(中國船級社，北京 100007)

CATIA(computer aided three-dimensional interface application)是法國達(dá)索(Dassault System)公司開發(fā)的集CAD/CAM /CAE于一體的三維設(shè)計系統(tǒng)，在機械、電子、航空、航天和汽車等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用[1]。越來越多的用戶選擇將CATIA應(yīng)用在船舶造型和設(shè)計領(lǐng)域。MSC.Patran最早由美國宇航局(NASA)倡導(dǎo)開發(fā)，是工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理器，其開放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計、工程分析、結(jié)果評估、用戶化設(shè)計和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成一個完整的CAE集成環(huán)境[2]。在船舶領(lǐng)域，針對船體結(jié)構(gòu)的有限元分析普遍采用MSC.Patran/Nastran作為前后處理器/求解器。隨著CAITA的普遍應(yīng)用，如何將在CATIA中建立的船體結(jié)構(gòu)幾何模型有效地應(yīng)用到MSC.Patran中有很強的現(xiàn)實意義。

1 CATIA CAE的技術(shù)特點

在現(xiàn)有通用有限元軟件中,幾何模型與有限元網(wǎng)格模型不映射關(guān)聯(lián)，幾何模型修改后則需重新劃分形成新的有限元網(wǎng)格模型。

CATIA CAE能將幾何模型和有限元網(wǎng)格模型一直保持對應(yīng)關(guān)系：由于幾何模型與有限元網(wǎng)格模型的映射關(guān)聯(lián)，可以隨意對幾何模型所映射的有限元網(wǎng)格模型做修改、編輯，其網(wǎng)格屬性、材料也不會丟失；有限元網(wǎng)格模型能隨幾何模型的改變而快速更新，相應(yīng)的屬性及材料信息能自動關(guān)聯(lián)到有限元網(wǎng)格模型；有限元分析結(jié)果能自動地反映到幾何模型；幾何模型更新時,定義在網(wǎng)格上的邊界條件無需再定義即可自動更新。

因此，從CATIA到MSC.Patran的船體幾何模型轉(zhuǎn)換及結(jié)構(gòu)有限元分析顯得更為重要。

2 基于CATIA V5 CAE的解決方案

2.1 各種實現(xiàn)方案介紹

從CAD模型轉(zhuǎn)換到CAE模型，有4種實現(xiàn)方案，見圖1。

圖1 從CAD到CAE的實現(xiàn)方案

方案一。CATIA內(nèi)部的實現(xiàn)方法，可滿足快速整體評估分析對象。

方案二。CATIA CAE調(diào)用第三方求解器的方法，是針對特殊專業(yè)的分析要求。

方案三。結(jié)合應(yīng)用行業(yè)的有限元分析現(xiàn)狀，轉(zhuǎn)入其它前處理器的方案，充分利用已有CAD模型，保持CAD幾何模型與CAE模型的關(guān)聯(lián)，兼顧特殊專業(yè)的現(xiàn)狀，將幾何模型在CATIA CAE中劃分網(wǎng)格后轉(zhuǎn)換到其他前處理器中。

方案四。將其它CAD建模軟件建立的幾何模型轉(zhuǎn)入到其它CAE軟件前處理器。

2.2 從CATIA轉(zhuǎn)換至MSC.Patran的實現(xiàn)方案

由于CATIA在船舶設(shè)計時所建立的幾何模型與實際船體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)布置、板縫分割、構(gòu)件端部等方面完全一致，而船體結(jié)構(gòu)有限元分析中的網(wǎng)格模型則在上述方面進(jìn)行了簡化[3]。同時，考慮到中國船級社在規(guī)范研究與審圖計算中的有限元強度評估使用MSC.Patran/Nastran作為前后處理器/求解器，并基于此開發(fā)了一系列相應(yīng)的應(yīng)用程序。因此，針對方案三進(jìn)行研究。

實現(xiàn)方案見圖2。

圖2 從CATIA轉(zhuǎn)換至MSC.Patran的實現(xiàn)流程

3 轉(zhuǎn)換的方法與步驟

3.1 幾何模型的規(guī)范化處理

為了滿足船體結(jié)構(gòu)有限元分析的要求，需要在已有的CATIA SFD幾何模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行幾何簡化處理。主要包括以下內(nèi)容。

1)板縫位置調(diào)整。中國船級社鋼質(zhì)海船規(guī)范中對板縫與骨材或縱桁之間的最小間距有所要求[4]，為了避免板縫和骨材間的小間距引起網(wǎng)格的局部尖銳，需對CATIA SFD幾何模型的板縫進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使板縫與最近的型材對齊。見圖3。

圖3 板縫位置調(diào)整示意

2)型材端部位置調(diào)整。實際船體結(jié)構(gòu)中型材之間的連接與有限元網(wǎng)格中“梁單元”之間的連接完全不同，型材之間的連接以及端部位置直接影響相關(guān)板材網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，所以需要對型材的首末端位置進(jìn)行簡化處理，使其端點重合或延伸到板材邊界。

圖4 型材端部調(diào)整示意

3)趾端簡化。大部分的趾端采用軟趾設(shè)計，具有特殊形式，且趾部及腹板加強筋的端點位置不與相鄰構(gòu)件對齊，如果不進(jìn)行簡化，將會引起其趾部網(wǎng)格畸形、網(wǎng)格間難以協(xié)調(diào)以及對應(yīng)位置板材網(wǎng)格不理想。所以趾部及腹板需要按就近原則處理，使其與相鄰構(gòu)件對齊。見圖5。

圖5 趾端簡化示意

4)開孔形狀調(diào)整。大開孔的倒角及邊界未與最近型材對齊，導(dǎo)致在倒角處網(wǎng)格將出現(xiàn)尖角或不能生成網(wǎng)格等問題。將大開孔邊界與相鄰型材對齊，以及將倒角改變?yōu)橹苯牵瑒t利于網(wǎng)格的生成和質(zhì)量的提高。此處的形狀調(diào)整一般針對雙舷側(cè)內(nèi)平臺上的開孔，而對于頂邊艙和底邊艙橫框架的開孔則不予簡化，以描述強框架上開孔的實際形狀。見圖6。

圖6 開孔形狀調(diào)整示意

3.2 CATIA CAE網(wǎng)格劃分

幾何模型簡化完成后，利用CAITA CAE進(jìn)行網(wǎng)格自動劃分，需注意設(shè)置好網(wǎng)格尺寸。

3.3 CATIA CAE網(wǎng)格處理及局部優(yōu)化

1)網(wǎng)格協(xié)調(diào)處理。CATIA CAE模塊劃分網(wǎng)格時，考慮結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)時可能出現(xiàn)故此失彼的情況，通過編寫的程序可控制絕大部分的網(wǎng)格實現(xiàn)節(jié)點間的協(xié)調(diào)，避免過多出現(xiàn)自由邊。

2)網(wǎng)格局部優(yōu)化。在CATIA結(jié)構(gòu)建模的初期需要建立一些參考線以生成曲面，并將各曲面拼接在一起，從而形成結(jié)構(gòu)連接線，如平底線、平邊線。CATIA網(wǎng)格劃分時可以考慮將其設(shè)為約束線，但局部位置則需要將其去除，或者出現(xiàn)過多的三角形網(wǎng)格時添加單元種子數(shù)，以提高局部網(wǎng)格質(zhì)量。見圖7。

圖7 網(wǎng)格局部優(yōu)化效果

3)小孔洞簡化。通過設(shè)定網(wǎng)格過濾孔洞的尺寸，CATIA CAE環(huán)境可實現(xiàn)對小于設(shè)定尺寸的孔洞在網(wǎng)格中劃分中予以過濾，以免造成小孔洞周邊的網(wǎng)格質(zhì)量較差?？锥催^濾后，可以采取“等效板厚”的原則處理。

3.4 接口定制

通過上述操作后，在CATIA CAE中形成了滿足要求的有限元網(wǎng)格模型，接下來則需要采取如下步驟將有限元網(wǎng)格模型、屬性、分組信息導(dǎo)入至MSC.Patran中，以及在MSC.Patran中進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量和協(xié)調(diào)性檢查。

1)材料、單元屬性輸出。為了將CATIA CAE模型的各種屬性添加到MSC.Patran可以讀入的Bdf文件中,須將在CATIA幾何模型結(jié)構(gòu)樹中不能直接獲得的屬性信息通過CATIA的輸出函數(shù)輸出，并按照指定的格式輸出到相應(yīng)的文件中。

2)添加屬性至Bdf文件。從CATIA CAE模型結(jié)構(gòu)樹獲取可以獲得的數(shù)據(jù)以及將上述輸出的數(shù)據(jù)和單元、節(jié)點數(shù)據(jù)一起添加到指定的Bdf文件中。在數(shù)據(jù)添加時保證三類數(shù)據(jù)的ID對應(yīng)一致為關(guān)鍵技術(shù)，同時必須滿足MSC.Nastran卡片格式要求。對于梁單元，則需要將梁的方向和偏移量計算出來，對應(yīng)到相應(yīng)的網(wǎng)格屬性中。屬性添加完成后，在MSC.Patran中分別驗證板單元和梁單元屬性。板單元通過厚度云圖驗證屬性準(zhǔn)確性，參見圖8。梁單元通過截面屬性和偏移顯示驗證屬性準(zhǔn)確性，參見圖9。

圖8 板單元屬性云圖

圖9 梁單元屬性顯示

由于CATIA CAE中梁的方向和偏移量與MSC.Natran對梁屬性要求的差異性和輸出數(shù)據(jù)ID不具有良好的規(guī)律性，所以其主要工作為測試對比輸出數(shù)據(jù)ID和梁的方向與偏移量的準(zhǔn)確性。

3)建立網(wǎng)格分組。為了便于在MSC.Patran中查找結(jié)構(gòu)，需將結(jié)構(gòu)名稱以網(wǎng)格組名的形式添加到BDF文件中。從CATIA CAE結(jié)構(gòu)樹中提取結(jié)構(gòu)名稱，按照ID號搜索找到正確的網(wǎng)格組，并添加結(jié)構(gòu)名稱到文件中。

根據(jù)中國船級社CATIA SFD建模規(guī)范的命名規(guī)則和BDF文件的網(wǎng)格屬性名稱，合并CATIA幾何模型結(jié)構(gòu)樹名稱(見圖10a))中前兩個字段相同的網(wǎng)格分組到按結(jié)構(gòu)區(qū)域和構(gòu)件類型的MSC.Patran分組(見圖10b))，以適應(yīng)在MSC.Patran軟件中對局部網(wǎng)格瀏覽、調(diào)整，載荷、邊界條件的施加以及后處理中的便捷性。

圖10 網(wǎng)格分組信息轉(zhuǎn)換示意

4)網(wǎng)格質(zhì)量及協(xié)調(diào)性檢查。網(wǎng)格質(zhì)量是影響有限元計算結(jié)果準(zhǔn)確的重要因素，為了驗證輸出網(wǎng)格的質(zhì)量，需對四邊形和三角形網(wǎng)格單元的長寬比、翹曲度等指標(biāo)進(jìn)行一一檢查。

網(wǎng)格協(xié)調(diào)性將準(zhǔn)確反映分析模型的結(jié)構(gòu)連接形式，需對模型的自由邊進(jìn)行檢查。

4 案例介紹

圖11 加載計算后的30萬t VLCC艙段位移云圖

見圖11，將中國船級社船舶檢查和維護(hù)保養(yǎng)系統(tǒng)應(yīng)用到某30萬t VLCC的CATIA幾何模型中的3個艙段，成功轉(zhuǎn)換到了MSC.Patran中，并進(jìn)行了計算驗證。

5 結(jié)論

實際案例驗證表明，將CATIA幾何模型轉(zhuǎn)換到MSC.Patran的方法，充分利用了CATIA CAE的技術(shù)特點，轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)格模型繼承了CAITA中的材料屬性、網(wǎng)格分組等關(guān)鍵信息，使得在MSC.Patran中僅需添加載荷和邊界條件即可完成計算。

此前的其它類似方法一般是僅導(dǎo)入幾何模型，后續(xù)需要在有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、屬性定義、分組定義，且較多的是對實體模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而對船體結(jié)構(gòu)這樣大型的復(fù)雜板梁模型則不適用。本文方法轉(zhuǎn)換后的信息完整，無需二次加工，且適用于船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的板梁模型。

另外，依照本文方法，對散貨船槽型艙壁的頂?shù)?、底凳等特殊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時，還需要手工按中國船級社規(guī)范要求調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，建議可以進(jìn)一步研究該結(jié)構(gòu)的自動劃分網(wǎng)格技術(shù)。

[1] 王鳳英，何 勇.CATIA軟件的幾個使用技巧[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2003(1)：34-35.

[2] 劉兵山，黃聰.Patran從入門到精通[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[3] 中國船級社.油船結(jié)構(gòu)強度直接計算指南2003[Z].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2012[S].北京：人民交通出版社，2012.