船舶有限元模型標準化及程序開發

張志康,高明星,葉星宏,吳貝尼,鄭藝

(中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

有限元分析是船舶結構設計中非常重要的方法,一般包括局部強度分析、艙段有限元分析和全船有限元分析等。隨著近年來計算機的發展,以及行業規范的要求升級,直接計算方法應用越來越多。如《散貨船和油船共同結構規范》(HCSR)生效后,規范對散貨船和油船的艙段校核范圍要求由中間貨艙擴展到全船各貨艙[1],建模和分析優化的工作量數倍增加,而且船體艏尾區域的線型變化劇烈,建模難度增加。

參考行業內現有的標準與規范,結合一線設計經驗,基于公司的應用需求和環境,提出一套完整的船舶有限元模型標準。并以此為指導原則,基于FEMAP軟件開發標準化程序,用于幫助創建和處理標準有限元模型,針對常用軟件開發數據接口。

1 有限元模型標準

1.1 坐標系及原點

采用行業通用的右手直角坐標系,原點為船中縱剖面內尾垂線與基線的交點,x軸沿船長方向,以船艏為正;y軸沿船寬方向,以左舷為正;z軸沿船的垂向,以向上為正,見圖1。

圖1 船舶有限元模型坐標系

采用統一的坐標系,有利于分段模型的拼接和便于專業定制化功能的開發,如自動化分組、艙室識別和快速加載技術等。

1.2 單位制

國際單位制中共有7個基本量,其中和船舶有限元模型相關的主要是長度、時間和質量。

船舶結構設計過程中,繪圖及規范計算大都采用mm制來表達結構尺寸和定位,而描述船舶的重量常用t為單位,據此制定模型的標準單位制,見表1。

表1 船舶有限元模型單位制

該單位制與大多數船舶專業軟件一致,有利于數據交換。

1.3 單元尺寸

針對不同的計算分析需求,船舶有限元模型的精度要求不同,即對單元的尺寸要求不同。參考目前行業內的基本共識,制定統一的單元尺寸標準,見表2。

表2 船舶有限元模型單元尺寸

1.4 單元類型

船體結構是典型的板架結構,一般采用板(PLATE)、梁(BEAM)和桿(ROD)單元來模擬。船體的板殼、強框和桁材采用PLATE單元模擬,縱骨、局部扶強材和主要構件的面板采用BEAM單元模擬。

1.5 材料

常用的船舶材料為鋼材,主要區別是鋼級的不同,即屈服強度不同。A,B,D和E材料等級不影響屈服強度,因此在有限元模型中,區分不同屈服強度即可,采用如表3所示的標準命名。

表3 標準材料定義

1.6 屬性

1.6.1 板屬性

對一般的船體結構分析而言,板屬性僅需定義厚度Thickness和材料Mat.即可。約定板屬性的標準命名規則如下:Thickness_Mat.,如“10_H36”。

1.6.2 梁屬性

梁屬性定義包括截面名稱Section和材料Mat.,常用的型材有扁鋼(FB)、角鋼(L)、T型材(T)和球扁鋼(HP)。約定梁屬性的標準命名規則如下:Section_Mat.,具體的見表4。

表4 梁屬性標準命名

一般通用有限元軟件無法直接定義球扁鋼屬性,各大船級社均推薦采用等效角鋼替代的方法[2-4],具體的定義如下。

hstf=h′stf

(1)

tw=t′w

(2)

(3)

(4)

式中:h′stf和t′w分別為球扁鋼的總高度和腹板厚度,mm;α為系數,

(5)

α=1.0,h′stf>120

(6)

梁單元的朝向和偏心需要特別關注。對于傳統的Patran軟件,梁屬性參數包括了單元的朝向和偏心,而FEMAP與SRFT軟件很不同,屬性參數中僅包括偏心,朝向屬于單元定義參數,見表5。

表5 朝向和偏心歸屬的不同

實際操作過程中,Patran定義屬性時需要計算型材截面的剪心高度和指定朝向。對于同一種截面,不同朝向的單元就需要多次定義,不僅操作繁瑣而且額外增加數據量。另外,對于復雜曲面船體外板上的骨材,利用原生功能幾乎不可能完成。即使通過開發,采用通過關聯板單元計算出朝向,創建矢量場作為輸入的辦法還是較為繁瑣。

事實上,對于船舶結構而言,骨材與板材的連接方式較為固定,因此不同型材的梁單元的偏心也都是固定的。FEMAP和SRFT在屬性參數中定義偏心時,就很好地體現了這一點。具體地,對于不同截面,在腹板根部設置參考點,該參考點即為骨材與船體板的連接點,見圖2。這樣可以省去手動計算截面剪心,減少輸入參數,而且朝向屬于單元參數,同一個截面的梁屬性僅需定義一個即可。

圖2 角鋼的參考點示意

總的來說,FEMAP和SRFT采用的定義方法更為合理,有利于減少輸入和提高模型的輕量化。因此梁屬性標準采用此類定義方法,各截面的參考點均統一采用如圖2所示角鋼的位置來定義偏心。

1.6.3 桿屬性

桿屬性定義包括截面面積Area和材料Mat.,約定其標準命名規則如下:Rod_Area_Mat.,如“Rod_1000_H32”。

2 工具開發

FEMAP是一款先進的有限元分析軟件,其擁有強大的前后處理功能,且提供完全開放的二次開發接口,支持各種通用語言,非常適用于CAE的二次開發[5]。因此,選用FEMAP軟件作為工具的二次開發平臺。

基于FEMAP2019.1版本和.NET開發框架,采用VB.NET語言開發程序,使用Visual Studio 2012作為集成開發環境,操作系統為Windows 7,并在Windows 10系統下通過測試。

2.1 材料模塊

經過開發,材料標準化模塊界面見圖3。

圖3 材料標準化模塊界面

支持一鍵生成符合上述標準的材料,以及對模型中的材料進行批量修改、重命名、按屈服強度從小到大排序和合并重復材料。界面簡潔明了,操作方便快捷。

2.2 屬性模塊

為減少不必要的參數輸入和冗余操作,將屬性的創建功能集成在一個界面中,只需輸入少量的必要參數,即可快速生成標準屬性,見圖4。

圖4 屬性快速創建界面

屬性定義包括材料和截面參數,材料選擇框中的選項由讀取模型中現有的材料而來,選擇需要的即可。支持多種標準屬性的快速生成,包括上述的板、梁和桿屬性?！癙late”下拉框中可選擇“Rod”,切換成桿屬性的截面面積輸入模式。同樣地,“FB”下拉框中可選擇“HP”,輸入球扁鋼的hstf和tw,即可快速生成相應的等效角鋼的屬性。

與材料類似,屬性也支持一鍵標準化重命名、按類型和首字母排序、合并重復屬性的功能,標準化屬性見圖5。

圖5 標準化屬性

針對球扁鋼屬性的重命名問題,通過讀取角鋼截面的hstf和tw,作為球扁鋼截面的定義參數,再利用式(3)～(6)計算得到等效角鋼的bf和tf,若它們等于實際值(容差5%),則判定該屬性為球扁鋼,對其采用球扁鋼的標準命名。

3 數據接口

常見的FEM模型文件流轉過程見圖6。

圖6 FEM流轉過程

CATIA,Veristar Hull和Poseidon均支持以bdf格式文件導出有限元模型,但想要轉換成標準有限元模型,還需要進一步開發支持。

3.1 CATIA

CATIA是法國達索公司開發的一款高端CAD/CAM/CAE軟件系統,目前在船舶行業內應用廣泛,基于CATIA不僅能快速完成船舶結構建模與出圖,還能生成網格質量較優的有限元模型,已成為目前有限元建模的主要工具[6]。

由于軟件的特性,CATIA導出的有限元模型存在以下問題。

1)模型里有大量重復的材料和屬性,且丟失了名稱,不便于識別。

2)T型材截面定義中,腹板的高度比實際小了一個面板的厚度。

第一個問題可采用上述標準化程序進行自動化處理。以某集裝箱船艙段為例,合并操作后可大幅度減少模型中材料和屬性的個數,見表6。

表6 模型合并前后對比

第二個問題則需進一步的定制化開發來解決。利用程序對T型材截面定義進行修復,腹板高度增加相應的面板厚度,并對相關BEAM單元的偏移進行更新,見圖7。

圖7 T型材截面修復

通過實例測試,利用數據接口程序,僅需數十秒即可完成CATIA導出的有限元模型標準化處理,非常高效、便捷。

3.2 Veristar Hull

Veristar Hull為法國船級社BV的船舶有限元分析專業軟件,基于FEMAP軟件的二次開發技術,適用于艙段有限元分析和全船有限元分析前后處理等。該軟件有個特點,無論模型中的筋是何種類型的單元,導入后均會被自動改成BAR類型、截面形式為Standard Section的單元。因此從Veristar Hull導出的bdf文件,直接導入Patran和SRFT,均會出現丟失截面形狀信息的情況,模型的數據完整性遭到破壞,給后期修改帶來諸多困難。

通過二次開發,在FEMAP中先對模型進行預處理,一鍵轉化筋的類型和截面定義方式,即可完美解決上述問題。再利用上述其他工具進行標準化,即可得到標準化模型。

3.3 Poseidon

Poseidon是挪威船級社DNV的一款規范計算軟件,功能強大,且集成CAD/CAE一體化,具備艙段有限元分析及全船建模的功能。

導出的有限元模型存在一些問題。

1)該軟件的單位制是m、t和kN,與本文提出的標準不一致。

2)球扁鋼截面在導出時,是以截面特征參數的方式寫在bdf文件中的,包括面積、慣性矩和剪切面積等。這樣就無法判斷該截面是何種規格的球扁鋼。

3)艙段強度分析模型中包含了邊界和載荷等數據,而通常并不需要。

上述第二個問題處理起來較為困難。筆者曾嘗試利用截面特征參數以逆推的方式來求解其截面形狀,但遇到了諸多問題。還考慮過與型材表進行查找和比對的思路,但操作起來也較為繁瑣。最終,尋求與軟件開發商合作后解決了此問題。Poseidon在導出的bdf文件中添加各截面的形狀名稱,如“MYM HP 200*10.0”,再通過二次開發對其進行解析與識別,重定義為等效角鋼。

編寫各自動化處理功能和集成界面,見圖8。通過一鍵操作即可將Poseidon導出的模型轉換為標準化模型。

圖8 Poseidon FEM轉換程序

3.4 Patran和SRFT

在FEMAP中經過標準化處理后的有限元模型,可以任意地在FEMAP、Patran和SRFT間進行數據交換。唯一的問題是,利用它們各自的原生功能導出后,均存在丟失材料和屬性標準命名的現象。

分析原因,bdf文件并沒有規定材料和屬性的命名格式,因此各軟件無法兼容其他軟件導出的文件。通過開發,采用直接解析bdf文件,識別命名并修改成需導入軟件的格式,可以解決該問題,避免模型重要信息的丟失。

4 結論

所提出的船舶有限元模型標準緊貼專業特點,符合行業規范和共識,在實船項目中的深入應用也驗證了其合理性,具備行業內推廣的價值。

1)船體結構的材料和屬性定義簡單明了,標準命名具有很強的辨識度,且考慮了球扁鋼屬性的特殊性。

2)梁屬性中有關朝向和偏心的定義方法充分體現了船體構件間的連接特性,有助于減少重復屬性,提高模型的輕量化程度。

3)開發的定制化專業工具,可快速實現有限元模型的標準化和數據交換,實用性強,且交互界面友好,有利于提高建模效率。