船舶有限元模型标准化及程序开发

张志康,高明星,叶星宏,吴贝尼,郑艺

(中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)

有限元分析是船舶结构设计中非常重要的方法,一般包括局部强度分析、舱段有限元分析和全船有限元分析等。随着近年来计算机的发展,以及行业规范的要求升级,直接计算方法应用越来越多。如《散货船和油船共同结构规范》(HCSR)生效后,规范对散货船和油船的舱段校核范围要求由中间货舱扩展到全船各货舱[1],建模和分析优化的工作量数倍增加,而且船体艏尾区域的线型变化剧烈,建模难度增加。

参考行业内现有的标准与规范,结合一线设计经验,基于公司的应用需求和环境,提出一套完整的船舶有限元模型标准。并以此为指导原则,基于FEMAP软件开发标准化程序,用于帮助创建和处理标准有限元模型,针对常用软件开发数据接口。

1 有限元模型标准

1.1 坐标系及原点

采用行业通用的右手直角坐标系,原点为船中纵剖面内尾垂线与基线的交点,x轴沿船长方向,以船艏为正;y轴沿船宽方向,以左舷为正;z轴沿船的垂向,以向上为正,见图1。

图1 船舶有限元模型坐标系

采用统一的坐标系,有利于分段模型的拼接和便于专业定制化功能的开发,如自动化分组、舱室识别和快速加载技术等。

1.2 单位制

国际单位制中共有7个基本量,其中和船舶有限元模型相关的主要是长度、时间和质量。

船舶结构设计过程中,绘图及规范计算大都采用mm制来表达结构尺寸和定位,而描述船舶的重量常用t为单位,据此制定模型的标准单位制,见表1。

表1 船舶有限元模型单位制

该单位制与大多数船舶专业软件一致,有利于数据交换。

1.3 单元尺寸

针对不同的计算分析需求,船舶有限元模型的精度要求不同,即对单元的尺寸要求不同。参考目前行业内的基本共识,制定统一的单元尺寸标准,见表2。

表2 船舶有限元模型单元尺寸

1.4 单元类型

船体结构是典型的板架结构,一般采用板(PLATE)、梁(BEAM)和杆(ROD)单元来模拟。船体的板壳、强框和桁材采用PLATE单元模拟,纵骨、局部扶强材和主要构件的面板采用BEAM单元模拟。

1.5 材料

常用的船舶材料为钢材,主要区别是钢级的不同,即屈服强度不同。A,B,D和E材料等级不影响屈服强度,因此在有限元模型中,区分不同屈服强度即可,采用如表3所示的标准命名。

表3 标准材料定义

1.6 属性

1.6.1 板属性

对一般的船体结构分析而言,板属性仅需定义厚度Thickness和材料Mat.即可。约定板属性的标准命名规则如下:Thickness_Mat.,如“10_H36”。

1.6.2 梁属性

梁属性定义包括截面名称Section和材料Mat.,常用的型材有扁钢(FB)、角钢(L)、T型材(T)和球扁钢(HP)。约定梁属性的标准命名规则如下:Section_Mat.,具体的见表4。

表4 梁属性标准命名

一般通用有限元软件无法直接定义球扁钢属性,各大船级社均推荐采用等效角钢替代的方法[2-4],具体的定义如下。

hstf=h′stf

(1)

tw=t′w

(2)

(3)

(4)

式中:h′stf和t′w分别为球扁钢的总高度和腹板厚度,mm;α为系数,

(5)

α=1.0,h′stf>120

(6)

梁单元的朝向和偏心需要特别关注。对于传统的Patran软件,梁属性参数包括了单元的朝向和偏心,而FEMAP与SRFT软件很不同,属性参数中仅包括偏心,朝向属于单元定义参数,见表5。

表5 朝向和偏心归属的不同

实际操作过程中,Patran定义属性时需要计算型材截面的剪心高度和指定朝向。对于同一种截面,不同朝向的单元就需要多次定义,不仅操作繁琐而且额外增加数据量。另外,对于复杂曲面船体外板上的骨材,利用原生功能几乎不可能完成。即使通过开发,采用通过关联板单元计算出朝向,创建矢量场作为输入的办法还是较为繁琐。

事实上,对于船舶结构而言,骨材与板材的连接方式较为固定,因此不同型材的梁单元的偏心也都是固定的。FEMAP和SRFT在属性参数中定义偏心时,就很好地体现了这一点。具体地,对于不同截面,在腹板根部设置参考点,该参考点即为骨材与船体板的连接点,见图2。这样可以省去手动计算截面剪心,减少输入参数,而且朝向属于单元参数,同一个截面的梁属性仅需定义一个即可。

图2 角钢的参考点示意

总的来说,FEMAP和SRFT采用的定义方法更为合理,有利于减少输入和提高模型的轻量化。因此梁属性标准采用此类定义方法,各截面的参考点均统一采用如图2所示角钢的位置来定义偏心。

1.6.3 杆属性

杆属性定义包括截面面积Area和材料Mat.,约定其标准命名规则如下:Rod_Area_Mat.,如“Rod_1000_H32”。

2 工具开发

FEMAP是一款先进的有限元分析软件,其拥有强大的前后处理功能,且提供完全开放的二次开发接口,支持各种通用语言,非常适用于CAE的二次开发[5]。因此,选用FEMAP软件作为工具的二次开发平台。

基于FEMAP2019.1版本和.NET开发框架,采用VB.NET语言开发程序,使用Visual Studio 2012作为集成开发环境,操作系统为Windows 7,并在Windows 10系统下通过测试。

2.1 材料模块

经过开发,材料标准化模块界面见图3。

图3 材料标准化模块界面

支持一键生成符合上述标准的材料,以及对模型中的材料进行批量修改、重命名、按屈服强度从小到大排序和合并重复材料。界面简洁明了,操作方便快捷。

2.2 属性模块

为减少不必要的参数输入和冗余操作,将属性的创建功能集成在一个界面中,只需输入少量的必要参数,即可快速生成标准属性,见图4。

图4 属性快速创建界面

属性定义包括材料和截面参数,材料选择框中的选项由读取模型中现有的材料而来,选择需要的即可。支持多种标准属性的快速生成,包括上述的板、梁和杆属性。“Plate”下拉框中可选择“Rod”,切换成杆属性的截面面积输入模式。同样地,“FB”下拉框中可选择“HP”,输入球扁钢的hstf和tw,即可快速生成相应的等效角钢的属性。

与材料类似,属性也支持一键标准化重命名、按类型和首字母排序、合并重复属性的功能,标准化属性见图5。

图5 标准化属性

针对球扁钢属性的重命名问题,通过读取角钢截面的hstf和tw,作为球扁钢截面的定义参数,再利用式(3)～(6)计算得到等效角钢的bf和tf,若它们等于实际值(容差5%),则判定该属性为球扁钢,对其采用球扁钢的标准命名。

3 数据接口

常见的FEM模型文件流转过程见图6。

图6 FEM流转过程

CATIA,Veristar Hull和Poseidon均支持以bdf格式文件导出有限元模型,但想要转换成标准有限元模型,还需要进一步开发支持。

3.1 CATIA

CATIA是法国达索公司开发的一款高端CAD/CAM/CAE软件系统,目前在船舶行业内应用广泛,基于CATIA不仅能快速完成船舶结构建模与出图,还能生成网格质量较优的有限元模型,已成为目前有限元建模的主要工具[6]。

由于软件的特性,CATIA导出的有限元模型存在以下问题。

1)模型里有大量重复的材料和属性,且丢失了名称,不便于识别。

2)T型材截面定义中,腹板的高度比实际小了一个面板的厚度。

第一个问题可采用上述标准化程序进行自动化处理。以某集装箱船舱段为例,合并操作后可大幅度减少模型中材料和属性的个数,见表6。

表6 模型合并前后对比

第二个问题则需进一步的定制化开发来解决。利用程序对T型材截面定义进行修复,腹板高度增加相应的面板厚度,并对相关BEAM单元的偏移进行更新,见图7。

图7 T型材截面修复

通过实例测试,利用数据接口程序,仅需数十秒即可完成CATIA导出的有限元模型标准化处理,非常高效、便捷。

3.2 Veristar Hull

Veristar Hull为法国船级社BV的船舶有限元分析专业软件,基于FEMAP软件的二次开发技术,适用于舱段有限元分析和全船有限元分析前后处理等。该软件有个特点,无论模型中的筋是何种类型的单元,导入后均会被自动改成BAR类型、截面形式为Standard Section的单元。因此从Veristar Hull导出的bdf文件,直接导入Patran和SRFT,均会出现丢失截面形状信息的情况,模型的数据完整性遭到破坏,给后期修改带来诸多困难。

通过二次开发,在FEMAP中先对模型进行预处理,一键转化筋的类型和截面定义方式,即可完美解决上述问题。再利用上述其他工具进行标准化,即可得到标准化模型。

3.3 Poseidon

Poseidon是挪威船级社DNV的一款规范计算软件,功能强大,且集成CAD/CAE一体化,具备舱段有限元分析及全船建模的功能。

导出的有限元模型存在一些问题。

1)该软件的单位制是m、t和kN,与本文提出的标准不一致。

2)球扁钢截面在导出时,是以截面特征参数的方式写在bdf文件中的,包括面积、惯性矩和剪切面积等。这样就无法判断该截面是何种规格的球扁钢。

3)舱段强度分析模型中包含了边界和载荷等数据,而通常并不需要。

上述第二个问题处理起来较为困难。笔者曾尝试利用截面特征参数以逆推的方式来求解其截面形状,但遇到了诸多问题。还考虑过与型材表进行查找和比对的思路,但操作起来也较为繁琐。最终,寻求与软件开发商合作后解决了此问题。Poseidon在导出的bdf文件中添加各截面的形状名称,如“MYM HP 200*10.0”,再通过二次开发对其进行解析与识别,重定义为等效角钢。

编写各自动化处理功能和集成界面,见图8。通过一键操作即可将Poseidon导出的模型转换为标准化模型。

图8 Poseidon FEM转换程序

3.4 Patran和SRFT

在FEMAP中经过标准化处理后的有限元模型,可以任意地在FEMAP、Patran和SRFT间进行数据交换。唯一的问题是,利用它们各自的原生功能导出后,均存在丢失材料和属性标准命名的现象。

分析原因,bdf文件并没有规定材料和属性的命名格式,因此各软件无法兼容其他软件导出的文件。通过开发,采用直接解析bdf文件,识别命名并修改成需导入软件的格式,可以解决该问题,避免模型重要信息的丢失。

4 结论

所提出的船舶有限元模型标准紧贴专业特点,符合行业规范和共识,在实船项目中的深入应用也验证了其合理性,具备行业内推广的价值。

1)船体结构的材料和属性定义简单明了,标准命名具有很强的辨识度,且考虑了球扁钢属性的特殊性。

2)梁属性中有关朝向和偏心的定义方法充分体现了船体构件间的连接特性,有助于减少重复属性,提高模型的轻量化程度。

3)开发的定制化专业工具,可快速实现有限元模型的标准化和数据交换,实用性强,且交互界面友好,有利于提高建模效率。