基于三维体验平台的船舶设计软件接口集成研究
2022-03-23张红伟朱明华
杨 骏,王 尧,张红伟,王 杰,朱明华
(江南造船(集团)有限责任公司,上海 201913)
0 引言
当前,随着造船业信息化发展的不断深入,船舶科研院所、总装厂等开发或引进了各式各样的CAX软件系统,包括CATIA和TRIBON等CAD建模软件,PATRAN/NASTRAN和ABAQUS等CAE分析软件,以及NX、DELMIA和EXNEST 等CAM 软件。通过使用此类软件系统,使得我国在数字化造船领域取得了长足进步。
在船舶设计建造过程中,企业往往根据不同生产阶段的要求选择不同的软件,由于生产厂商不同,各软件是相互独立的系统,经常需进行重复性的建模工作,会浪费大量的人力资源。针对该问题,软件厂商根据市面上主流的软件开放了大量通用数据接口,可通过此类接口进行不同软件之间的模型传递,有效提升船舶设计建造效率。
三维模型作为船舶设计建造过程的数字源头,在整个设计建造环节起着至关重要的作用。传统的船舶建模CAD软件主要是基于TRIBON软件开发的,TRIBON 作为一款“二维半”的CAD 软件,与行业软件的交互性较差,若以此为建模工具,则后续的分析和模拟等都需重新开展建模工作,效率非常低。基于此,国内船舶企业开展了基于达索系统全新一代三维体验平台(3D Experience Platform,3DEXP)的船舶设计建造流程研究,以单一数据源三维模型贯穿始终,通过其强大的三维建模功能和友好的数据接口实现三维模型设计制造的全流程应用。
为更好地实现基于单一数据源的船舶设计、分析和建造一体化,固化模型数据传递方法,减少人员手动操作的工作量,实现对船舶设计软件的高效统一集中管理和使用,本文以3DEXP为依托,通过将船舶设计建造过程中常用的几款CAE分析软件集成于该平台中,以通用中间格式文件为媒介,通过3DEXP CAA(Component Application Architecture)二次开发模块,结合CAE 分析软件的二次开发功能,实现船舶三维模型一键快速导出和导入CAE分析软件,简化设计人员操作流程,提升设计效率。
1 集成软件选择
对常用的CAE软件进行调研,其快速导入模型的方式主要有3 种:
1)修改软件启动文件;
2)脚本命令,并通过Windows指令直接调用;
3)录制宏命令,在软件内部一键调用。
综合上述CAE软件的特性,选择3 款典型的CAE软件作为此次研究的集成软件对象。
1)MSC.PATRAN:集成的并行框架式有限元前后处理系统,主要功能包括几何模型创建、网格划分、载荷及边界条件施加和结果后处理等。
2)ABAQUS:功能强大的工程模拟有限元求解软件,可解决简单的线性分析和复杂的非线性分析问题,可用于分析船舶及其辅机的振动、抗冲击特性和材料成型工艺等。原则上来说,3DEXP 深度内嵌了SIMULIA-ABAQUS模块,但该模块与原版ABAQUS 相比在功能上有一定的欠缺,因此本文选择原版ABAQUS软件。
3)FLOEFD:高度工程化的通用流体流动与传热分析软件,具有丰富的流体流动和传热模型,可用于解决船舶舱室(机舱、住舱和工作舱)内部的流场和温度场问题。
2 数据接口形式
CAE分析软件可接收三维几何模型,在此基础上通过网格划分生成计算模型。3DEXP支持导出目前市面上主流的大部分几何通用中间格式文件,如IGES、STEP 和STL 等,根据CAE 软件的要求自行选择即可。此外,CAE分析软件还可直接接收通用有限元求解文件,该文件包含有计算模型信息,如网格信息和载荷信息等,此时可不用再进行网格划分,而是直接对网格进行一定的修改之后提交计算,目前3DEXP支持导出的求解文件格式为BDF格式和INP格式。
通过对所选3 款CAE软件进行研究可知,PATRAN和ABAQUS可通过读取有限元求解文件导入计算模型,其中:PATRAN采用BDF格式文件导入,这是有限元文件导入PATRAN 的标准格式;ABAQUS 通过INP格式文件导入,这是模型导入ABAQUS的标准格式。
FLOEFD的网格划分模式比较特殊,无法接收求解文件,因此采用读取几何文件的方式实现模型导入。由于FLOEFD在求解时需以三维实体模型为依托,而常用的IGES和STL等均为面片模型,因此选择STEP格式的几何格式文件实现模型导入。各软件所需模型文件格式汇总见表1。
表1 各软件所需模型文件格式汇总
3 集成架构设计
从开发的角度看,首先需进行架构设计。集成平台总体部署为界面展示层、数据接口层和业务处理层等3 层。
1)界面展示层为人机操作界面,该界面集成于3DEXP内部,可在基本界面下调用启动,主要包括待转换模型选择和输出软件选择等;
2)数据接口层通过CAA开发直接调用3DEXP内部的API转换函数,将已选模型转化为对应设计软件指定的中间格式并导出;
3)业务处理层基于对应设计软件本身的二次开发功能,实现模型快速导入。
整个平台系统的架构见图1。
图1 平台系统架构
4 集成解决方案
此次船舶设计软件集成基于3DEXP进行二次开发。3DEXP 是法国达索公司开发的新一代业务体验平台,该平台基于协作、交互环境下的3D设计软件开发,拥有统一且易于使用的界面,可供设计人员开展多专业并行设计,其单一数据源模型可用于设计后续的计算分析工作。CAA是3DEXP的一整套C ++函数库,用户可通过RADE(Rapid Application Development Environment)模块,在VS环境下开展编程工作,并实时与3DEXP进行交互调试,实现二次开发。相比VBA 和EKL,CAA的功能更强大,可满足更加复杂的开发需求,因此本文基于CAA开展开发工作。
4.1 人机交互界面设计
在使用该集成平台时,设计人员主要关注需输出的三维模型和对应的接收软件,系统会根据选择的软件给出数据模型格式的可选择列表,图2 为该集成平台的人机交互界面,设计人员选择模型节点和对应软件之后,后台会自动转化和输出模型的中间格式、打开对应设计软件并输入模型,设计人员无需进行复杂的导入和导出操作,能有效节省工作时间,提升工作效率。
图2 平台的人机交互界面
4.2 模型转换和输出
3DEXP提供了模型手动转换和输出功能,设计人员可进行相关模型的导出操作,但操作相对比较繁琐。该集成平台通过调用后台API函数,可实现模型自动转换和输出,具体的实现流程见图3。
图3 模型转换和输出实现流程
模型转换完成之后,模型文件将自动存入指定的路径中,后续设计软件通过相同的路径读取该模型文件。
4.3 模型导入功能
完成模型数据转换和输出之后,需将该模型导入指定的软件中。此次研究针对3 种软件各自的特点,采取不同的导入策略,实现模型导入方案定制化开发。
软件的启动模式可分为应用程序直接启动和Windows脚本命令(.bat)启动2 种,其中后者可实现软件在启动时自动加载相关预定义脚本。3DEXP提供的ExecuteShell函数可实现软件应用程序和Windows脚本命令自动启动,同时可使用C ++的标准函数WinExec实现该功能。
4.3.1 PATRAN模型导入
PATRAN在其安装目录下存在一个配置文件p3patran.pcl,每次启动时PATRAN都会加载该文件内的代码,这也是每次打开PATRAN时自动加载二次开发功能的方法。
PATRAN从启动到导入模型需进行3 步操作,即:
1)创建新数据库文件;
2)指定路径;
3)导入模型文件。
这些步骤均有对应的pcl函数代码实现,通过手动操作打开PATRAN的日志文件可获取相应代码,并对其进行适当的修改,将其中的可变参数(如文件名称、路径地址等)固化。
集成平台在启动PATRAN之前,可通过文件写入功能实现自动修改配置文件,启动软件时会加载配置文件内的代码,从而实现模型文件的自动导入。模型导入完成之后,需将配置文件恢复成原始状态,以免影响后续软件的使用。PATRAN模型自动导入流程见图4。
图4 PATRAN 模型自动导入流程
4.3.2 ABAQUS模型导入
ABAQUS内置有Python解释器,其前后处理的所有操作指令(包括几何模型建立和导入、单元属性建立、网格划分、加载和结果后处理等)都可用Python代码实现,因此只需获取其中关于模型导入的脚本代码,并将其编写成一个Python脚本文件,同时令ABAQUS启动时自动加载该Python脚本文件即可。脚本代码的获取方式同PATRAN 一样,通过查找ABAQUS 的日志文件即可获得,在此基础上进行适当的修改,固化可变参数。此外,通过编写Windows批处理文件(.bat),可实现ABAQUS自动启动并加载脚本文件的功能。具体的ABAQUS模型自动导入流程见图5。
图5 ABAQUS模型自动导入流程
4.3.3 FLOEFD模型导入
FLOEFD软件基于SOLIDWORKS 引擎开发,因此其二次开发语言为SOLIDWORKS VBA,类似于PATRAN 和ABAQUS,通过录制宏命令可获得FLOEFD关于模型导入的VBA代码,进行适当的修改之后即可实现模型的快速导入。本文通过创建快捷工具实现STP格式模型快速导入FLOEFD。具体的FLOEFD模型自动导入流程见图6。
图6 FLOEFD模型自动导入流程
5 集成平台应用
以某液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,LPG)船平行中体部分左舷结构为例,在3DEXP中建立结构模型并进行网格划分,结果见图7。
图7 3DEXP船体结构有限元模型
将该模型输出至有限元软件PATRAN 中进行加载和计算,得到应力云图见图8,其运算结果与在PATRAN中创建的模型的计算结果基本一致。软件应用结果表明,通过此种方式得到的计算模型能满足相关的求解需求,模型在自动导出过程中不会出现信息丢失等现象。
图8 导入PATRAN/NASTRAN有限元计算结果
6 结语
本文针对当前船舶设计软件种类较多、缺乏有效集成的特点,结合常用的CAE分析软件,对基于3DEXP的船舶设计软件接口集成技术进行了研究。借助3DEXP 二次开发模块CAA,以及PATRAN PCL、Python、DOS和VBA等二次开发语言,实现了PATRAN、ABAQUS和FLOEFD等3 款常用CAE设计软件与3DEXP的接口集成,研究结果表明:
1)集成平台将多种船舶设计软件接口与3DEXP结合在一体,充分利用了3DEXP的单一数据源模型,避免了设计人员针对不同分析对象进行多次重复建模,提升了设计效率。
2)实现了对不同类型船舶设计软件的统一化管理,固化了模型数据转化流程,充分运用了计算机辅助设计功能,实现了模型的转化、导出和导入等操作一键式完成,简化了操作流程,使设计人员更专注于设计,提升了公司的核心竞争力,同时实现了对各类船舶设计软件的高效统一集中管理和使用。
3)通过某船体结构有限元分析实例可知,通过本文所得模型传递方式得到的计算模型能满足相关求解需求,该模型在导出过程中不会出现信息丢失等现象。