優化有限元建模方法探討

董旭靜 蒙昌松 雷雪華

(廣船國際技術中心)

0 前言

有限元分析在現代船舶設計中占有重要位置，且建模工作時間占整個有限元分析的比例相當大，各船級社均開發了不同有限元軟件，皆有各自的優缺點。對船體這樣大型復雜的結構而言，探索一種快捷、便于修改的建模方法是非常有必要的。為此，我們根據對多個軟件及多型船的建模經驗，總結了一套比較高效的建模方法。

1 船體結構特點

船體結構為板梁組合結構，外板為復雜的曲面，中部結構一般比較規則，在艏、艉、機艙區域，線型變化比較大，外板骨材的布置也不規則，內部結構復雜。通常為了加快有限元分析進度，在詳細設計初始階段就開始建有限元模型，而在設計期間又存在艙室、平臺、艙壁等方面的反復修改，給建模及修改帶來了很大的難度，本文基于這些特點及問題，探索一種高效的有限元建模方法。

2 船體有限元建?，F狀

各船級社均開發有限元計算軟件，這些軟件建模方法可分為兩種，一種為直接用有限元網格建模，另一種為建立幾何模型后通過軟件自動劃網格。直接以網格為基礎的方法建模及修改模型效率比較低，而使用幾何模型生成網格，對模型質量要求非常高，否則容易產生大量的畸形網格，修改模型也易產生各種錯誤，也有可能導致模型報廢。

3 聯合CATIA 及FAST TRACK 軟件建模

通過對各有限元軟件使用及總結，我們選擇了CATIA 及FAST TRACK 兩款軟件進行有限元建模，可以極大的提高建模效率?，F以某客滾船為例展示并分析軟件的特點，將兩款軟件優缺點進行互補。

3.1 CATIA 有限元建模應用

CATIA 軟件的SFD（Structure Functional Design）為通過建模幾何模型后自動劃分有限元網格的專用模塊。其優點表現在以下方面：第一，CATIA 相比其他幾何模型轉網格有限元軟件，其無論是實體還是曲面，做到了變量及參數化混合建模，極大的提高了建模效率；第二，無論是平面還是曲面建模，CATIA 提供了智能化的樹結構，設計者可方便快捷的對產品進行重復修改；第三，船體外板線型比較復雜，CATIA 對生成曲面SURFACE 的操作方式較多，對不光順曲面可以逆向工程編輯曲面，生成曲面質量高，其建模方式比較簡單，通過參考曲面SURFACE 定義邊界即可快速生成曲面板架，能處理復雜的曲面建模；第四，SFD 模塊劃分網格質量較好，因其幾何模型有強拓撲關系，所以極少會出現畸形網格。

3.2 FAST TRACK 模型修改應用

FAST TRACK 為一款非常優秀的有限元建模軟件，其針對船舶行業開發了多項功能，如自動分組、自動優化網格、細化網格、自動合并規格材質、自動檢查模型問題等，可以非常便捷的修改CATIA導出有限元模型出現的問題，經過FAST TRACK修改的模型可導入各船級社軟件進行計算。

聯合CATIA 及FAST TRACK 建模步驟，見圖1。

3.3 CATIA 模型更新

使用CATIA 建模時，應充分應用其模型間的拓撲關系。本船在使用CATIA 建模完成后，從一甲板至十二甲板高度均做了修改，且機艙及貨船雙層底各艙室也進行了調整，如果使用常規有限元軟件建模，如此大的修改，相當于重新建立有限元模型，而應用CATIA 模型的拓撲關系，僅修改各甲板及艙壁的參考面，便可做到模型自動更新，且不會出現模型錯誤，極大的降低了模型修改的工作量。CATIA 全船有限元模型見圖2。

圖1 有限元建模步驟

圖2 有限元模型

3.4 FAST TRACK 網格優化

CATIA 外板SURFACE 需要平邊線、平底線等控制，在劃網格時該線條成為網格控制線，無法消除，見圖3。

圖3 CATIA 外板網格

如圖3 可見，如果手工修改網格，則工作量非常大。而利用FAST TRACK 軟件REMESH 功能，設定單元格規格，選取需要優化的單元格區域可實現一鍵優化，見圖4。

圖4 優化后的網格

3.5 FAST TRACK 材質規格修改

因各有限元軟件的接口數據轉換，模型經過導出、導入后，經常會出現型材、板材規格等命名的更換，見圖5。

圖5 導入FAST TRACK 后的命名

而FAST TRACK 是各有限元軟件中唯一能夠按屬性自動命名的軟件?？上韧ㄟ^Property Value Edit 功能對板材進行重新命名，并選擇添加材質，見圖6。通過Modify physical Property 功能對型材重新命名并添加材質，見圖7。

由于CATIA 每建一個結構，會新生成一個板或者型材規格的名稱，這樣導入FAST TRACK 后就形成非常多的規格名稱，而在重新命名后，通過Merge Versions 功能可自動合并相同屬性的規格名稱,見圖8。

3.6 FAST TRACK 模型檢查

一般從幾何模型劃分為網格后，部分結構由于結構布置、幾何模型局部錯誤等問題，會導致畸形網格、自由邊，或漏賦屬性、重復單元等問題。CATIA 相比其他從幾何模型轉網格的有限元軟件，因其有拓撲關系，出現此類錯誤較少，但由于建模錯誤仍會出現相關問題。這時通過FAST TRACK的Model Diagnosis 功能可以快速檢查各類模型錯誤并將各類型錯誤自動分組，可非常便捷的修改模型，見圖9。

3.7 FAST TRACK 模型分組

通常有限元建模需要將單元格分組以便于查看、修改、計算等，通過FAST TRACK 的Auto Create Group 功能按外板、橫向、縱向、水平可比較準確的實現自動分組，亦可按需要手工修改分組，分組后導出“ses”格式文件，該文件可導入各船級社有限元軟件使用，見圖10。

圖6 自動修改板材規格名稱

圖7 自動修改型材規格名稱

圖8 合并相同規格

圖9 模型檢查

圖10 模型分組

經FAST TRACK 對有限元模型進行修改，可直接保存為“BDF”格式，各船級社軟件均有該格式模型導入的接口或轉換程序，也可在該“BDF”加載后用NASTRAN 求解器進行計算, 生成“OP2”文件后導入FAST TRACK 查看結果及自動出有限元計算報告。

通過在某客滾船有限元分析中聯合使用CATIA 及FAST TRACK，對比原計劃客滾船全船有限元建模使用PATRAN 建模，需配備6 個人同時建模，且人均約需要80 個工作日，而使用CATIA及FAST TRACK 聯合建模，按照以上總結的步驟和方法，只需配備4 個人，在圖紙完善的情況下約人均40 個工作日即可完成建模任務，可見該方法可極大的提高有限元建模效率。

4 結束語

通過聯合使用多個軟件進行有限元分析，不斷的總結經驗，將有限元分析工程師的大部分工作從繁重、低效的建模任務中解放出來，節省出大量的時間用于結果分析，可極大的提高了設計工程師單位工時的含金量，有充足的時間進行結構優化、降低空船重量等工作，最終實現降低產品成本，提高企業競爭力的目標。