滑行艇整艇参数化有限元分析程序

刘江波，姜广煜

(1.重庆海事局，重庆 400050;2.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200135)

滑行艇整艇参数化有限元分析程序

刘江波1，姜广煜2

(1.重庆海事局，重庆 400050;2.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200135)

针对有限元建模的参数化程度不高、生成的模型不便于修改、重复的工作量大等问题，提出船舶参数化有限元分析程序的解决方案，编写了基于滑行艇整艇的参数化有限元分析程序，以国家标准中的实例进行验算，并与实例结果进行对比，证明本程序是可靠的，具有一定工程应用价值。

FEM;强度;参数化;滑行艇

在船舶结构分析中引入大型有限元分析程序已经取得很好的效果，但仍存在很多不足。对于主尺度、结构形式一致的一系列船舶进行结构分析时，仅仅是构件几何尺寸不同也需要重复建模，并且很难针对船型进行结构优化。

因此，笔者引入了参数化有限元分析程序的解决方案。该程序的主要原理是先运用大型有限元程序ANSYS二次开发语言APDL［1］实现船体结构的自动建模、自动赋值计算，然后利用编程语言VC++提供的接口对各参数和ANSYS进行集成、封装，形成有限元计算分析程序［2］。这样就可以使参数化分析达到避免重复工作，节约计算时间的作用，并且获得很好的精度，也能利用多次计算结果进行结构优化。

该方案的关键是引入了参数化的分析思想。用参数化模块对前、后处理都进行封装，使有限元分析过程的全程参数化［3］。前处理模块，对材料参数、几何模型、网格大小、边界条件，载荷等都利用参数化进行赋值，从而只需改变参数的赋值就可以实现自动建模，后台计算便能实现。后处理模块，用户根据所需，对后处理参数赋值即可自动提出结果，打印出结果文档。图1是参数化有限元分析的基本流程。

图1 参数化有限元分析流程Fig.1 Flow chart of parameterization

程序的主要工作是完成滑行艇的整艇参数化有限元分析。根据滑行艇力学特征及结构特点，提取参数，编制参数化分析模块，从而达到相同船型、不同艇体的快速参数化有限元分析的目的。

1 程序的实现

按照 GJB 4000—2000《舰船船体规范》［4］(以下简称《规范》)中对滑行艇的要求，本文适用于下列特性的滑行艇:排水体积傅汝德数小于4.3，设计波高小于2.65 m，正常排水量小于300 t。

1.1 参数定义模块

参数化有限元分析的基础是参数定义模块，其它功能模块均需要使用此模块定义的参数，正确的参数定义能使参数分析过程合理有效。参数定义模块包括模型材料与实常数定义、结构参数的定义、网格控制参数、外载荷参数与约束参数定义［5］。对于参数是否确定分别用数组参数与变量参数来定义:如每个肋位的横向坐标由于肋位数的不确定，则采用数组参数来定义;船长、船宽有确定数值，就采用变量参数来定义。

1.2材料赋值以及分网模块

船体梁单元、壳单元分别选用了Beam 44和Shell 43单元。采用Desize命令定义默认的网格大小，控制几何建模时切割命令生成的每一段构件的单元数;用Lesize命令控制每一个面边界的尺寸并使其与梁单元尺寸配合来控制壳单元。通过上述的控制方法，最后得到了较为理想的网格质量，网格形状99%为四边形网格且分布均匀。另外，需要严格控制壳单元正法向方向与梁单元方向点。

1.3 几何模型生成模块

采用点、线、面的方式生成船体型表面［6］。首先利用命令生成每一肋位处的关键点，再用Lstr命令或者Bspline命令生成肋骨线，最后利用生成的肋骨线采用Askin命令包络成舷侧面、甲板面、船底面。最后用Aglue命令检查面与面之间是否存在缝隙，是否在允许容差范围内。构件则采用APDL中特有的切割功能，利用Asbw命令移动工作平面(workplane)切割船体曲面，效率高并且可靠，可以保证曲面与构件的无缝连接，减少建模出错的几率。需要注意是，某些时候由于滑行艇艇艏曲面曲率过大会导致建模失败，这候只需适当加大容差即可。

1.4 约束模块

从滑行艇的滑行模式与受力分析出发，采用了如下的边界条件:约束艏部水平中和轴与垂直中和轴相交处的节点绕 x，z的转动自由度［7］，x向、y向、z向的位移自由度;约束艉部中和轴与垂直中和轴相交处节点绕x，z的转动自由度，y向、z向的位移自由度。

1.5 后处理模块

通过后处理模块，用户可以快速读取关心的结构部位应力。借助APDL语言的命令驱动［8］，对后处理采用“批处理”的手段，用户可以节约大量时间，也可以借助不同参数结果进行比较分析。本程序不仅可以查看应力图，还可以通过自动生成的报告得出最大的应力值;不仅可以查看船体整体应力水平，也可以查看最大节点应力。

2 程序构架与界面

2.1 程序构架

用VC++设计友好的参数输入界面，利用Windows的消息控制功能实现对ANSYS的启动，ANSYS运行后能执行程序提交的APDL模块并自动读取参数赋值，自动完成分析任务［9］。

程序主要完成的任务是:

1)接收前处理中输入的参数赋值，按一定格式录入txt文本中，供APDL的表格数组读取;

2)将生成的APDL程序模块提交给运行中的ANSYS程序进行批处理操作;

3)判断ANSYS的批处理操作是否结束，打印结果文件，提示用户进行后处理操作;

4)查看批处理生成的图片以及报告。

程序构架见图2。

图2 程序构架Fig.2 Program structure

2.2 界面设计

用户只需在主界面输入必要的参数即可进行计算。使得不懂ANSYS的用户也能使用。应用该程序进行滑行艇整艇有限元计算，大大减轻了用户的计算工作量，提高了计算分析的效率。图3、图4分别是结果查看界面、参数输入界面。

图3 结果查看界面Fig.3 Output check interface

图4 参数输入界面Fig.4 Parameter input interface

3 工程应用实例

为了验证程序的可靠性，对一型滑行艇采用开发的程序HPFEA进行整艇有限元计算。为了便于验证结果，计算与《滑行艇艇体结构设计计算方法》［10］中例艇一致，并将计算结果与文献［10］中的结果进行比对。

3.1 计算结果

后处理模块可以自动生成各种应力报告文档以及应力图(图5、图6)，以便于用户调用查看。

3.2 结果对比

《滑行艇艇体结构设计计算方法》［10］中滑行艇舱段强度有限元分析程序(PCCSFEMA)对例艇机舱进行了有限元计算，计算结果输出为梁单元弯曲应力和轴向拉压应力叠加而形成得合成应力。笔者选取了机舱25#(图7)肋位处的梁单元von Mises应力与之比较以验证计算结果的可靠性。比较结果见表1。

图7 25#肋骨剖面计算节点布置Fig.7 Node position of frame 25

表1 结果比较Tab.1 Result comparison

从表1中可以看出，除44号单元误差较大外，其余单元误差均在一定幅度范围内且变化趋势一致。

4 结语

从工程实际应用的角度出发，以通用有限元分析软件ANSYS为平台，运用参数化分析方法开发了针对滑行艇的有限元分析程序。该程序可以实现自动建模，自动加载，自动输出计算结果的功能。通过实际模型计算验证了该程序的可靠性，并且具有一定的工程实用价值。

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［10］GJB/Z 31—1992滑行艇艇体结构设计计算方法［S］.北京:国防科工委军标出版发行部，1992.

Research on Exploiting a Program to Analyze Hydroplanes FE Characteristics

LIU Jiang-bo1JIANG Guang-yu2
(1.Changjiang MSA ，Chongqing 400050，China;2.Marine Design ＆ Research Institute of China，Shanghai 200135，China)

In view of the facts such as low degree of parameterization，hard to modify，repeating work .etc.，the author proposed the solution of general routine to finish ships finite element analysis，and compiled general routine to proceed hydroplane FEA.In order to confirm the reliability of computed result，this article chose a hydroplane to carry on the computation and contrasted with result data on national standard.The contrast result showed this procedure is reliable and has the certain project application value.

FEM;strength;parameterization;hydroplane

U663.2

A

1674-0696(2011)03-0498-03

2010-11-22;

2011-01-18

刘江波(1981-)，男，四川眉山人，硕士，主要从事船舶检验、管理方面的工作。E-mail:paladinlau@hotmail.com。