張志康，韓 鈺，林 焰，陳 彬，唐 宇

（1. 大連理工大學(xué) 船舶CAD工程中心，遼寧 大連 116024；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

管理現(xiàn)代化

結(jié)構(gòu)有限元模型局部細(xì)網(wǎng)格快速生成方法

張志康1,2，韓 鈺2，林 焰1，陳 彬2，唐 宇2

（1. 大連理工大學(xué) 船舶CAD工程中心，遼寧 大連 116024；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，一般采用直接計(jì)算方法評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)于應(yīng)力集中區(qū)域，需采用子模型法進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格計(jì)算?？紤]到這項(xiàng)工作繁瑣費(fèi)時(shí)，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)效率，提出一種快速生成結(jié)構(gòu)有限元子模型局部細(xì)網(wǎng)格的方法。該方法基于“由幾何生成有限元網(wǎng)格，并采用添加輔助硬線以保證網(wǎng)格質(zhì)量”的思路。利用Visual Basic語言，基于Catia和Femap的二次開發(fā)功能，編制可靠、實(shí)用的程序，可極大地提高子模型的建模效率。以某集裝箱船的艙口角隅為例，驗(yàn)證其可靠性和快速性。

細(xì)網(wǎng)格；Catia；Femap；二次開發(fā)

0 引 言

目前，船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算法已被廣泛應(yīng)用在各類船舶的設(shè)計(jì)與研究中，主要包括設(shè)備加強(qiáng)計(jì)算、艙段計(jì)算和全船計(jì)算等3類。在工程實(shí)踐中，常采用的流程是首先進(jìn)行整體粗網(wǎng)格模型有限元計(jì)算，其次篩選出應(yīng)力集中區(qū)域和關(guān)注區(qū)域，最后通過建立子模型進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格計(jì)算，校核關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。子模型作為局部模型，其單元屬性、邊界條件和載荷均可由成熟的工具自動(dòng)從粗網(wǎng)格模型中獲取，并進(jìn)行獨(dú)立的有限元計(jì)算。子模型中某些局部細(xì)網(wǎng)格需單獨(dú)建立，這項(xiàng)工作不僅枯燥煩瑣，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是因?yàn)椴灰?guī)則結(jié)構(gòu)（如不規(guī)則開孔和艙口角隅等）的存在，會(huì)嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

為解決上述有限元建模效率較低的問題，國內(nèi)已進(jìn)行許多相關(guān)研究。朱永洲等[2]基于過程重用的思想，利用Catia和Patran實(shí)現(xiàn)機(jī)翼結(jié)構(gòu)有限元快速建模。陸善彬等[3]基于HyperMesh，應(yīng)用Tcl/Tk語言和內(nèi)置函數(shù)開發(fā)整車鉚接SPR2的有限元快速建模模塊。李平書等[4]利用二次開發(fā)技術(shù)，根據(jù)AutoCAD中的二維結(jié)構(gòu)圖，實(shí)現(xiàn)快速生成船舶結(jié)構(gòu)的三維有限元模型的功能。單威俊等[5]針對(duì)艙口蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和人工建模流程，利用Patran二次開發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)參數(shù)化有限元建模程序?？傮w而言，有限元快速建模技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用較少，尤其是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方面。

本文在國內(nèi)外已有的相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出一種快速生成結(jié)構(gòu)有限元模型局部細(xì)網(wǎng)格的方法（見圖1）。首先對(duì)局部結(jié)構(gòu)幾何建模過程中用到的方法和規(guī)則等知識(shí)進(jìn)行封裝；其次采用模板參數(shù)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)其外形幾何模型的快速生成，并進(jìn)一步通過添加輔助硬線控制網(wǎng)格劃分，以保證網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求及保證網(wǎng)格邊界的協(xié)調(diào)性；最后通過自動(dòng)劃分生成細(xì)網(wǎng)格。本文利用以下2款軟件，對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，以便實(shí)現(xiàn)該方法。

Catia V5是法國達(dá)索公司開發(fā)的一款高端

CAD/CAM/CAE軟件系統(tǒng)，在幾何參數(shù)化建模方面有獨(dú)特優(yōu)勢。此外，為滿足用戶對(duì)專業(yè)化和工作效率的需求，該系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口[6]。然而，該版本的有限元建模和分析模塊尚不完善，且計(jì)算結(jié)果還未被船舶行業(yè)所認(rèn)可。因此，采用Femap11.2軟件進(jìn)行有限元建模。Femap是一款高級(jí)工程有限元建模和分析應(yīng)用程序，具有高端的有限元前后處理器；同時(shí)，與Catia一樣支持Visual Basic對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，且數(shù)據(jù)接口良好，滿足各類導(dǎo)入、導(dǎo)出需求[7]。

1 幾何模型

創(chuàng)建準(zhǔn)確的幾何模型是實(shí)現(xiàn)上述方法的關(guān)鍵，本文從分析局部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)入手，利用進(jìn)程外應(yīng)用程序（Out-Process Application）的方式驅(qū)動(dòng)Catia完成外形幾何模型的創(chuàng)建，并結(jié)合專業(yè)規(guī)范的要求為其添加輔助硬線，以保證網(wǎng)格質(zhì)量。下面以簡單的單圓弧正角隅為例說明該過程。

1.1 關(guān)鍵參數(shù)分析

單圓弧正角隅常見于大型集裝箱船的貨艙艙口角隅處，是一種有效的減少應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)形式。本文基于“定形+定位”的思想，分析其主要控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)幾何外形的快速生成。

1) “定形”：確定單圓弧正角隅的形狀，經(jīng)分析共包括5個(gè)形狀參數(shù)，分別為1個(gè)半徑、2個(gè)寬度和2個(gè)長度參數(shù)。

2) “定位”：保證局部結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格能直接準(zhǔn)確地嵌套在子模型中。本文采用與子模型相同的全船坐標(biāo)系，通過參考點(diǎn)坐標(biāo)和開口方向確定其空間位置，共有3個(gè)位置參數(shù)，分別為1個(gè)三維點(diǎn)坐標(biāo)和2個(gè)定位軸的值。

另外，考慮到主甲板處可能會(huì)有梁拱，再添加一個(gè)位置修正參數(shù)，即梁拱升高角度。單圓弧正角隅及其關(guān)鍵參數(shù)分別見圖2。

1.2 添加輔助硬線控制

對(duì)局部結(jié)構(gòu)的外形幾何自動(dòng)劃分往往不能生成理想的有限元細(xì)網(wǎng)格，因此必須添加輔助硬線來控制網(wǎng)格劃分。本文結(jié)合相關(guān)規(guī)范的要求，歸納工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套完善的細(xì)網(wǎng)格劃分控制方法。對(duì)于單圓弧正角隅，其圓弧自由邊處為高應(yīng)力區(qū)域，必須劃分高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格，通過分析，最終確定添加3條輔助硬線的方案（見圖3）。輔助硬線CL1為一段與R同心的圓弧，半徑差為所需的細(xì)網(wǎng)格尺度；CL2和CL3均與CL1相交，且指向圓心O，這樣便能保證最后的網(wǎng)格質(zhì)量。若有限元網(wǎng)格質(zhì)量要求更高，也可在輔助硬線CL1的外圈增加一段半徑為R+2×網(wǎng)格尺寸的同心圓弧。

1.3 創(chuàng)建幾何模型

經(jīng)過關(guān)鍵參數(shù)和輔助硬線分析，即可利用VB驅(qū)動(dòng)Catia進(jìn)行快速幾何建模。具體處理方式為：首先建立基礎(chǔ)幾何長方形，其次利用圓弧切割，隨后進(jìn)行L1和L2兩段長方形的拉伸操作，最后合并各曲面，完成“定形”操作?！岸ㄎ弧辈僮髦饕闷揭坪托D(zhuǎn)功能確定其空間位置，最后利用切割幾何的思想實(shí)現(xiàn)添加硬線的功能。部分操作代碼如下：

此處只給出代碼的一部分，憑借 Catia強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，只需上述幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)便可建立局部結(jié)構(gòu)的外形幾何模型，無須計(jì)算各點(diǎn)坐標(biāo)，因此編寫任務(wù)并不繁重。

2 有限元模型

2.1 數(shù)據(jù)接口

在完成幾何建模之后，只需利用Catia與Femap之間的數(shù)據(jù)接口，保存中間文件*.model，便可將其導(dǎo)入到Femap中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)CAD模型向CAE模型轉(zhuǎn)換的無縫銜接。該過程可由代碼控制自動(dòng)完成，部分代碼如下：

2.2 網(wǎng)格劃分及賦屬性

由于是對(duì)曲面進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，因此只需控制網(wǎng)格的大小。另外，單元的屬性可通過前期在Femap中創(chuàng)建、后期在程序中自動(dòng)調(diào)用其ID進(jìn)行賦值的方式完成，部分操作代碼如下：

至此，單圓弧正角隅的細(xì)網(wǎng)格劃分完成，過程見圖4。細(xì)網(wǎng)格圓弧自由邊上均為邊長=50mm左右的四邊形單元，滿足規(guī)范對(duì)利用細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行屈服強(qiáng)度校核的要求。

3 程序開發(fā)

搭建程序整體框架，采用Visual Basic語言，基于VB 6.0平臺(tái)編寫程序，并創(chuàng)建良好的用戶界面，以提高其程序的可操作性和交互便利性。

根據(jù)本文提出的方法，并參照上述實(shí)現(xiàn)流程，選取幾個(gè)典型的局部結(jié)構(gòu)作為對(duì)象編寫參數(shù)化建模程序。編寫對(duì)象主要分為開孔和角隅2種，具體結(jié)構(gòu)分類見圖5。每個(gè)局部結(jié)構(gòu)都有其特點(diǎn)，因此在分析關(guān)鍵參數(shù)和添加硬線等環(huán)節(jié)處理方法不同，但大體上與上述思路相近，本文不再展開說明。

程序主體框架呈星形，以主窗體為中心，連接各節(jié)點(diǎn)的子窗體。該結(jié)構(gòu)簡單明了、可拓展性強(qiáng)。主窗體作為程序的主界面，具有啟動(dòng)關(guān)聯(lián)軟件、選擇結(jié)構(gòu)類型和關(guān)閉程序等作用（見圖6）。子窗體具有主要參數(shù)輸入和快速建模的功能，同時(shí)具有交互性的提示功能，隨著輸入的“定位”信息的改變而在窗體左側(cè)顯示不同的示意，更加貼切、直觀。單圓弧正角隅的子窗體見圖7。

選取常見的尺寸對(duì)各局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，網(wǎng)格大小取50mm，各局部結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格模型見圖8。

4 實(shí)例應(yīng)用

為驗(yàn)證程序的可靠性和快速性，闡述操作過程，以某超大型集裝箱船的艙口角隅為例進(jìn)行驗(yàn)證。該角隅為橢圓弧正角隅，位于機(jī)艙前相鄰貨艙艙口圍頂板處（見圖9）。該類船型具有大開口的特點(diǎn)，且大量使用高強(qiáng)度鋼，導(dǎo)致貨艙艙口的角隅疲勞強(qiáng)度問題突出，通常需多次優(yōu)化才能滿足規(guī)范的要求。因此，不論是板厚變化，還是幾何形狀改進(jìn)，都需重新劃分局部細(xì)網(wǎng)格，建模工作量非常大。

借助開發(fā)的程序建立子模型，具體操作流程如下：

1) 打開本文開發(fā)的程序，進(jìn)入主界面，點(diǎn)擊按鈕啟動(dòng)Catia和Femap軟件；2) 向Femap中導(dǎo)入子模型并初步細(xì)化；

3) 參照?qǐng)D紙確定局部結(jié)構(gòu)的形狀、位置和屬性；

4) 在Femap中確定局部結(jié)構(gòu)的板單元屬性ID（若沒有該屬性，則手動(dòng)創(chuàng)建）；

5) 在程序主界面選擇“橢圓弧正角隅”角隅類型，點(diǎn)擊“確定”；6) 進(jìn)入子窗體后，輸入關(guān)鍵參數(shù)、網(wǎng)格大小和屬性ID，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”；7) 在Femap中完善網(wǎng)格，保證其協(xié)調(diào)性，子模型的艙口角隅細(xì)網(wǎng)格劃分效果見圖10。

通過上述操作，便可快速生成高質(zhì)量的局部細(xì)網(wǎng)格。與傳統(tǒng)的手動(dòng)創(chuàng)建方法相比，運(yùn)用開發(fā)的程序使得效率有了極大提高。

5 結(jié) 語

本文提出的方法可有效解決船舶結(jié)構(gòu)有限元模型局部細(xì)網(wǎng)格劃分效率較低的問題，既有利于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率，又可為其他有限元二次開發(fā)問題提供參考。實(shí)測證明，本文開發(fā)的程序?qū)嵱谩⒖煽?，能在一定程度上減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng)。另外，局部細(xì)網(wǎng)格與相連結(jié)構(gòu)網(wǎng)格之間的自動(dòng)細(xì)化過渡技術(shù)具有后續(xù)研究價(jià)值，實(shí)現(xiàn)后可進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)效率。

[1]韓鈺，陳磊，王偉飛，等. 超大型集裝箱船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 船舶與海洋工程，2015, 31 (4): 10-17.

[2]朱永洲，席平，唐家鵬，等. 機(jī)翼結(jié)構(gòu)有限元快速建模技術(shù)研究[J]. 航空制造技術(shù)，2015 (19): 47-51.

[3]陸善彬，呂婕，陳偉，等. 基于HyperMesh二次開發(fā)的無鉚釘鉚接有限元快速建模[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào)，2014, 35 (5): 804-808.

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[5]單威俊，許方，王燦，等. 艙口蓋參數(shù)化建模程序設(shè)計(jì)[J]. 船海工程，2014, 43 (6): 10-14.

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[7]黃飛. 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下橋式起重機(jī)參數(shù)化CAE技術(shù)研究[D]. 太原：中北大學(xué)，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

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研計(jì)劃（工信部聯(lián)裝[2014]498號(hào)）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015B090904010；2016B090918092）；海洋可再生能源專項(xiàng)資金項(xiàng)目（QDME2013ZB01）

張志康，男，碩士，1991年生。研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造。

10.14056/j.cnki.naoe.2017.06.014