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(1.中國船舶科學研究中心, 江蘇 無錫 214082;2.中國船級社上海規(guī)范研究所,上海 200135)

艙口蓋的設計和強度校核主要采用有限元直接計算法，根據(jù)規(guī)范修改有限元模型中相關(guān)參數(shù)，循環(huán)反復多次，不斷調(diào)整設計方案直至滿足安全性和經(jīng)濟性要求。有限元模型的建立和修改占用了整個設計周期較大的比例[1]。《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[2]中對艙口蓋強度的新要求，需要驗證的構(gòu)件種類多，網(wǎng)格質(zhì)量要求的細節(jié)也較為復雜。所以需要開發(fā)相應的艙口蓋快速建模程序來減輕工作量[3]。為了快速準確地為艙口蓋設計和強度評估提供技術(shù)服務，本文針對艙口蓋的結(jié)構(gòu)特點，人機界面采用PCL，基于Patran平臺開發(fā)操作性強的艙口蓋參數(shù)化建模軟件，以實現(xiàn)幾何建模和網(wǎng)格劃分的自動化。

1 流程設計

Patran的二次開發(fā)功能基本能實現(xiàn)手工可實現(xiàn)的建模流程，經(jīng)對開式和閉式等若干常規(guī)艙口蓋結(jié)構(gòu)特點及建模過程研究，將艙口蓋分解為幾個主要構(gòu)件獨立設計，幾何模型建立后依次進行網(wǎng)格自動劃分。根據(jù)校核公式編寫程序，求出設計載荷并自動添加；依據(jù)規(guī)范實現(xiàn)艙口蓋邊界條件自動設定。使用Patran結(jié)果管理功能，快速生成云圖，保證一定靈活性[4-5]。

程序設計的參數(shù)化建模流程見圖1。

圖1 艙口蓋參數(shù)化建模流程

按類型將艙口蓋分為單塊和多塊，多塊的情況按塊數(shù)分組為多個單塊，建模方法視為多個單塊。根據(jù)艙口蓋的閉合方式分為開式和閉式。區(qū)別就是閉式無需建底板，程序建模功能模塊按構(gòu)件分為頂板、底板、主要支撐構(gòu)件、扶強材、裙板、肘板、支撐塊、限位塊，分別設計定制參數(shù)化建模界面，在Patran中創(chuàng)建默認的Groups，并在后臺保存和管理幾何模型及后續(xù)劃分出來的有限元網(wǎng)格。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

2.1 頂板底板

頂板建模提供3種方式，以適應多種艙口蓋頂板或底板的創(chuàng)建。①輸入頂板起始位置坐標及長寬等參數(shù)創(chuàng)建；②選擇基準點，設置面板長寬，根據(jù)基準點坐標創(chuàng)建；③選擇基準邊，設置板面寬度，根據(jù)基準線創(chuàng)建。根據(jù)圖紙上實際參數(shù)的標定，輸入相應參數(shù)完成頂板建模。基準邊創(chuàng)建頂板的方式，默認沿X方向平鋪，頂板高度位置為0，底板為負值；底板與頂板建立方式一致，厚度不同時，輸入不同的縱向位置重復創(chuàng)建以便屬性的設置。

2.2 裙板

根據(jù)裙板的腹板高度和面板朝向，自動創(chuàng)建裙板模型，并將創(chuàng)建的幾何模型添加到相應的組中。建模時，以基準邊作為裙板的一邊沿Z向向下創(chuàng)建裙板腹板。裙板的腹板和面板分別創(chuàng)建。

2.3 主要支撐構(gòu)件

主要支撐構(gòu)件是艙口蓋模型中比較復雜的構(gòu)件，大多是變截面的，即腹板中間位置會比較高，到兩端會慢慢變小如T型、L型、I型以及箱型。據(jù)統(tǒng)計腹板有等高、截面端部變小、截面端部變大等多達11種幾何形狀(見圖2)，并且存在兩端不對稱的情況，面板也有端部凸起、端部削斜等8種形狀。其中，L型支撐構(gòu)件還存在設定面板L的朝向問題。

圖2 主要支撐構(gòu)件腹板

在主要支撐構(gòu)件腹板上創(chuàng)建局部坐標系，以頂板或底板上X/Y向連續(xù)的直線作為基準邊，根據(jù)截面參數(shù)計算出腹板及面板的輪廓線，利用Create/Surface/Curve(Edge)等方法創(chuàng)建主要支撐構(gòu)件的幾何面。以枚舉的形式將常規(guī)艙口蓋中常用主要支撐構(gòu)件類型列出，在設計艙口蓋時可根據(jù)圖紙中主要支撐構(gòu)件的腹板和面板實際類型組合創(chuàng)建。對于等間距和同截面類型的主要支撐構(gòu)件用復制的方式實現(xiàn)批量創(chuàng)建，見圖3。

圖3 主要支撐構(gòu)件建模流程

2.4 扶強材和肘板

普通扶強材分為X、Y向，根據(jù)基準邊(如頂板)、設置間距等參數(shù)，自動創(chuàng)建扶強材幾何模型(Curve)；創(chuàng)建出的扶強材與選定的基準邊平行，長度一致。肘板建模包括箱腳肘板、T型材肘板等，采用基準點加基準面和方向的方式設定參數(shù)。在肘板所處位置創(chuàng)建局部坐標系，根據(jù)箱腳在X方向上的長度及肘板與X坐標夾角的度數(shù)創(chuàng)建三角形幾何平面，見圖4。

圖4 肘板示意

2.5 支撐塊和限位塊

單塊艙口蓋或多塊艙口蓋在分析時需要在支撐塊或限位塊上設置邊界條件。例如,支撐塊約束Z向位移、限位塊約束所限位方向的位移(y+/y-)。因此建模時根據(jù)支撐塊節(jié)點、限位塊節(jié)點，以及鉸鏈的位置，自動生成支出艙口蓋外面的一列板格。創(chuàng)建支撐限位塊時，艏端(X+)沿X正方向創(chuàng)建；艉端(X-)沿X負方向創(chuàng)建；左舷(Y+)沿Y正方向創(chuàng)建；右舷(Y-)沿Y負方向創(chuàng)建，見圖5。

圖5 支撐限位塊示意

2.6 材料屬性

屈曲屈服強度校核所需的材料屈服應力，程序利用PCL設計界面，設置保存在Patran的DB中以便在后續(xù)的校核中提取。根據(jù)梁截面參數(shù)和板厚，自動創(chuàng)建梁截面、設置梁單元偏移量、根據(jù)單元所屬構(gòu)件類型自動扣除減薄；并支持批量設置單元屬性。

3 網(wǎng)格自動劃分

網(wǎng)格按默認的200～300 mm，頂板底板上根據(jù)扶強材間距，兩條扶強材之間兩個單元。通過將扶強材的幾何模型(Curve)，作為硬線關(guān)聯(lián)到頂板 (Surface)上，并計算單元個數(shù)，沿扶強材方向和頂板/底板垂直于扶強材的邊界上撒種，控制單元質(zhì)量。在反復進行手工網(wǎng)格劃分測試的基礎上，結(jié)合PCL二次開發(fā)技術(shù)，提出自動網(wǎng)格劃分流程。

步驟1。將主要支撐構(gòu)件和頂板連接邊創(chuàng)建為一條直線作為網(wǎng)格劃分的輔助線[6]，并用Associate/Curve/Surface方法將輔助線和頂板關(guān)聯(lián)。

步驟2。提取頂板上的扶強材(Curve)，并用Associate/Curve/Surface方法將扶強材和頂板關(guān)聯(lián)，見圖6。

圖6 硬線關(guān)聯(lián)

步驟3。將頂板垂直于扶強材方向的邊，根據(jù)扶強材間距并結(jié)合規(guī)范中網(wǎng)格尺寸要求，計算種子個數(shù)并撒種，見圖7。

圖7 頂板撒種

步驟4。利用Create / Mesh / Surface(IsoMesh)方法創(chuàng)建頂板四邊形單元，見圖8。

圖8 頂板網(wǎng)格劃分

步驟5。根據(jù)扶強材長度計算單元個數(shù)，利用Create / Mesh Seed / Curve Based方法創(chuàng)建扶強材和主要支撐構(gòu)件頂板邊上的Mesh Seeds，見圖9。

圖9 扶強材網(wǎng)格劃分

步驟6。在主要支撐構(gòu)件底部邊上撒種，種子個數(shù)和頂板邊一致，見圖10。

圖10 支撐構(gòu)件腹板撒種

步驟7。劃分主要支撐構(gòu)件腹板網(wǎng)格，其中變截面腹板的三角區(qū)域，采用三條邊分別根據(jù)相鄰結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)撒種的方法定制劃分方法，見圖11。

圖11 支撐構(gòu)件腹板網(wǎng)格劃分

步驟8。劃分主要支撐構(gòu)件面板、扶強材、肘板網(wǎng)格；

步驟9。合并重復節(jié)點并對局部網(wǎng)格進行優(yōu)化[7-8]。

4 實例驗證

4.1 模型參數(shù)

No.10艙口蓋位于船中部，中心艉垂線約114 m,由三塊艙口蓋構(gòu)成,相對于船體中縱剖線左右對稱。第1塊艙蓋的大小為12.88 m×10.20 m,第2塊和第3塊相對于船中縱剖線對稱，大小為12.88 m×12.98 m。由橫向箱型強橫梁和縱向T形強構(gòu)件以及橫向和縱向加強筋支撐，見表1。

表1 艙口蓋參數(shù)

4.2 載荷設定

每一個載荷節(jié)點包含Az、Bz、By3種Force力，作用的方向按船體的坐標。x船長方向，y兩舷方向，z深度方向，適用于艙口蓋上裝載集裝箱，當集裝箱堆裝在艙口蓋上，圖12為由縱搖、垂蕩和橫搖運動產(chǎn)生的載荷。

圖12 集裝箱載荷施加示意

(1)

(2)

By=2.4·M

(3)

式中：av——加速度；

M——最大設計集裝箱堆垛質(zhì)量，t；

hm——在艙口蓋支撐以上的集裝箱堆垛重心的設計高度，m；

b——箱腳中心線間的距離，m；

Az、Bz——集裝箱垂向堆角支反力，kN；

By——集裝箱橫向堆角支反力，kN。

利用程序?qū)δ臣b箱船的第10艙口蓋進行參數(shù)化建模，該艙口蓋頂板下設縱桁、橫梁和次要扶強材，通過支承塊擱置在艙口圍板上承受載荷。依據(jù)規(guī)范對參數(shù)化建模形成的模型手工施加集裝箱載荷后，可以提交Nastran計算并得到應力結(jié)果(見圖13)，為驗船師后續(xù)的規(guī)范校核分析提供依據(jù)。

5 結(jié)論

1)基于Patran平臺利用PCL語言開發(fā)的程序，能夠取代純手工操作，實現(xiàn)常規(guī)類型艙口蓋模型的參數(shù)化幾何建模。

2)文獻[1]設計開發(fā)了艙口蓋參數(shù)化建模程序，但是只支持有兩根以下中間橫梁，本文設計的程序解決了這一問題，可支持多橫梁的情況。

3)網(wǎng)格劃分模塊，本文采用硬點硬線和撒種的方式解決網(wǎng)格匹配問題，但是在實際運用中，有些類型的艙口蓋在進行硬線綁定時會失敗而導致網(wǎng)格劃分異常，需要進一步深入研究解決。

4)此程序已經(jīng)作為一個建模工具納入CCS的規(guī)范校核軟件體系中，在一定程度上減輕了審圖驗船人員的重復建模工作。

[1] 孫 燕.艙口蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及軟件開發(fā)[D].杭州: 浙江工業(yè)大學,2010.

[2] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 張 恒,謝永和.考慮慣性載荷的多用途船艙口蓋強度分析[J].船舶工程,2010,32(5):4-6,22.

[4] 于雁云,林 焰,紀卓尚,等.基于參數(shù)化表達的船舶結(jié)構(gòu)有限元分析方法[J].船舶力學,2008,12(1):74-79.

[5] Hougaz, Augusto Borella. 3D FEM parametric modeling applied to optimization of ship Hull Grider [C]∥Proceeding of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Cancun, Mexico, 2003：467-476.

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