朱文敏 單小芬,2

（1.江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 上海 201913;2.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江杭州 310015）

船舶研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其中一項(xiàng)必不可少的工作是利用CAE 有限元技術(shù)對船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，從而驗(yàn)證設(shè)計的合理性和可靠性。隨著CAD/CAE 一體化的發(fā)展，基于單一數(shù)字模型的船舶設(shè)計建造已成為潮流，可以減少軟件“系統(tǒng)孤島”、重復(fù)建模和信息丟失。其中，快速有效地將船舶CAD 設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為CAE 有限元分析模型是極為關(guān)鍵的一步，可以提高設(shè)計效率。但是，由于船舶幾何尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由現(xiàn)有軟件工具和算法所生成的有限元分析模型都無法直接滿足計算要求，仍需設(shè)計人員花費(fèi)大量時間對有限元網(wǎng)格進(jìn)行修改調(diào)整，這一現(xiàn)象制約了船舶設(shè)計效率的進(jìn)一步提升。

國內(nèi)外學(xué)者針對有限元分析模型進(jìn)行了大量研究，陳澤等[1]提出了船舶模型中趾端結(jié)構(gòu)的CAE 理想化方法，通過對板架幾何輪廓的幾何識別計算，并結(jié)合對船舶結(jié)構(gòu)空間幾何關(guān)系的查詢，實(shí)現(xiàn)了基于規(guī)則的船舶趾端結(jié)構(gòu)自動理想化處理；章志兵等[2]將船舶CAD 模型先轉(zhuǎn)換成多面體模型，在多面體模型中實(shí)現(xiàn)相交板架的縫合操作，最后生成有限元網(wǎng)格模型；李海靜等[3]針對船舶三維模型中分布密集、截面多變、依附情況復(fù)雜、人工難以計算的扶強(qiáng)材規(guī)范校核，實(shí)現(xiàn)了快速自動的理想化計算。在網(wǎng)格優(yōu)化方面，陳有芳[4]等綜合船舶結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格規(guī)則、船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析原則和建模經(jīng)驗(yàn)，提出了滿足船舶結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格要求的網(wǎng)格形態(tài)自動優(yōu)化算法；章志兵等[5]基于邊折疊的網(wǎng)格簡化算法，同時考慮網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)權(quán)重，針對船舶板架結(jié)構(gòu)，提出了一種有限元網(wǎng)格優(yōu)化算法。

整體來看，現(xiàn)有研究主要針對某些特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元網(wǎng)格的生成與優(yōu)化，在實(shí)際應(yīng)用中只能解決部分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格質(zhì)量差的問題，仍需較多人工處理。本文梳理了船舶CAE 模型構(gòu)建的主要需求，結(jié)合CAD 軟件和網(wǎng)格處理軟件的優(yōu)勢，提出一種船體結(jié)構(gòu)有限元建模方法，將主流網(wǎng)格處理軟件與專項(xiàng)功能開發(fā)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格自動優(yōu)化，盡可能減少人工處理工作量。通過在實(shí)船研制中的應(yīng)用，本文方法可以加快得到滿足規(guī)范要求的有限元模型。

一、需求分析

針對船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析，船舶結(jié)構(gòu)有限元模型建模主要有以下需求：

（1）貫穿孔全部忽略，直徑小于350mm的開孔全部忽略，其余開孔的輪廓統(tǒng)一簡化為規(guī)則矩形，但對于部分大開孔，需根據(jù)實(shí)際情況將扣除部分補(bǔ)齊，即開孔處增加網(wǎng)格；

（2）針對T 排采用腹板+面板形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)CAD 建模，大尺寸T 排，有限元模型需轉(zhuǎn)化為2D+1D 單元，小尺寸T 排整體轉(zhuǎn)換為1D 單元；

（3）焊縫兩側(cè)的板厚不同時，將板縫移動到附近硬線處（如加強(qiáng)筋、相交板架等），保證板縫與硬線對齊，堅持保守原則，即小板厚覆蓋大板厚；

（4）需刪除焊接留余產(chǎn)生的自由邊；

（5）需忽略趾端結(jié)構(gòu)，并將形成的節(jié)點(diǎn)移動到附近支撐結(jié)構(gòu)，與附近的相交板架和加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)對齊；

（6）型材端部需對齊到附近構(gòu)件根部；

（1）態(tài)勢要素的獲取：采集和獲取相關(guān)環(huán)境中的重要信息和線索，獲得原始態(tài)勢數(shù)據(jù)，這是進(jìn)行態(tài)勢評估和預(yù)測的前提和基礎(chǔ)。

（7）型材端部肘板全部忽略，端部放大面板用型材代替后劃分為1D 單元，放大處忽略；

（8）需將小于設(shè)定閾值的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)合并為一個節(jié)點(diǎn)（以主要節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)），并減少細(xì)長、三角形等畸形網(wǎng)格數(shù)量，提高規(guī)則四邊形網(wǎng)格的比例，其中四邊形網(wǎng)格長寬比小于3:1。

針對上述需求，需要研究船舶有限元模型建模理論、規(guī)則并開發(fā)專用的優(yōu)化處理工具，從而提高后續(xù)有限元網(wǎng)格的生成質(zhì)量。同時，上述每一種結(jié)構(gòu)類型在船舶結(jié)構(gòu)中都對應(yīng)著大量不同的應(yīng)用場景，所開發(fā)的功能應(yīng)適用于不同應(yīng)用場景，具有一定的通用性，能夠自動識別并采取相應(yīng)的處理方法。

二、技術(shù)路線

三維體驗(yàn)平臺（3DEXPERIENCE Platform,3DEXP）是達(dá)索最新一代的軟件平臺，集成了三維設(shè)計、分析、仿真、數(shù)據(jù)與流程管理等功能，在船舶領(lǐng)域得到了廣泛而深入的應(yīng)用[6-7]。3DEXP 中提供了網(wǎng)格自動劃分工具，能夠基于建立的船體設(shè)計模型自動生成船體有限元模型。但是，由于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及3DEXP 網(wǎng)格劃分算法的局限性，3DEXP 生成的船體有限元網(wǎng)格仍無法滿足實(shí)際計算分析要求。設(shè)計人員往往需要將3DEXP 生成的網(wǎng)格模型導(dǎo)入其他專業(yè)的有限元前處理軟件中，進(jìn)行大量網(wǎng)格調(diào)整處理后，有限元網(wǎng)格才能用于計算分析[8]。

HyperMesh 是目前最常用的有限元前處理軟件之一，具有更強(qiáng)大的網(wǎng)格編輯與優(yōu)化功能，而且提供了豐富的接口進(jìn)行二次開發(fā)工作。

本文基于船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，針對船體結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格生成目前存在的問題，結(jié)合3DEXP 和HyperMesh 軟件工具，提出了一種船體結(jié)構(gòu)有限元建模方法，主要包括結(jié)構(gòu)模型調(diào)整、網(wǎng)格自動劃分、網(wǎng)格自動優(yōu)化3 個步驟，實(shí)現(xiàn)了船體結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格的自動優(yōu)化，減少了人工處理的工作量，提高了有限元建模質(zhì)量與效率。該方法主要流程如圖1 所示。

圖1 船體結(jié)構(gòu)有限元建模方法

首先，針對3DEXP 中現(xiàn)有網(wǎng)格劃分功能的不足，通過二次開發(fā)功能對船體設(shè)計模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，使船體結(jié)構(gòu)滿足后續(xù)網(wǎng)格劃分需求，減少畸形網(wǎng)格的出現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，利用3DEXP 原生功能進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，生成結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型，并將該網(wǎng)格模型以通用的BDF 格式進(jìn)行保存與導(dǎo)出。然后，將該BDF格式網(wǎng)格模型導(dǎo)入HyperMesh 軟件，并利用在HyperMesh 中二次開發(fā)的網(wǎng)格優(yōu)化功能，對有限元網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。最后，將HyperMesh 優(yōu)化好的有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入專用結(jié)構(gòu)分析軟件，進(jìn)行工況加載與分析計算。

雖然，經(jīng)上述流程處理的有限元網(wǎng)格模型仍難以直接用于計算分析，仍需設(shè)計人員對部分網(wǎng)格進(jìn)行手工調(diào)整，但相比于傳統(tǒng)模式下完全依靠人工調(diào)整網(wǎng)格的方式，本方法可以節(jié)省大量網(wǎng)格處理工作。

三、3DEXP 有限元網(wǎng)格劃分

盡管3DEXP 中提供了上述將船體CAD 模型自動轉(zhuǎn)為船體CAE 模型的功能，但無法實(shí)現(xiàn)對T 排和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的有效處理，因而會生成大量畸形網(wǎng)格，導(dǎo)致目前仍需設(shè)計人員手工對T排和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)或它們生成的畸形網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整。這一方式操作煩瑣且工作量大，嚴(yán)重影響有限元建模效率。本方法通過二次功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對船體結(jié)構(gòu)（T 排和加強(qiáng)筋）的提前調(diào)整，再基于調(diào)整后的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

（一）船體結(jié)構(gòu)自動調(diào)整

為提高船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，船體中布置了大量不同規(guī)格的加強(qiáng)筋，在船體CAD 設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為CAE 分析模型時，加強(qiáng)筋由其理論線表示并被劃分為一維梁單元。由于船體CAD 模型中加強(qiáng)筋理論線按真實(shí)位置進(jìn)行布置，在轉(zhuǎn)換成CAE 模型后，加強(qiáng)筋理論線往往未與附近其他構(gòu)件連接，這不滿足有限元計算要求，而且由于加強(qiáng)筋端點(diǎn)與其他構(gòu)件間的距離很短，會導(dǎo)致細(xì)小網(wǎng)格單元生成。因此，需對加強(qiáng)筋位置進(jìn)行調(diào)整，將加強(qiáng)筋理論線的端部對齊至附近主要構(gòu)件的根部。通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)格、不同軌跡加強(qiáng)筋的自動調(diào)整，如圖2 所示。

T 排與加強(qiáng)筋起著類似作用，區(qū)別在于T排是由面板和腹板兩部分組成，而加強(qiáng)筋是一個整體。在船體CAD 設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為CAE 分析模型時，面板被劃分為二維殼單元，腹板則被劃分為一維梁單元。殼單元相比梁單元節(jié)點(diǎn)更多，更容易與周圍節(jié)點(diǎn)組成細(xì)小或畸形單元，普遍做法是將T 排用T 型材進(jìn)行替代。傳統(tǒng)方法下，設(shè)計人員在劃分網(wǎng)格時需提前將T 排替換為T 型材，但由于T 排建模時會選擇其他幾何結(jié)構(gòu)作為建模參照，或作為其他幾何結(jié)構(gòu)的參照，替換難度極大，這一過程會涉及大量調(diào)整工作。通過二次開發(fā)，將T 排自動轉(zhuǎn)換為T型材，并實(shí)現(xiàn)與周圍幾何結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)，如圖3所示。

圖3 T 排自動轉(zhuǎn)換

（二）3DEXP 網(wǎng)格自動劃分

在完成上述結(jié)構(gòu)調(diào)整后，使用3DEXP 原生網(wǎng)格劃分工具，將船體CAD 模型轉(zhuǎn)為船體CAE模型，操作界面如圖4 所示。

圖4 3DEXP 中的網(wǎng)格劃分工具

在該劃分工具中，設(shè)計人員可通過設(shè)置不同參數(shù)對網(wǎng)格劃分過程進(jìn)行控制，從而針對不同部位生成不同形狀和尺寸的網(wǎng)格。使用該工具的優(yōu)勢在于，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE 一體化，即設(shè)計人員可直接利用構(gòu)建的船體CAD 設(shè)計模型生成有限元網(wǎng)格模型，而無須在其他軟件中重新構(gòu)建有限元分析模型，實(shí)現(xiàn)了模型的有效傳遞。

四、HyperMesh 網(wǎng)格優(yōu)化

如前所述，利用3DEXP 生成的有限元網(wǎng)格模型仍無法直接滿足計算要求，人工處理工作無法避免。為了盡可能地減少人工處理工作量，提高有限元網(wǎng)格建模效率與質(zhì)量，本方法針對船舶應(yīng)用場景，基于HyperMesh 開發(fā)了一系列網(wǎng)格自動優(yōu)化功能，如圖5 所示。

圖5 HyperMesh 網(wǎng)格優(yōu)化

同時，未來可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行功能擴(kuò)充，目前，主要提供以下功能[9]。

（1）刪除重疊單元：自動檢查并刪除重疊的單元，目前僅支持刪除完全重疊的殼單元和梁單元，無法刪除部分重疊的殼單元和梁單元。

（2）刪除自由邊：自動刪除船體板架之間因焊接留余而形成的自由邊。

（3）合并自由梁節(jié)點(diǎn)：通過設(shè)定距離閾值，將多個自由梁端點(diǎn)距離小于閾值的節(jié)點(diǎn)合并。

（4）按照距離合并節(jié)點(diǎn)：通過設(shè)定距離閾值，將兩單元節(jié)點(diǎn)間距離小于閾值的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并。

（5）倒圓角合并：將船體結(jié)構(gòu)中細(xì)小的倒圓角與周圍結(jié)合合并，避免畸形單元的出現(xiàn)。

（6）焊縫合并：焊縫兩側(cè)的板厚不同時，將板縫移動到附近硬線處（如加強(qiáng)筋、相交板架等），保證板縫與硬線對齊，堅持保守原則，即小板厚覆蓋大板厚。

（7）三角形網(wǎng)格重構(gòu)：將全局三角形網(wǎng)格重新劃分，如將成對的三角形網(wǎng)格合并成四邊形，從而減少三角形網(wǎng)格數(shù)量。目前，可提供兩種優(yōu)化模式，一是節(jié)點(diǎn)位置優(yōu)化模式，即在保證網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系不變的前提下，僅調(diào)整網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)的位置，進(jìn)而提高網(wǎng)格質(zhì)量，其只調(diào)整網(wǎng)格單元的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)或是移動同一表面上的節(jié)點(diǎn)；二是拓?fù)鋬?yōu)化模式，即實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，通過改變節(jié)點(diǎn)的度（即節(jié)點(diǎn)周圍四邊形的個數(shù)）來進(jìn)行網(wǎng)格的優(yōu)化，和節(jié)點(diǎn)位置優(yōu)化一樣，也是只能改變網(wǎng)格的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。

（8）按肋位自動調(diào)整網(wǎng)格：以全船肋位表為輸入，自動調(diào)整網(wǎng)格位置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格邊界與肋位線的重合。

圖6 為使用上述網(wǎng)格優(yōu)化功能后的效果示例。

圖6 優(yōu)化效果

五、應(yīng)用案例

以某型集裝箱船的貨艙區(qū)域?yàn)槔瑢Ρ疚奶岢龅姆椒ㄟM(jìn)行了驗(yàn)證，如圖7 所示，結(jié)果表明本方法可有效提高有限元網(wǎng)格質(zhì)量，從而減少人工處理工作量，提高有限元建模效率。

圖7 應(yīng)用實(shí)例

具體而言，若采用傳統(tǒng)方式，即由設(shè)計人員在3DEXP 中生成網(wǎng)格，并結(jié)合在HyperMesh中的人工調(diào)整，需8d 的時間可使該貨艙有限元模型滿足計算分析要求。而采用本文提出的方法和優(yōu)化工具，即先在3DEXP 中進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整并生成網(wǎng)格，再在HyperMesh 中進(jìn)行網(wǎng)格自動優(yōu)化，則只需3d 時間即可使模型滿足分析計算要求?？偟膩砜?，雖然本文方法無法解決人工參與網(wǎng)格生成過程這一現(xiàn)狀，但通過網(wǎng)格自動優(yōu)化，節(jié)省了大量人工處理時間。

六、結(jié)論

本文針對船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中有限元建模工作量大、效率低的問題，提出了一種船體結(jié)構(gòu)有限元建模方法，并基于3DEXP 和HyperMesh 開發(fā)了相應(yīng)功能，并通過實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性，該方法能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格自動優(yōu)化，減少人工處理工作量。

下一步將繼續(xù)基于3DEXP 和HyperMesh，針對船體設(shè)計實(shí)際需求，研究相關(guān)網(wǎng)格優(yōu)化算法并完成功能開發(fā)，進(jìn)一步提高設(shè)計效率，減輕設(shè)計人員工作量。