Patran集成Fluent处理中模型的转换

顾敏芳 汪学锋

1上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030

2上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院、海洋工程国家重点实验室，上海 200030

Patran集成Fluent处理中模型的转换

顾敏芳1汪学锋2

1上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030

2上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院、海洋工程国家重点实验室，上海 200030

Patran集成Fluent处理在舰船力学计算、流固耦合分析等方面有广泛的应用，而模型转换则是该集成处理的关键问题。针对Patran和Fluent中模型的特点，对转换过程做了详细的介绍，并给出应用的算例。工程验算表明所论述的方法能够迅速有效地从Patran中提取模型信息，并转换成Fluent处理中所需要的格式。最后阐述该方法的优点与不足，并展望该方法在CAD／CAE软件集成中的进一步应用。

有限元模型；转换；PCL；MSC.Patran

1 引言

MSC.Patran是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析系统，是工业领域最著名的有限元分析软件之一，也是舰船结构分析最常用的软件工具。其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身，构成一个完整的CAE集成环境。它的用户化技术允许用户将MSC.Patran作为自己的前后处理器，并利用其强大的PCL语言和编程函数库，将自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入MSC.Patran的框架系统，或单独使用或与其他系统联合使用，提高其在市场的竞争力［1，2］。

Fluent是目前功能最全面、适用性最广、国内应用最广泛的CFD软件之一，能完成多种参考系下流场模拟，定常与非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析等［3］。Fluent在流场计算领域的强大，得到了业界的充分肯定，同样也是舰船流体动力性能分析中最广泛应用的分析软件。

通常情况下，舰船等设备进行结构和流体分析的时候，要在Patran和Fluent中分别建模，这不但存在重复建模的效率问题，而且因为两个系统之间在模型定义、实现手段和存取方法上存在差异，使得信息交换存在障碍，资源不能有效共享［4］。如果能开发Patran与Fluent的接口，将有明显的优势。它能够将流场和结构分析的前后处理器统一在Patran一个平台下，并且共用一个模型，避免了重复建模以及模型信息的丢失和不一致；还能用数据库的形式统一管理模型及有关数据，提高了工作效率。而模型转换作为Patran集成Fluent处理中的关键技术，它的效率高低，无疑很大程度上决定了整个接口程序的好坏。

有限元分析是工程计算领域的一种主要的数值计算方法，其基本思想就是将连续区域上的物理力学关系近似地转化为离散规则区域上的物理力学方程［5］。在有限元分析中，使用的是几何模型经过离散化以后得到的抽象化的有限元模型，所需要的无一例外都是有限元网格的数据 （如节点的坐标和单元的节点构成），所有的边界条件（如载荷和位移约束），最终也都必须反映到节点上来。利用有限元模型转换的方法，可以使模型转换前后不存在信息的丢失，能达到100%的模型拷贝，做到真正意义上的“零失真”转换［6］。

本文在已有Patran继承Fluent工作的基础上［7］，专门详细阐述了Patran到Fluent接口转换中模型的转化方法。该方法采用在效率和精度方面都有较大的提升的有限元模型转换方法，通过改善拓扑映射和元素逼近的方式，找到了适合于三维模型转换的有效途径。

2 Patran和Fluent各自的有限元结构

2.1 Patran 的有限元结构

Patran［8］由 Node 和 Element两种结构来表示有限元模型。 Node包含NID（Node ID）和xyz（Position xyz）两个要素；而 Element里包含 EID（Element ID）、GID （Element Group ID）、PID（Physical Property ID）、MID（Material Property ID）、TID（Element Type ID）、arElNode （Element与 Node 的关系表），以及 NSI（Element Node Start Index in array arElNode）等多个要素。

Patran拥有许多种单元结构形式，而与Fluent相对应，可以归结为以下6种基本单元格式：Tri3、Quad4、Tet4、Wedge6、Paramid5 以及 Hex8，如图1所示。

2.2 Fluent的有限元结构

Fluent［9］的有限元结构模式和 Patran 有很大的差别，它由Node、Face和Cell三种要素来表示。

1）Nodes表示节点，与Patran的Node一致，但表达形式不同。

2）Cells表示网格，与Patran的Element对应，但只申明了网格的数量、序号、属性与单元结构类型，而没有申明网格与节点的对应关系。

3）Faces表示 face， 是 Fluent里各个cell的面。在Patran里面是通过element的arElNode和NSI来表示单元与节点的对应关系，而在Fluent中是用face来表示的。Face包含了面的节点和邻接cells两个主要的信息。值得注意的是，在2D情况下，Fluent将线段看作face。如图2所示，这是一个trial的例子，包含3个节点n0，n1，n2以及邻接 cells cr和 cl。 cr是 face右边的 cell，cl是 face左边的cell，左右由右手法则确定。

3 有限元模型的转化

通过上面对Patran与Fluent两者之间有限元结构的分析，可以看出两者在拓扑标识和有限元要素定义方面并不完全一致，这种差别导致在进行从Patran到Fluent的有限元模型转换时，不能直接进行数据的读取和写入，而需要进行一定的拓扑映射和元素逼近。

因此，要实现有限元模型的转化，需要完成如下工作：

1）数据的读取与存储

利用Patran强大的二次开发语言PCL（Patran Command Language）结合C语言的方法来进行数据的读取与存储。PCL中自带的一些命令能够很方便地读取Patran数据库中的Node和Element信息，而使用C语言能够创建简单有效的结构体来存储转换后的数据信息。图3所示为一些结构体的C语言表述。

2）有限元模型的拓扑映射和元素逼近

由于Patran数据库中没有直接的Face，所以需要通过特殊转换处理来解决。图3所示，结构体ElemFace 中的 nd＿ids［4］和 eids［2］表示 face 的节点和左右 cell。 elem→nd_ids［ind］是单元的关系表，ind=shape［i］［j］，shape［i］［j］是各个单元结构的节点矩阵，由 fnode［i］［j］=elem→nd_ids［ind］可得到该单元各面的节点。由节点得到所在的面以及邻接的cells，并根据右手法则，判断出right cell和left cell。

3）新数据格式的书写

由于Patran中的数据格式为二进制，而Fluent为十六进制，故最后书写cas文件时，还需要对数据格式进行转化。

整个转换过程如图4所示，除Patran、Fluent软件本身提供的功能外，此过程还包含有独立开发的PCL程序、C语言外插模块等。

4 工程示例

应用本文所述的转换方法，对三个例子进行了有限元模型转化，并对其转换前后的网格形态进行了详细的校验，确认了结果的一致性。

4.1 舰船舱室热传导

以为了分析某舰船舱室热传导而建立的船舱有限元模型为对象应用了本转换的方法。模型网格为六面体结构，总共划分了197 760个节点、186 558个有限元。图5为由Patran下建模的船舱舱室模型。调用本文开发的Patran到Fluent接口程序，进行模型转换，生成cas文件，并由Fluent读取后，在Fluent显示的网格模型，如图6所示。

4.2 油管弯头段的三维流动

以为了分析某油管内部油的流动而建立的油管有限元模型为对象，进行转换。图7为Patran下建模的油管有限元模型，图8为转换后读入Fluent显示的油管模型。

图7 Patran 下建模的油管模型

4.3 整船水动力性能计算

以考虑整船水动力性能计算中所使用的三维模型为例，进行模型转换。网格选用四面体网格。图9为Patran下建模的船首部水下部分模型，图10为读入Fluent中显示的有限元模型。

从图8、图9、图10三个示例可以看到，这种转换方法能够迅速有效地实现从Patran到Fluent的模型转换。

为了更好地验证模型转换的效果，运用传统的建模方法，即用Gambit建立相同的舱室有限元模型，进行CFD分析。对两个模型设定完全相同的条件和求解参数，用Fluent求解，得到两组结果。图11是用Patran建模得到的温度云图，图12是用Gambit建模得到的温度云图。可以看到，两者结果非常接近，其中要注意两者的CFD分析的精度设定需要的参数。

5 结论和展望

从对比结果来看，基于MSC Patran的PCL语言结合C语言开发的Patran集成Fluent接口，本文所阐述的模型转换方法是可行的，它能很好地读取Patran数据库中的模型信息，并转换成Fluent所需要的格式，从而完全可以应用到一些实际的工程项目中去，方便工程分析人员的工作，提高工作效率。

同时该方法也存在一些不足，如Patran和Gambit两者划分网格的方式不一样，Patran更适合固体力学性能分析状况的网格划分，而对流体方面的网格划分支持比较少，在作为Fluent前处理软件划分网格时，很难做到100%的一致，但只要注意网格的划分密度，CFD分析精度设定等因素，对分析结果的影响较小。我们计划下一步利用舰船CFD研究领域的工程实际经验，运用Patran的二次开发语言PCL的强大客户端功能，开发一些专门的前后处理模块，如网格划分、边界条件加载等，进一步避免转换带来的精度误差。

除了Patran和Fluent，市面上还有很多CAD／CAE软件，如HYPERMESH、ANSYS、ADAMS、PHOENICS、CFX、STAR－CD和FIDAP等。Patran集成Fluent处理中的有限元模型转换的方法，无疑可以应用于其他软件之间相互的模型转换。本文介绍的思路与手段，可以用于开发CAD／CAE软件之间各自的接口，将许多业界功能强大的软件集成起来，发挥各自的优势，从而提高CAE软件分析的效率，并有助于诸如流固耦合一类复杂问题的研究，真正实现CAE软件“一次建模，多种分析”。

［1］马爱军，周传月，王旭.Patran和Nastran有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［2］汪学锋，贺晓燕，吴龙周，等.Fluent与Patran的接口实现及其在船舶力学中的应用［J］.船舶力学，2006，10（4）：49－53.

［3］王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［4］朱恒山.CAD、CAE集成中信息模型的研究［D］.北京航空航天大学，2001.

［5］SUZUMORI K.Elastic materials producing compliant robots［J］.Robotics and Autonomous Systems，1996，18 （1－2）：135－140.

［6］谢世坤，黄菊花，杨国泰.CAD／CAE集成中的有限元模型转换之研究［J］.中国机械工程，2005，16（5）：428－431.

［7］李锋，田志锋，周炜，等.MSC Patran集成Fluent的方法及其在船舶工程中的应用 ［J］.计算机辅助工程，2006，15（B09）：65－67.

［8］MSC Documentation Library［CP］.MSC.Software Corporation，2005.

［9］Fluent 6.2 Document［CP］.Fluent Inc， 2005.

Model Transformation in Integration of Fluent Based on Patran

Gu Min-fang1Wang Xue-feng2

1 School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China 2 State Key Laboratory of Marine Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China

The integration of Fluent based on Patran is widely used in ship mechanics computations and fluid－solid coupling analysis.However， the method to transform the models from Patran to Fluent is critical during the integration of the two.Considering the geometric model features of both Patran and Fluent，the details of transform process are described and the application examples are presented.The validation examples show that the discussed method can quickly and efficiently extract the model information from Patran and then convert them into the format of Fluent.At the end，the advantages and disadvantages of the method are discussed and future applications in the integration of the CAD／CAE software are previewed.

finite element model； transformation； PCL； MSC.Patran

U661

A

1673－3185（2010）01－06－04

2009－10－20

国家教育部财政部重大项目（ZXZY019）；海洋工程国家重点实验室专项基金（GKZD01020）

顾敏芳（1984-），男，硕士研究生。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造

汪学锋（1966-） ，男，研究员，博士生导师。 研究方向：船舶与海洋工程。E-mail：wangxuef＠ sjtu.edu.cn