利用PCL语言查看船体剖面特性

唐旭东

（上海交通大学 上海 200030）

利用PCL语言查看船体剖面特性

唐旭东

（上海交通大学 上海 200030）

MSC.Patran；PCL；剖面特性；惯性矩

PCL（Patran Command Language）语言为MSC.Patran的二次开发提供了强大的功能。利用PCL语言编写程序来计算船体剖面惯性矩、剖面模数及中和轴位置等剖面特性。

0 引言

船体梁剖面特性包括剖面面积、剖面惯性矩、中和轴及剖面模数等，这些参数在船舶结构设计中有着重要的作用，如船体总纵强度计算中需要校核剖面模数，舱段有限元分析中创建端面约束或查看剖面内弯矩时需用到中和轴位置等。

目前，一些船级社的专用软件可以计算剖面特性，如DNV船级社的Nauticus软件和BV船级社的Mars 2000软件等。然而随着有限元分析方法的应用日益广泛，我们在进行结构计算，特别是利用MSC.Patran做舱段有限元分析、优化时，可能会频繁地对列板的宽度、厚度或扶强材的尺寸进行调整，此时，若能直接用MSC.Patran本身来查看船体剖面特性，将会带来诸多方便。本文正是基于这点，利用PCL语言编写程序，开发了MSC.Patran的扩展界面，通过选择组或单元，计算出船体剖面惯性矩、甲板处和船底处的剖面模数、中和轴位置、有效截面积以及简单的开口薄壁截面在单位剪力作用下的剪应力分布等剖面特性。

1 原理概述

MSC.Patran本身不具备查看模型剖面特性的功能，但可以查询选定单元的质量、质心位置和转动惯量等物理特性，而这些物理特性在一定条件下可以推导出剖面特性，本文主要阐述由转动惯量推出剖面惯性矩的原理，其余如中和轴位置、剖面模数就迎刃而解了。

1.1 由转动惯量推出剖面惯性矩

转动惯量与剖面惯性矩是两个不同的概念。转动惯量是刚体转动时惯性的度量，它等于刚体内各质点的质量与质点到轴的垂直距离二次方乘积之和，对于质量连续分布的刚体，转动惯量可表示为J=m∫r2d m。剖面惯性矩是剖面的几何特性，指剖面各微元面积与各微元至剖面上某一指定轴线距离二次方乘积的积分，可表示为I=A∫r2d A。从数学上来分析，转动惯量与剖面惯性矩都是二次矩，在一定条件下可以通过转动惯量推出剖面惯性矩。

如图1所示，CG为刚体的质心，xyz为过CG的坐标系，刚体在x方向是等截面的，长度为l，刚体绕y轴的转动惯量可以表示为：

图1 刚体的转动惯量

式中：

d m为微质量，kg；可表示为d A·d x·ρ。d A为yz剖面上的微面积，m2；ρ为刚体密度，kg/m3。

r为微质量到质心的距离，m；表示为r2=x2+z2。

所以，式（1）可以表示为：

对式（2）中的二重积分进一步转化，可得：

式（3）中：A∫z2d A即为yz剖面内绕y轴的惯性矩，用Iy表示，则：

式（4）的成立必须符合如下条件：均质刚体，沿x方向等厚、等截面。在利用MSC.Patran建立船体模形时，材料一般为钢材，密度相同，沿x方向一般按肋位划分网格并且相邻两个肋位的截面面积可以认为相等，因此可以用式（4）来计算剖面惯性矩。

1.2 组合剖面的惯性矩

在计算船体剖面惯性矩时，并非所有的构件都是按100%剖面积计入的，船级社对此有特别规定。例如中国船级社规定：在计算耙吸挖泥船剖面惯性矩时，对两端有良好过渡的箱形龙骨可计入85%的剖面积。若把计入百分比记为f，在计算时，可以按不同的f值将船体构件分为若干组，再用组合剖面的惯性矩公式求出组合惯性矩。根据定积分的性质及平行移轴公式，组合剖面惯性矩可表示为：

式中：

Iyi为第i组剖面相对于组合后中和轴的惯性矩，m4；

Iy0i为第i组剖面相对于自身中和轴的惯性矩，m4；

ai为第i组剖面自身中和轴与组合后的中和轴之间的距离，m；

Ai为第i组剖面面积，m2；

fi为第i组剖面计入组合惯性矩的百分比。

组合后的中和轴：

式中：Sy为组合剖面的静矩，m3；

A为组合剖面的有效面积，m2；

Ai为第i组剖面面积，m2；

zi为第i组剖面中和轴，m。

1.3 开口薄壁截面的剪应力分布

根据材料力学的理论，开口薄壁构件受弯时的剪应力τ可假定沿壁厚方向均匀分布，其大小为：

式中：Qz为计算截面z轴主平面内的剪力，N；

Sy为计算剪应力处以上（或以下）截面对中和轴y轴的面积矩，m3；

Iy为绕y轴的截面惯性矩，m4；

t为计算点处的板厚，m。

对于闭口薄壁构件受弯时的剪应力分布计算相对复杂，利用PCL语言来实现有一定困难，还有待进一步研究。

2 程序的实现

MSC.Patran的PCL（patran command language）语言为Patran的二次开发提供了强大的功能。用户可以通过PCL语言调用Patran的数据库、调用Patran的内部函数、创建用户面板以及自定义函数等。

本程序主要调用了以下函数：

ui_form_create创建用户面板“剖面特性”；

ui_switch_create创建选择开关

ui_text_create创建文本框

ui_button_create创建执行按钮

mass_prop_create提取质量特性

res_utl_create_elem_result生成结果文件

res_display_fringe_create生成应力云图

section_characters自定义函数，生成剖面特性

section_shear自定义函数，生成剪力流云图

section_characters和section_shear两个自定义函数是把式（4）~（7）程序化，根据mass_prop_create返回所选单元的质量、质心、转动惯量等参数计算出剖面的惯性矩、中和轴位置等剖面特性及生成剪力流云图。在p3toolbar.def中创建工具栏按钮，并指向自定义函数生成程序界面，如图2所示。

图2 程序界面

3 程序的应用

图3 某耙吸挖泥船泥舱典型横剖面

图3为某耙吸挖泥船舱段有限元分析中截取的泥舱典型剖面，其中，底部箱形龙骨参与剖面惯性矩的有效比例为85%。在Patran定义两个组Moment_Mid*0.85和Moment_Mid，并将箱形龙骨处的单元加入Moment_Mid*0.85组中，其余单元加入Moment_Mid中，程序会根据组名称判断该组内单元参与剖面惯性矩的有效百分比。点击工具栏图标调出程序界面（如图2），选择Moment_Mid*0.85和Moment_Mid组，点击“确定”按钮查询剖面特性。对于开口薄壁截面，可输入截面剪力，点击“剪力流”按钮生成剪应力分布图（如图4）。

图4 开口薄壁截面在单位剪力作用下的剪应力分布图

值得注意的是，在MSC.Patran中使用封闭单位系统，若采用T-mm-s的单位制，则剖面特性中各参数的单位分别为：惯性矩Iy（mm4），中和轴（mm），剖面模数（mm3），有效面积（mm2）。

表1 结果比较

表1为利用MSC.Patran和Mars 2000中查询的剖面特性对比，其结果非常接近。

4 结语

通过PCL语言编写的程序，在MSC.Patran中查看剖面特性的操作非常简单，有一定应用价值。

［1］MSC.Patran User’s Manual［Z］.

［2］刘烈全，梁枢平编.材料力学［M］.华中理工大学出版社.

［3］章伟星，徐立等.利用PCL语言开发船用型材库［M］.中国船级社.

［4］任慧龙等.基于PCL的船舶自动加载方法（C）.MSC.Software中国用户论文集.2002.

Examination on hull section characteristics with PCL language

TANG Xu-dong
（Shanghai Jiao tong University，Shanghai 200030，China）

MSC.Patran；PCL；section characteristics；section moment of inertia

PCL（Patr an Command Language）provides a powerful function for secondary development of MSC.Patran.This paper describes the programs based on PCL for calculating the hull section characteristics，such as the hull section moment of inertia，the section modulus，the neutralization axis and so on.

U663

A

1001-9855（2011）03-0027-03

2011-01-19；

2011-04-12

唐旭东（1980-），男，汉族，工程师，上海交通大学在读工程硕士，主要从事船舶结构研究设计工作。