基于NAPA Steel模型导出模块程序的研究

王 靖，岳兴华，金娇辉，杨高胜

（1.农业部 渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092；2.辽宁陆海石油装备研究院，辽宁盘锦 124010）

基于NAPA Steel模型导出模块程序的研究

王 靖1，岳兴华2，金娇辉1，杨高胜1

（1.农业部 渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092；2.辽宁陆海石油装备研究院，辽宁盘锦 124010）

NAPA Steel具有从初步设计到自动生成结构网格模型的功能，将划分好的网格模型导入到有限元分析软件就可以直接对所要分析的结构进行计算。文中以坐底式平台为例，通过基于NAPA BASIC宏程序语言对NAPA数据库中宏程序的再开发，成功实现从利用NAPA进行初步设计到ANSYS结构有限元模型分析，大大减少了有限元结构分析软件建模时间，可以为以后坐底式平台、自升式平台等海洋工程结构打造船舶数字化智能设计平台提供参考，减少设计人员的冗余工作，提高设计效率。

NAPA Steel；软件二次开发；有限元；数字化

0 引言

NAPA软件是目前船舶及海洋工程认可的计算平台，其用于三维结构建模的NAPA Steel模块在初步设计阶段为实现数字化造船提供了先决条件[1]。

由于该软件采用命令操作方式，且提供了 NAPA BASIC这一开发工具，使其对初步设计阶段的诸多大大小小的修改能迅速方便地反映在有限元模型中。

1 研究背景及程序实现流程

ANSYS与波流计算模块AQWA的友好接口，使得其在海工设计中被广泛应用。船舶海洋工程结构物尺寸较大、结构复杂，如在ANSYS中用APDL语言建立CP30系列坐底式平台结构模型[2]，板梁结构建模也需要花费大量的时间和精力，比如初步设计修改频繁，或者后期结构计算需要调整。ANSYS经典模式目前没有操作友好的倒退功能，对建模者要求非常高，修改极其繁琐，甚至可能修改的时间超过重新建模的耗时。APDL语言中一些参数化的理念真正反应到后续改进系列船的快速建模时难度及工作量很大，弃之可惜。其次，为标识几何对象需要编号的规律化，而这往往要求编号至少六七个数量级，增加了总体刚度矩阵半带宽，导致ANSYS运行速度大大减慢。

对于上面提及的APDL语言建模问题，NAPA Steel无疑拥有巨大的优势。首先，NAPA Steel输出的编号均为从1开始连续，总体刚度矩阵最小；其次NAPA Steel修改直观且方便；第三，可通过“船型变换”的方式对母型船进行修改，迅速得到后续改进系列船的模型。

NAPA Steel较之APDL有上述优点，并且操作友好，因此建模效率大大提高[3]。但由于目前NAPA Steel与ANSYS接口并不完善，因此NAPA Steel的优势并不能发挥。目前 NAPA Steel主要通过ADDFEM.ANSYS_ELEMENT_OUTPUT与ADDFEM.ANSYS_KEY_POINT_OUTPUT这两个宏将有限元模型导入ANSYS，前者以节点、单元的形式导入，后者以点、线、面几何体的形式导入。虽然两种方法输出的面或板单元均是 NAPA Steel划分的网格，但两个宏均有一个大问题——输出的梁单元没有赋属性，仅仅是输出线或线单元，如果在此基础上后期再在 ANSYS中赋截面属性，则NAPA Steel建模失去优势。

文中立足于ADDFEM.ANSYS_ELEMENT_ OUTPUT宏的再开发，考虑的重点为已赋属性的单元（包括板单元与梁单元）高效导入ANSYS单元编组。本程序输出的代码在ANSYS中建模顺序为节点、板单元、梁单元。从NAPA Steel到ANSYS软件分析完成总流程见图1。

图1 结构建模分析流程图

2 建模参数输出控制

2.1 模型的建立

首先在NAPA Steel中建立实体模型（见图2），并对实体模型进行有限元网格划分（见图3）。

2.2 节点输出

节点的输出与原宏并没有很大区别，只是增加了对节点就其所属的舱室进行编组，用于模型以后添加液舱载荷，其方法与后述板单元编组类似。

2.3 板单元输出

板单元的输出与原宏相比，增加了一些描述材料、板厚实数的“背景”类代码，另增加了板单元的分组，以方便于在ANSYS中操作（材料、板单元属性以及梁单元属性需要根据有限元计算的要求来设置）。

板厚实数的赋值编号从 1开始，以方便于ANSYS应用时分类清晰[4]。定义存放板厚的数组，

为方便查找等操作，将数值转化为字符。输出时，用LOCS命令查找到板厚对应的实数，如下所示（如结构的材料或类似属性多样，亦可用此种方法进行标识）：

LQFEME, 'real,', (PLTH), R(F=5, U=M)/'locs(plth3,plth)', '$'……

将板单元就其隶属的NAPA Steel中的板进行分组。

@name1=cnc('FEMOBJ*',MODEL,'*')

cat name＞@NAME1

MODEL为有限元模型名称，上述命令可以将其下的各板名称列出来。

然后通过设置输出选项，即可将隶属于同一板的板单元筛选出来。

@NAME2=SBS(le(I),LEN(NAME1)+1,LEN(le( I)))

TOO FEME, HD=N, SELECT=(PLTH＞0,name=@name2)

用下述命令编组：

typeesel,none

……….

…….

type cm,@name2,elem

输出的结果文件如图4所示。由于NAPA Steel中筋是依附于板的，因此筋的分组也是按其隶属的板分组，可以在组名前加不同字母，以示区别。

图2 NAPA Steel几何模型

图3 NAPA Steel有限元模型

图4 ANSYS中全壳单元的显示

2.4 梁单元输出

梁单元的输出是整个再开发的重点，分为以下四步进行，输出到ANSYS里的结果见图5。

图5 ANSYS中梁单元的分组

1）取出各截面属性放入数组PROFID2中，然后将其转化成ANSYS中生成截面的代码；

2）根据模型精度等需要，生成适当数量的用于标识球扁钢（或角钢）球头方向的节点；

3）确定梁的走向，梁的端点决定梁的走向；

4）NAPA Steel中梁单元的节点输出顺序为：

从后向前、向右向左、向下向上，而不是筋的切向叉乘法向决定的方向，二者比较以确定球头方向。

导入ANSYS后，显示所有梁单元，可以看出，代码导入的ANSYS模型中梁的信息是完全正确的，如图6所示。在导入的有限元模型基础上，导入其他计算软件计算的波浪载荷、施加液舱载荷、附舾装等专业质量点，惯性释放后，即可进行有限元分析计算，分析结果如图7所示。

图6 ANSYS中所有梁单元的显示

图7 施加波浪载荷后的有限元模型分析结果

3 结论

NAPA Steel建模效率高，且操作友好；ANSYS为常用的有限元计算软件，且与水动力计算模块AQWA有友好的接口，方便将环境载荷直接导入ANSYS中进行结构强度等分析。通过对NAPA中ADDFEM.ANSYS_ELEMENT_OUTPUT宏的二次开发，成功将二者的优势结合起来，大大减少了有限元建模时间及建模强度，提高了效率。另外，其船型变换功能可以方便地用于后续船型的建模，如坐底式、自升式等结构相似的海洋结构物。

[1]NAPA.NAPA for Design Manuals for Release 2014.3[S].2014.

[2]ANSYS.Mechanical APDL Commands Quick Reference Guide Release 13.0[Z].2012.

[3]丁爱兵, 汪学锋.船舶综合设计软件系统中NAPA的集成研究[J].船舶工程, 2014(2): 91-94.

[4]吴鹏, 曾红, 韩迈.基于 ANSYS的二次开发技术的实现方法[J].辽宁工学院学报, 2004(5): 25-29.

中国首次独立承担国际海事公约配套标准修订工作

从交通运输部获悉，我国首次承担修订的《雷达导航示范课程（操作级）1.07》由国际海事组织一次性通过，成为新的船舶雷达操作适任教学、培训和评估的国际海事标准。经修订的示范课程将由国际海事组织正式出版发行，在全球应用。这是我国首次独立承担国际海事公约配套标准的修订工作。

为保障航海安全和加强航运人力资源建设，国际海事组织制定了雷达导航示范课程标准，在公约缔约国范围内强制实施。此次标准的修订，主要针对船舶自动识别、速度和航程、艏向电子定位系统等多传感器在船舶导航雷达上的集成，对其原理、操作和应用做出培训和教学要求，以切实提升船舶驾驶员的雷达使用技能，有效运用航行信息，保障航行安全。

（来源：新华网）

Research of Program for Modules Exporting Based on NAPA Steel

Wang Jing1, Yue Xing-hua2, Jin Jiao-hui1, Yang Gao-sheng1
(1.Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering of Ministry of Agriculture, Fishery Machinery and Instrument Research Institute of China Academy of Fishery Science, Shanghai 200092, China; 2.Liaoning Petroleum Equipment Institute Co., Ltd., Liaoning Panjin 124010, China)

NAPA Steel has the function of automatically generating the structure features of grid model from the preliminary design.The divided grid model is put into the FEM analysis software and then the structure which needs to be analyzed is calculated directly.Taking the bottom-supported platform as an example, based on the re-development of the macro program NAPA BASIC in NAPA database, it is successfully accomplished from NAPA structure preliminary design to the ANSYS finite element model analysis, which greatly reduces the manual finite element structure modeling time.It provides reference to the future establishment of digitalized intelligent design platform for marine engineering structures such as bottom-supported platforms and jack-up platforms, which can reduce the redundant work and raise design efficiency.

NAPA Steel; software secondary development; FEM; digitization

U663.2

A

10.14141/j.31-1981.2016.02.007

海洋经济创新发展区域示范专项项目“深水网箱养殖产业工程技术研发公共服务平台”（GD2013-D01-001）；农业部渔业装备与工程重点开放实验室开放课题：渔船结构数字化设计技术研究（渔机行科（2012）1号）。

王靖（1985—），女，助理研究员，研究方向：船舶设计。