基于标准中间文件的CAD-CFD接口开发与应用

， ,金建，

(中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 214082)

在船舶流体性能领域虚拟试验系统中，CAD/CFD接口工作无疑是其中的重要一项,而且还是目前比较薄弱的一个环节[1-2]，设计标准格式的型值表便是连接CAD和CFD软件的桥梁。国外对CAD/CAE工具软件进行二次开发已经达到了十分成熟的水平。不管是CAD软件如UG、AutoCAD等，还是CAE软件如MSC、Ansys等，都提供了丰富的二次开发功能，可以让用户直接开发相关的数据接口软件。为了使软件具有更大的通用性，一般国外商用软件都提供多种标准文件的输入/输出，如STEP,IGES等。但这些标准往往只是在CAD之间或者CAE之间可以通用，在CAD和CAE之间，由于模型的表示方法差别很大，两者还存在很大的缝隙。最近几年，一些大公司的最新产品，如Siemens PLM Software、Altair等，在其各个领域的行业解决方案中，集成了多种CAD/CAE之间的所谓的“无缝”连接，其中往往都包含了行业内统一的CAD/CAE标准接口。

在国内，随着近几年CAD/CAE的不断应用，尤其是随着CAE应用的推进，在单一接口方面也已经有了丰富的积累[3]，开发了一系列的CAD/CAE接口，在此过程中，也出现了一些中间文件(中性文件),但这些文件还不够标准，虽然已经开始向专业标准化方向发展，也只是适用于少部分船型；本文讨论基于标准中间文件接口的研发工作。

1 标准中间文件

标准中间文件可采用XML语言格式。XML是可扩展标记语言，它与HTML一样，都是SGML(standard generalized markup language,标准通用标记语言)。它是一种简单的数据存储语言，使用一系列简单的标记描述数据，而这些标记可以用方便的方式建立，虽然XML占用的空间比二进制数据要多，但XML极其简单易于掌握和使用。因此，标准中间文件采用XML格式设计。根据船体型值数据和流体分析设置所需相关参数，归纳为以下节点：版本控制、总体参数、船体型值表、计算域参数、网格信息。

一个标准中间XML文件代表一条船，记录整条船的型值表信息、模型数据和分析设置参数，供各个CAD/CFD软件接口程序使用，文件由6部分组成。

1)XML版本信息。固定XML格式，编码格式是UTF-8。

2)转换程序版本信息。第一行：“$”符号开头为注释行；第二行：文件来源说明；第三行：转换程序版本信息以及文件创建时间。

3)总体参数。第一行：总体参数项。船名，长度单位，船长，垂线间长等；第二行：总体参数值。该模块主要描述船体的总体信息。

4)船体型值表。船体信息又包括4个数据模块：水线，站线，轮廓线，纵剖线。

①水线/站线数据表。水线/站线数据表中的列,表示对应高度的水线；每一列代表一条水线。

②中纵剖线(轮廓线)。第一行代表不同高度的水线面；第二行为相应高度水线面与首尾轮廓的交点，用“”分割；

③纵剖线。第一行为纵剖面位置，即纵剖线的y值，每一列代表一条纵剖线；

5)计算域参数。充分利用XML格式文件节点可扩展特性，设计计算域数据模块保存计算域相关设置参数，可随意增加删除参数个数。

6)网格信息。充分利用XML格式文件节点可扩展特性，设计网格信息数据模块，保存模型网格划分相关设置参数，可随意增加删除参数个数。

2 CAD模型建立

目前，相关研究人员在对船型进行CFD分析时，需要从CAD图的型值信息开始，经历提取型值表，创建船体几何，创建计算域，网格控制点设置，体网格划分，MSH文件生成，材料、属性边界条件设置，迭代求解，后处理结果显示。当船型型值信息改变或者需要对船型进行优化的时候，研究人员需要对整个流程重新操作，但是绝大部分都是重复性工作。本文研究接口程序的目的就是针对于这个现象，对于拓扑结构类似的船型进行自动化建模，将固定的手工流程自动化，缩短在重复工作上的时间，从而提高效率。

接口程序根据标准中间文件XML中的水线，站线，轮廓线等信息，在UG中创建型线，再将船体分为船艏，平行中体(针对带平行中体的船型)和船艉3部分，分别建模。由于球鼻艏和船艉几何形状比较复杂，因此在创建船艏和船艉曲面的时候需要在UG中进行细化。

船艏可以划分成四部分，其中第4部分几何图形复杂，需要进一步细化，见图1、2。

图1 船艏几何建模 图2 细化船艏几何建模

船艉部分，同样首先划分为4个部分，针对第4部分，再次进行细化，针对船艉第6部分，直接建面有可能失败，因此使用了扫掠、裁剪的方法，见图3。

图3 船艉几何建模

加上平行中体部分，就完成创建1/2船面，见图4。

图4 船体几何模型

将从UG中导出的Parasolid文件导入Gambit中， 根据标准中间文件中的相关参数，对船体进行分割，为创建计算域做准备。由于UG建面时对船体进行了细化，在创建计算域几何前对小曲面进行合并,见图5。通过设置的艏部向前，艉部向后和外边界参数，创建计算域几何，见图6。

图5 合并后船体曲面模型

图6 计算域几何模型

3 流体网格划分

网格是CFD模拟与分析的载体，网格自动划分的好坏直接影响到CFD的数值解的计算精度。为使模拟的船体流场更加精确，采用了六面体/五面体的混合的结构化网格。绕流场主要使用O型和C型两种网格。

网格疏密使用边网格点进行控制，原则是近壁区的边网格点数量多，满足y+要求，远离壁面区域边网格点数量逐渐减少。划出的体网格在壁面处非常精细，艏艉区域的网格较密，外部区域稀疏，经验和结果证明这样的设置更能准确地模拟船体的流场。在艏部、平行中体、艉部的各个边上按照图7中的方式进行布置网格点。轴向上一般均匀布置，轴向大多需要设定疏密过渡的网格点，径向和轴向的根部需要设定初始网格高度，满足y+要求，同时沿径向和轴向需要疏密过渡。通过网格点，直接生成体网格。

图7 网格模型

Gambit的Journal文件即记录下Gambit图形界面中的每一个操作后的命令行，针对拥有相同拓扑结构船型在船体分段、计算域创建后的几何是相同的。因此，根据专业人员的手工建模流程，本文设计的接口程序研究出一套适合自动化的流程，并根据Gambit提供的一系列函数，控制自动化中的每一步命令生成的几何点、线、面或者体的编号，可将整个建模、网格创建过程自动化，最后实现系列船型的参数化建模。

4 CFD分析

网格划分之后，设置边界属性，分别为Wall,SYMMETRY,VELOCITY_INLET和PRESSURE_OUTLET。并导出MSH文件。Fluent参数分为3种，分别是基本参数，高级参数和系统参数[4]。

4.1 基本参数

针对不同的状态，需要设置的参数不同，见表2。

表2 基本参数

4.2 高级参数

该参数仅在运行前显示给用户查看，不需要进行修改。见表3。

表3 高级参数

4.3 系统参数

求解设置，迭代设置(湍流迭代)，见表4。

表4 XML文件结构

在Fluent中导入MSH文件，分别设置材料、属性、边界条件和迭代条件，进行计算，计算结果显示见图8～10。

图8 阻力曲线和阻力系数

图9 自由面兴波和表面兴波轮廓

图10 艏部、舯部、艉部流线

由图8～10的分析结果可知，接口程序生成的MSH文件在Fluent中分析的结果，与通过CAD手工建模、Fluent手动分析之后的结果基本一致。所以基于自定义的标准中间文件，进行CFD分析技术是可行的，并且以此为基础可以实现船体型值数据抽取和解析自动化。

[1] 邱辽原，周 凌.回转体三维绕流场数值计算[J].中国造船,2006,47(4):1-6.

[2] 朱恒蕊，叶恒奎.轴对称回转体的CFD分析及厚边界理论计算[J].中国水运,2007,5(1):179-180.

[3] 张 楠.潜艇流水孔流场与阻力的数值预报方法与回归分析研究[D].无锡：中国船舶科学研究中心,2004.

[4] 张 楠，沈泓萃，姚惠之.潜艇阻力与流场的数值模拟与验证及艇型的数值优化研究[J].船舶力学,2005,9(1):1-13.