孟巧

摘要：船舶有限元方法廣泛應(yīng)用在船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，其中船體的有限元建模是比較耗時(shí)、且內(nèi)容繁重的一項(xiàng)環(huán)節(jié)，船體結(jié)構(gòu)具有三維曲度且船首尾兩端線型復(fù)雜、變化急劇，同時(shí)船體結(jié)構(gòu)又是左右對(duì)稱的，船中部線型平緩幾乎不變，根據(jù)這一特點(diǎn)，利用ANSYS Workbench軟件的DM建模平臺(tái)及強(qiáng)大的圖形布爾操作、映射等功能對(duì)3200噸甲板駁的船體進(jìn)行建模，實(shí)踐證明這種建模方法是可行的，比傳統(tǒng)建模方法省時(shí)間，且也滿足計(jì)算模型要求。

關(guān)鍵詞：ANSY Workbench；DM平臺(tái)；建模

ANSYS Workbench Environment（簡稱AWE）是ANSYS公司發(fā)布的新一代的協(xié)同仿真環(huán)境，至今已發(fā)展到ANSYS19.0版本，AWE可實(shí)現(xiàn)經(jīng)典版本絕大多數(shù)已有的功能，并大幅擴(kuò)展了協(xié)同仿真能力。這使得ANSYS在易用性、功能、性能、可靠性及運(yùn)行環(huán)境的適用性等方面能很好的滿足用戶的需求?；诖?，本文采用ANYS Workbench19.0對(duì)3200噸甲板駁船體進(jìn)行建模。

1 3200噸甲板駁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

船體外板是一個(gè)具有三維曲度的復(fù)雜自由曲面，這使得用有限元軟件建模具有一定困難，但同時(shí)，3200噸甲板駁船型簡單，從FR47～FR104都為平行中體，各肋位型值表數(shù)值不變，尾部FR19～FR46和首部FR105～FR120肋位雖然不是平行體，但是型值變化不大，從FR19～FR120部分采用縱骨架結(jié)構(gòu)，基于上述規(guī)律性，使得ANSYS建模變得簡單易操作。

2 ANSYS建模

有限元模型建立是整個(gè)后續(xù)計(jì)算的關(guān)鍵，首先有限元模型為計(jì)算提供所有原始數(shù)據(jù)，如果模型誤差較大，可能產(chǎn)生與實(shí)際不符的分析結(jié)果。其次有限元模型的形式對(duì)計(jì)算過程產(chǎn)生很大影響，因此在建模時(shí)需要綜合考慮很多因素，所以在整個(gè)有限元分析過程中，建模時(shí)間占有很大比重，根據(jù)船型的復(fù)雜程度一般需要幾周或幾個(gè)月時(shí)間。由此也可看出建模的重要性

2.1 建模方法

有限元幾何建模方法按照生成圖形的順序可分為自下而上和自上而下兩種方法，前者即按照點(diǎn)、線、面、體的順序進(jìn)行建模，后者即按照體、面、線、點(diǎn)的順序進(jìn)行建模。幾何模型生成后要賦予一定的單元和材料屬性，之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分、添加載荷、求解及結(jié)果的后處理。整個(gè)建模流程見圖1所示。

2.2 船體建模

建模前首先要對(duì)問題進(jìn)行分析，本文是關(guān)于3200噸甲板駁的船體進(jìn)行建模，這是一個(gè)簡單的船體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)由板、縱橫構(gòu)件組成，因?yàn)槭谴w結(jié)構(gòu)建模，采用自下向上的方法有利于控制線的方向，從而方便后續(xù)操作。其次要分析單元類型、材料屬性、幾何特征、簡化模型等，本例中所用到的單元類型有、桿、梁、板殼等，材料為船用鋼板和軋制型材，幾何特征為中間很大一段為平行體，縱骨架式，形式相對(duì)較簡單，簡化為殼和線體。

所有信息確定好之后，進(jìn)入ANSYS Workbench平臺(tái)的DM模塊進(jìn)行建模。先建立一個(gè)流程圖，如圖2所示，然后進(jìn)入DM建模，根據(jù)主尺度和型值表的信息，建立船體外板模型。注意船體外殼是一個(gè)板架結(jié)構(gòu)，舷側(cè)、船底、甲板及艙壁板上的縱橫骨架采用映射（Imprint face）命令可以很快地進(jìn)行創(chuàng)建，這里縱橫骨材定義成線體，船殼、艙壁、甲板等定義為面體，然后分別定義各部位縱橫骨架的截面形式及尺寸即可，如圖3所示。注意橫向構(gòu)件為了避免與隨后添加的縱向構(gòu)件發(fā)生布爾并運(yùn)算需要生成凍結(jié)狀態(tài)，在凍結(jié)狀態(tài)下各個(gè)橫向構(gòu)件具有各自獨(dú)立的橫截面特征。

船中部分建好后即可根據(jù)型值表建立船首和船尾部模型，由于線性復(fù)雜，可以用樣條曲線建好一個(gè)橫剖面，然后根據(jù)指定路徑拖曳而成。

這種建模方法充分利用了計(jì)算機(jī)的高性能，避開復(fù)雜、重復(fù)性人共工作，為后續(xù)網(wǎng)格劃分及其相應(yīng)計(jì)算提供便利。

3 小結(jié)

本文主要通過船體曲線三維設(shè)計(jì)與表達(dá)，應(yīng)用映射在船體外板和縱橫艙壁上生成線體，然后再定義線體橫截面，從而生成肋骨、縱桁、縱骨等型材，經(jīng)過實(shí)踐表明利用ANSYS workbench中DM平臺(tái)對(duì)甲板駁主船體建模是可行的，可大大提高船體有限元建模的效率。當(dāng)然也可以用經(jīng)典界面通過對(duì)船體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)控制、利用型值表建立船體型線、利用插值生成縱桁構(gòu)建交叉點(diǎn)出關(guān)鍵點(diǎn)，最后生成船體外板及縱橫骨架。兩種ANSYS建模方法并沒有對(duì)比，有待于今后進(jìn)一步研究。

課題：本課題來源于南通理工學(xué)院校級(jí)課題（課題編號(hào)：20150032）