激光焊接夹层板结构设计程序开发

胡宗文，刘 昆，张延昌，王自力

(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

折叠式夹层板较之于传统的船舶加筋板架具有良好的吸能特性，可用于船舶耐撞、抗爆防护结构设计［1-2］，近几十年中，夹层板在船舶上的研究和应用得到了很大的发展［3-5］，主要应用于承受横向载荷的局部结构如甲板、舱室围壁、岛屿、门等部位。随着研究的深入，折叠式夹层板也可应用于承受总纵弯曲载荷的强力构件，如舷侧外板、内底板、外底板、强力甲板板等构件［6-8］。国内外现行的夹层板船舶结构规范 (指南)大多局限于SPS 系统［9-10］，无法满足折叠式夹层板船体结构的相关设计，采用有限元软件进行折叠式夹层板直接设计校核是目前较为常用的研究手段。

折叠式夹层板因其独特的夹芯形式，在有限元分析中需要花费较长的建模时间，尤其分析多种不同型式及尺寸的折叠式夹层板性能时工作量十分巨大。因此在夹层板研究中，开发适用于夹层板结构设计、强度校核、性能分析等集多种功能模块的夹层板结构研发工具，有广阔的前景和实际意义。目前，针对于夹层板设计模块的有芬兰Componeering公司研发的ESAComp software 软件，该软件集成了一个金属夹层板模块，可用于分析、定义I 型、V型、O 型、C 型等夹层板的力学性能［11］。国内在涉及折叠式夹层板方面软件开发应用较少。本文基于有限元软件MSC.Patran的PCL (Patran Command Language)语言，针对折叠式夹层板结构特征开发夹层板结构设计程序FEA-LASCOR (Finite Element Analysis of LASer-welded corrugated CORe program)，快速完成夹层板结构参数化建模、屈服强度分析、结果处理等工作，为夹层板数值仿真分析提供快捷高效的分析工具。

1 PCL 语言

MSC.Patran 在船舶结构设计、分析等领域应用较为广泛。PCL 作为其命令语言，是一个高级、模块化结构的编程语言和用户自定义工具。进行PCL程序语句编写时可以脱离MSC.Patran 环境直接在记事本文件中进行编写，并将文本保存为“*.pcl”格式的文件即可。也可以直接在MSC.Patran 软件中的命令行直接输入，并由“*.ses”文件自动记录输入历史，通过修改“*.ses”文件中代码进行函数语句编写。

PCL 函数结构同大部分程序语言一样以FUNCTION function_ name 开始，END FUNCTION结束。其使用的语法与大多数高级语言类似，除提供一般高级语言的所有数据类型及数学运算函数外，还提供IF THEN ELSE、Switch and Case、While、For 等常用运算控制语句。此外，函数名、变量名等标识符由1～31个字符组成，包含字母、数字和下划线，且第一个字符不能是数字［12］。为便于程序的可读性，在PCL 程序代码中允许换行和添加注释。当某行代码较长时可以添加“@ ”符号进行换行。PCL 程序代码的注释形式为“/*需要注释的内容* /”，注释内容可以呈多行且不参与程序的运行。总体上而言，PCL 较容易被用户接受和掌握。

在PCL 语言中类(Class)函数是其中一种重要的结构，它实际上是1 组PCL 函数的组合，经常会在编制用户界面时用到。为了程序的初始化和显示界面控件表格，在 CLASS 结构中必须包括FUNCTION init ()、FUNCTION display ()函数。类的主要结构如下［12］:

除用户自编的函数外，PCL 提供了大量的库函数，这些函数包含在库文件p3patran.plb 中，在MSC.Patran的环境下可方便调用，减少用户程序开发过程中的工作量。

2 夹层板结构设计

折叠式夹层板通过金属面板与金属夹芯层通过激光焊接形成，又称为激光焊接夹层板，夹芯层为金属折叠式薄板或构件。国内外已提出的折叠式夹层板夹芯形式有V，U，I，Vf，C，Z，hat-profile，Key，Tube，Square- tube，X 型等10 多种结构形式［5，13］，可依据夹芯层结构形式方便的对该型夹层板进行命名，如夹芯结构呈V 型排列的夹层板可称之为V 型夹层板。在结构防护性能和结构建造成本方面U-I，U-IV，V-I，V-IV 等4 种结构的夹层板优于其他夹层板结构，作为船体构件有较大的应用前景［13］。上述几种夹层板结构形式及尺寸参数如图1所示。

图1 夹层板尺寸参数Fig.1 Principal features of folded structure sandwich panels

图1 中的U-I 型夹层板结构的夹芯层为间断不连续结构;U-IV，V-I，V-IV 型夹层板结构的夹芯层为连续结构;V-IV的夹芯结构程三角正弦(余弦)布置。图中各参数说明如下:a，b 为夹层板面板单元宽度;W-Width 为夹层板板格宽度，w为夹层板单元宽度，对于U 型夹层板结构w=a+b，对于V 型夹层板结构w=a;L-Length 为板格长度;h-height 为板格高度;tft，tfl，tc分别为夹层板上、下面板及夹芯结构厚度，下标中，ft 为上面板，fl 为下面板，c为夹芯层。

通过以上参数可以确定整个夹层板板格的结构形式。此外不难发现，夹层板结构虽然复杂，但其结构可由多个夹层板单元重复排列组成，折叠式夹层板结构具有一定的参数化建模基础。

3 夹层板结构设计程序开发

本部分基于U-I，U-IV，V-I，V-IV 四种不同形式的折叠式夹层板开发夹层板结构设计程序(FEA of LASCOR)。程序作为一个模块直接嵌入MSC.Patran 界面，方便用户操作。

3.1 程序主菜单

程序的开发按照MSC.Patran的建模习惯，依次进行建模、设置约束及载荷、提交分析计算、结果处理等步骤，具体流程如图2所示。

菜单项设置根据MSC.Patran 使用习惯设置，主要分建模、载荷及边界、提交计算、结果处理等4个模块。创建菜单的类结构中调用ui_ menu_ create()，ui_ item_ create ()，ui_ exec_ function ()［12］等函数，分别用于创建主菜单、菜单条款及调用响应的函数等。程序编写完成后需要进行调试，可以直接打开一个Patran 程序，在命令行中输入“!!input file_ name.pcl”，回车后就可以在命令行中看到程序是否正确。

直接在MSC.Patran的命令行中输入命令语句调用编写完成的程序，也可在目录文件夹下用记事本编译器新建p3epilog.pcl 文件，将命令语言 “!!input file_ name.pcl”和“ui_ exec_ function ("class_ name"，" init")”保存到p3epilog.pcl 文件中，在目录文件夹下重新运行MSC.Patran 时就可以显示如图3所示程序菜单。对主菜单中每一子菜单项的单击都会进入相应的程序界面。单击“Create Sandwich Panel”，通过选择不同的夹层板结构类型可以进入夹层板建模界面;单击“Load ＆Displacement”进入载荷及约束条件设置界面;单击“Analysis”进入提交分析界面;单击“Result”可以进入结果处理界面。

图2 程序开发流程Fig.2 Flow chart of program development

图3 菜单界面Fig.3 Menu interface

3.2 夹层板结构设计模块

PCL 语言提供了丰富的表格和菜单库，供开发用户自编分析程序或者特定的图形界面。夹层板结构设计模块中通过从用户界面输入不同的夹层板结构尺寸，快速完成夹层板模型建立，得到不同形式的夹层板结构。折叠式夹层板参数化建模主要流程如图4所示。从流程图中可以看到夹层板建模模块的开发中主要分为建模函数编写、交互界面创建2个部分。

图4 夹层板参数化建模流程Fig.4 Flow chart of parametric modeling

如U-I 型夹层板建模函数的编写过程，先新建一个sui_ create.txt 文件，写入程序代码，保存后将文件更名为sui_ create.pcl 就完成了程序编写。UI 型夹层板建模函数主要结构如下:

由于MSC.Patran 运行过程中所有的操作都会记录在“*.ses”文件中，因此在函数编写时可以利用PCL 函数语言在MSC.Patran 中进行建模，然后对“*.ses”文件中的记录代码按函数要求进行修改、调试，得到满足函数要求的“*.pcl”函数文件，完成夹层板建模函数的编写。该方法可以很大程度上缩短函数编写的时间，降低代码的错误率，减少调试次数。

用户界面的创建可以方便用户参数输入，提高程序的可操作性与便捷性。在开发用户界面时，PCL 提供了一系列与表格位置及大小有关的参数和用户界面函数，程序开发人员可方便调用。调用ui_ form_ create ()［12］并对其内部参数变量进行修改可以得到满足要求的用户主窗口。U-I 型夹层板用户窗口函数如下:

对于窗口位置及尺寸参数，在安装目录下的“appforms.p”文件中有程序默认的标准尺寸，只需在代码编写时设置成类似FORM_ X_ LOC、FORM_ WID_ SML 等程序默认的标准尺寸参数，在Class函数之前添加“include " appforms.p"”语句，在对程序编译过程中，程序会自动将位置、尺寸等默认参数编译成程序语言，形成Patran 风格的标准窗口。

在主界面内，使用ui_ botton_ create ()可以用于创建一个按钮，使用ui_ databox_ create ()产生数据输入对话框等，调用ui_ labelicon_ create()函数在用户界面添加结构示意图，方便用户参数输入。将上述内置函数在Class 结构中集成，并调用夹层板建模函数，可得到图5所示的各型夹层板结构设计界面。通过在界面中输入对应的夹层板几何参数及有限元网格控制参数就可以方便的完成折叠式夹层板建模工作。

图5 夹层板建模界面Fig.5 Modeling interface of corrugated cores sandwich panels

3.3 约束及载荷设定

利用PCL 开发载荷及边界约束定义模块，缩短有限元分析时间，方便约束设置及载荷加载。为方便程序操作首先编制如图6所示交互界面。用户界面分为主界面、约束设置界面、载荷添加界面3个部分。从主界面可以进入约束、载荷设置界面。约束设置界面(Displacement)中，在“Translations”输入框中设置位移约束，在“Rotations”输入框中设置转角约束，在“Select node”对话框中可以选择需要约束的节点，所示参数设置好之后按“Apply”键程序就可以完成约束设置，按“Cancel”键取消参数设置。载荷添加界面(Add load)中，通过在“Enter the Pressure”输入框中输入载荷大小就可以完成均布载荷施加。

图6 约束及载荷设置界面Fig.6 Interface of displacement ＆ Load

设置边界约束及载荷时需要调用loadsbcs_create2 ()［14］函数。设置边界条件中，对于约束节点的选取，首先用ui_ wid_ get_ vstring ()从输入框中选择节点号，再用sys_ allocate_ string ()函数分配存储控件，之后将节点号赋值给节点变量，约束函数调用时即可实现对所选节点的边界定义。

载荷添加函数需要解决的问题是载荷施加单元的自动选取。程序中夹层板均布载荷施加在夹层板的上面板，具体过程如下:首先通过函数db_ get_ group_ id ()获取上面板单元所在分组的属性，接着调用程序中db_ count_ elems_ in_group ()函数量取单元数量，用db_ get_ elem_ids_ in_ group ()函数获取上面板单元信息，赋值给程序中定义的单元变量，运行载荷施加函数实现程序中的载荷添加。

3.4 结果处理

夹层板结构设计程序结果处理部分主要分为分析(Analysis)和结果处理(Results Analysis)两部分，主要界面如图7和图8所示。通过鼠标点击主菜单栏中的Analysis 选项进入如图7所示分析模块界面，该窗口主要用于模型提交计算。在Analysis界面窗口中输入计算文件名，同时选择分析方式(分为屈服分析和屈曲分析)，通过提交生成满足分析的模型文件用于模型的计算。

图7 提交计算界面Fig.7 Interface of Analysis

图8 结果处理界面Fig.8 Interface of Result

通过鼠标点击菜单栏中的Result 选项进入到图8所示的结果处理界面。在Results Analysis 窗体中分为导入计算结果和输出分析结果2个部分。导入计算结果部分(Step1)中，首先通过Select the *.op2 file 按钮用于结果文件选取，选择文件后利用窗体中的Apply 按键程序自动读入计算结果到MSC.Patran 中;输出分析结果部分(Step2)中通过点击OUTPUT 按钮事件输出结果文件，主要包括应力-变形云图，最大应力、变形值等。退出窗体可以通过Cancel 按钮实现。

3.5 编译函数库

通过对用户窗口的建立，在目录文件夹下基本能够完成程序的使用跟操作，但是由于“*.pcl”与“*.cpp”文件较多，其中任何一个文件的缺失都可能导致程序无法正常运行。因此，将众多的函数文件编译成一个数据库文件“*.plb”很有必要，而且还能够减少存储空间。

以本文中需要编译的函数库文件FEA_ of_LASCOR.plb 为例，编译函数库的主要语句为:“!!library create FEA_ of_ LASCOR.plb 0”、“!!compile filename.pcl into FEA_ of_ LASCOR.plb”。将程序开发过程中的“*.pcl”、“*.cpp”文件编译到数库文件FEA_ of_ LASCOR.plb 中。

数据库编译完成后，将数据库文件FEA_ of_LASCOR.plb和p3epilog.pcl 文件复制到安装目录文件夹内，将位图文件复制到安装目录文件中的“icons”文件夹内，运行MSC.Patran，夹层板设计程序就可以正常应用。

4 程序算例及验证

对开发的夹层板结构设计程序进行有效性和实用性进行验证。为了便于叙述与对照，文中提到的传统分析所指的是采用MSC.Patran 传统的建模和载荷设置等分析方式，程序分析指的是利用二次开发的夹层板结构设计程序(FEA- LASCOR)对夹层板结构进行力学性能分析。

4.1 有限元模型

选取1 000 mm×1 000 mm×50 mm 大小的夹层板板格进行分析对比，有限元模型均采用shell 单元模拟，边界均为四周刚性固定，上面板受0.5 m 高水压。结构弹性模量E=2.06 × 1011，密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3 。夹层板结构参数如表1所示，具体有限元模型如图9所示。

对比图9 中2 种方式得到的有限元模型可以看到，利用FEA- LASCOR 程序创建的有限元模型与采用传统建模得到的有限元模型并无明显区别。

表1 夹层板模型参数Tab.1 Parameters of sandwich panels

4.2 结果对比

利用MSC.Patran 及二次开发程序对图9 中的4种夹层板结构在5 kPa 均布载荷作用下力学性能进行分析。计算结果如图10所示。

图9 夹层板有限元模型Fig.9 FEM model of folded sandwich panels

图10 夹层板应力-变形云图Fig.10 Stress ＆ Deformation graph of folded sandwich panels

对比图10 两种结果无明显区别，说明利用二次开发技术得到的夹层板结构设计程序出图合理;此外利用传统出图方式输出的图形大小格式上会有所差异，需要对输出界面进行调整，而利用程序自动输出的图形大小及格式较为统一。

程序适用性效果如表2所示。从表中的结果比较可以看到:1)利用FEA-LASCOR 程序计算得到的结果与传统分析计算得到的结果无明显区别，说明夹层板结构设计程序设计合理，结果有效;2)FEA-LASCOR 程序对夹层板进行分析时，结构建模、分析设置等方面所需时间明显少于传统分析所需时间，利用夹层板结构设计程序对夹层板进行力学性能分析效率得到明显提高。

5 结 语

1)PCL 语言语法上同其他高级程序语言类似，函数命令使用方便，能够较容易被用户接受和掌握。利用PCL 语言对MSC.Patran 二次开发可以快速实现结构有限元建模、载荷边界施加、结果处理等有限元分析过程，同时通过编制用户界面实现程序的可操作性。

2)基于PCL 语言对MSC.Patran 进行二次开发，得到了激光焊接夹层板结构设计程序(FEA-LASCOR);该程序具有与传统数值仿真分析一样的精度，可用于夹层板船体结构设计。

3)通过在FEA-LASCOR 用户界面简单操作即可实现折叠式夹层板结构快速建模、屈服强度分析、结果处理等。与传统的有限元分析方式相比，该程序是一种高效的夹层板建模和数值分析工具。

4)随着激光焊接夹层板结构在船舶上的不断应用，开发适用的夹层板设计工具，在船用夹层板结构的研究领域有着较大的应用前景和工程意义。

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