结构有限元模型局部细网格快速生成方法

张志康，韩 钰，林 焰，陈 彬，唐 宇

（1. 大连理工大学 船舶CAD工程中心，辽宁 大连 116024；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

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结构有限元模型局部细网格快速生成方法

张志康1,2，韩 钰2，林 焰1，陈 彬2，唐 宇2

（1. 大连理工大学 船舶CAD工程中心，辽宁 大连 116024；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

在船舶结构设计环节，一般采用直接计算方法评估结构强度。对于应力集中区域，需采用子模型法进行细网格计算。考虑到这项工作繁琐费时，严重影响设计效率，提出一种快速生成结构有限元子模型局部细网格的方法。该方法基于“由几何生成有限元网格，并采用添加辅助硬线以保证网格质量”的思路。利用Visual Basic语言，基于Catia和Femap的二次开发功能，编制可靠、实用的程序，可极大地提高子模型的建模效率。以某集装箱船的舱口角隅为例，验证其可靠性和快速性。

细网格；Catia；Femap；二次开发

0 引 言

目前，船舶结构强度直接计算法已被广泛应用在各类船舶的设计与研究中，主要包括设备加强计算、舱段计算和全船计算等3类。在工程实践中，常采用的流程是首先进行整体粗网格模型有限元计算，其次筛选出应力集中区域和关注区域，最后通过建立子模型进行细网格计算，校核关键部位的结构强度[1]。子模型作为局部模型，其单元属性、边界条件和载荷均可由成熟的工具自动从粗网格模型中获取，并进行独立的有限元计算。子模型中某些局部细网格需单独建立，这项工作不仅枯燥烦琐，而且费时费力，特别是因为不规则结构（如不规则开孔和舱口角隅等）的存在，会严重降低结构设计的效率。

为解决上述有限元建模效率较低的问题，国内已进行许多相关研究。朱永洲等[2]基于过程重用的思想，利用Catia和Patran实现机翼结构有限元快速建模。陆善彬等[3]基于HyperMesh，应用Tcl/Tk语言和内置函数开发整车铆接SPR2的有限元快速建模模块。李平书等[4]利用二次开发技术，根据AutoCAD中的二维结构图，实现快速生成船舶结构的三维有限元模型的功能。单威俊等[5]针对舱口盖的结构特点和人工建模流程，利用Patran二次开发技术，设计开发参数化有限元建模程序。总体而言，有限元快速建模技术在船舶领域的应用较少，尤其是结构强度计算方面。

本文在国内外已有的相关研究的基础上，提出一种快速生成结构有限元模型局部细网格的方法（见图1）。首先对局部结构几何建模过程中用到的方法和规则等知识进行封装；其次采用模板参数化技术实现其外形几何模型的快速生成，并进一步通过添加辅助硬线控制网格划分，以保证网格质量满足计算要求及保证网格边界的协调性；最后通过自动划分生成细网格。本文利用以下2款软件，对其进行二次开发，以便实现该方法。

Catia V5是法国达索公司开发的一款高端

CAD/CAM/CAE软件系统，在几何参数化建模方面有独特优势。此外，为满足用户对专业化和工作效率的需求，该系统提供了强大的二次开发接口[6]。然而，该版本的有限元建模和分析模块尚不完善，且计算结果还未被船舶行业所认可。因此，采用Femap11.2软件进行有限元建模。Femap是一款高级工程有限元建模和分析应用程序，具有高端的有限元前后处理器；同时，与Catia一样支持Visual Basic对其进行二次开发，且数据接口良好，满足各类导入、导出需求[7]。

1 几何模型

创建准确的几何模型是实现上述方法的关键，本文从分析局部结构的关键参数入手，利用进程外应用程序（Out-Process Application）的方式驱动Catia完成外形几何模型的创建，并结合专业规范的要求为其添加辅助硬线，以保证网格质量。下面以简单的单圆弧正角隅为例说明该过程。

1.1 关键参数分析

单圆弧正角隅常见于大型集装箱船的货舱舱口角隅处，是一种有效的减少应力集中的结构形式。本文基于“定形+定位”的思想，分析其主要控制参数，实现几何外形的快速生成。

1) “定形”：确定单圆弧正角隅的形状，经分析共包括5个形状参数，分别为1个半径、2个宽度和2个长度参数。

2) “定位”：保证局部结构细网格能直接准确地嵌套在子模型中。本文采用与子模型相同的全船坐标系，通过参考点坐标和开口方向确定其空间位置，共有3个位置参数，分别为1个三维点坐标和2个定位轴的值。

另外，考虑到主甲板处可能会有梁拱，再添加一个位置修正参数，即梁拱升高角度。单圆弧正角隅及其关键参数分别见图2。

1.2 添加辅助硬线控制

对局部结构的外形几何自动划分往往不能生成理想的有限元细网格，因此必须添加辅助硬线来控制网格划分。本文结合相关规范的要求，归纳工程实践经验，总结出一套完善的细网格划分控制方法。对于单圆弧正角隅，其圆弧自由边处为高应力区域，必须划分高质量的有限元网格，通过分析，最终确定添加3条辅助硬线的方案（见图3）。辅助硬线CL1为一段与R同心的圆弧，半径差为所需的细网格尺度；CL2和CL3均与CL1相交，且指向圆心O，这样便能保证最后的网格质量。若有限元网格质量要求更高，也可在辅助硬线CL1的外圈增加一段半径为R+2×网格尺寸的同心圆弧。

1.3 创建几何模型

经过关键参数和辅助硬线分析，即可利用VB驱动Catia进行快速几何建模。具体处理方式为：首先建立基础几何长方形，其次利用圆弧切割，随后进行L1和L2两段长方形的拉伸操作，最后合并各曲面，完成“定形”操作。“定位”操作主要利用平移和旋转功能确定其空间位置，最后利用切割几何的思想实现添加硬线的功能。部分操作代码如下：

此处只给出代码的一部分，凭借 Catia强大的参数化建模功能，只需上述几个关键参数便可建立局部结构的外形几何模型，无须计算各点坐标，因此编写任务并不繁重。

2 有限元模型

2.1 数据接口

在完成几何建模之后，只需利用Catia与Femap之间的数据接口，保存中间文件*.model，便可将其导入到Femap中进行网格划分，实现CAD模型向CAE模型转换的无缝衔接。该过程可由代码控制自动完成，部分代码如下：

2.2 网格划分及赋属性

由于是对曲面进行自动网格划分，因此只需控制网格的大小。另外，单元的属性可通过前期在Femap中创建、后期在程序中自动调用其ID进行赋值的方式完成，部分操作代码如下：

至此，单圆弧正角隅的细网格划分完成，过程见图4。细网格圆弧自由边上均为边长=50mm左右的四边形单元，满足规范对利用细网格进行屈服强度校核的要求。

3 程序开发

搭建程序整体框架，采用Visual Basic语言，基于VB 6.0平台编写程序，并创建良好的用户界面，以提高其程序的可操作性和交互便利性。

根据本文提出的方法，并参照上述实现流程，选取几个典型的局部结构作为对象编写参数化建模程序。编写对象主要分为开孔和角隅2种，具体结构分类见图5。每个局部结构都有其特点，因此在分析关键参数和添加硬线等环节处理方法不同，但大体上与上述思路相近，本文不再展开说明。

程序主体框架呈星形，以主窗体为中心，连接各节点的子窗体。该结构简单明了、可拓展性强。主窗体作为程序的主界面，具有启动关联软件、选择结构类型和关闭程序等作用（见图6）。子窗体具有主要参数输入和快速建模的功能，同时具有交互性的提示功能，随着输入的“定位”信息的改变而在窗体左侧显示不同的示意，更加贴切、直观。单圆弧正角隅的子窗体见图7。

选取常见的尺寸对各局部结构进行建模，网格大小取50mm，各局部结构细网格模型见图8。

4 实例应用

为验证程序的可靠性和快速性，阐述操作过程，以某超大型集装箱船的舱口角隅为例进行验证。该角隅为椭圆弧正角隅，位于机舱前相邻货舱舱口围顶板处（见图9）。该类船型具有大开口的特点，且大量使用高强度钢，导致货舱舱口的角隅疲劳强度问题突出，通常需多次优化才能满足规范的要求。因此，不论是板厚变化，还是几何形状改进，都需重新划分局部细网格，建模工作量非常大。

借助开发的程序建立子模型，具体操作流程如下：

1) 打开本文开发的程序，进入主界面，点击按钮启动Catia和Femap软件；2) 向Femap中导入子模型并初步细化；

3) 参照图纸确定局部结构的形状、位置和属性；

4) 在Femap中确定局部结构的板单元属性ID（若没有该属性，则手动创建）；

5) 在程序主界面选择“椭圆弧正角隅”角隅类型，点击“确定”；6) 进入子窗体后，输入关键参数、网格大小和属性ID，点击“创建”；7) 在Femap中完善网格，保证其协调性，子模型的舱口角隅细网格划分效果见图10。

通过上述操作，便可快速生成高质量的局部细网格。与传统的手动创建方法相比，运用开发的程序使得效率有了极大提高。

5 结 语

本文提出的方法可有效解决船舶结构有限元模型局部细网格划分效率较低的问题，既有利于提高结构设计效率，又可为其他有限元二次开发问题提供参考。实测证明，本文开发的程序实用、可靠，能在一定程度上减少设计人员的重复劳动。另外，局部细网格与相连结构网格之间的自动细化过渡技术具有后续研究价值，实现后可进一步提高设计效率。

[1]韩钰，陈磊，王伟飞，等. 超大型集装箱船的结构设计[J]. 船舶与海洋工程，2015, 31 (4): 10-17.

[2]朱永洲，席平，唐家鹏，等. 机翼结构有限元快速建模技术研究[J]. 航空制造技术，2015 (19): 47-51.

[3]陆善彬，吕婕，陈伟，等. 基于HyperMesh二次开发的无铆钉铆接有限元快速建模[J]. 图学学报，2014, 35 (5): 804-808.

[4]李平书，严家文，任鸿. 船舶结构有限元模型快速生成研究[J]. 船舶，2007 (4): 52-55.

[5]单威俊，许方，王灿，等. 舱口盖参数化建模程序设计[J]. 船海工程，2014, 43 (6): 10-14.

[6]周桂生，陆文龙. CATIA二次开发技术研究与应用[J]. 机械设计与制造，2010 (1): 81-83.

[7]黄飞. 网络环境下桥式起重机参数化CAE技术研究[D]. 太原：中北大学，2012.

Fast Generation of Local Fine Mesh for Finite Element Structure Model

ZHANG Zhi-kang1,2，HAN Yu2，LIN Yan1，CHEN Bin2，TANG Yu2

（1. Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Direct calculation is usually used for the structure strength analysis in ship structure design and a sub-model with fine mesh is necessary for the calculation of critical stress concentration areas. Considering the fact that the modeling process is time-consuming and it severely affects the design efficiency, this study proposes a fast local fine mesh generation method for the finite element structure model. The method is based on the idea of “generating finite element mesh geometrically and adding auxiliary hard lines to guarantee mesh quality”. Taking the advantage of customized development function of Catia and Femap, a reliable and useful code has been developed with Visual Basic language, which significantly improves the efficiency of modeling. The reliability and speed of the code is validated in the modeling of hatch corner for some container ships.

fine mesh; Catia; Femap; customized development

U662

A

2095-4069 (2017) 06-0066-05

2016-03-30

工业和信息化部高技术船舶科研计划（工信部联装[2014]498号）；广东省科技计划项目（2015B090904010；2016B090918092）；海洋可再生能源专项资金项目（QDME2013ZB01）

张志康，男，硕士，1991年生。研究方向为船舶与海洋结构物设计制造。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.014