemer S F.Objectoriented finite element analysis[J].Comp & Struct, 1990, 34(3): 355-374.

[2] 罗金炎, 陈庆强.船舶面向对象有限元的应用研究[J].计算机辅助工程, 2004(1): 18-22.

[3] 张伟星, 徐 立, 赵成璧，等.基于MSC.Acumen和PCL开发船舶快速建模系统[J].CAD/CAM与制造业信息化，2001: 81-82.

[4] In-II Kim.A development of data structure and mesh generation algorithm for whole ship analysis modeling system[J].Advances in Engineering Software，2006,37: 85-96.

[5] 施法中.计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条(CAGD & NURBS)[M].北京：北京航空航天大学出版社, 1994.

[6] 林 慰, 赵成璧.基于MSC.Patran的三维船体有限元混合网格自动剖分方法的研究[J].船海工程, 2005，10(特刊): 51-54.

[7] 林 慰.船体舱段有限元模型自动建模方法的研究[D].广州：华南理工大学, 2006.

[8] Blacker, Ted D Michael B.Stephenson.paving: A new approach to automated quadrilateral mesh generation[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,1991, 32: 811-847.

[9] White, David R Paul Kinney.Redesign of the paving algorithm: Robustness enhancements through element by element meshing[J], Proceedings.6th International Meshing Roundtable.Sandia National Laboratories,1997: 323-335.

[10] 中国船级社.散货船结构强度直接计算指南[M].北京：人民交通出版社， 2003.

[11] 中国船级社.油船结构强度直接计算指南[M].北京：人民交通出版社，2003.