海洋结构与船舶有限元模型空间识别方法

单威俊，许 方，陈坤坤，周 炜

(中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

海洋结构与船舶有限元模型空间识别方法

单威俊，许 方，陈坤坤，周 炜

(中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

海洋结构物与船舶进行结构强度有限元规范校核时，需要从网格数量庞大的模型中分离出空间单元，采用纯手工方式提取，操作繁琐，耗时且易漏选、错选。针对此问题本文以船舶为例，对有限元模型空间识别方法进行探索，提出“切分拼接”的方法。研究表明:先利用模型中的自由边对内部结构单元进行过滤，然后根据结构相交对模型进行切分，最后依据一定的规则将切分出来的面拼接成舱室空间的方法，能够为编程实现船舶与海洋结构物空间自动识别提供可行的方法。

海洋结构;船舶;有限元模型;空间识别

0 引言

国际船级社协会 (IACS）在共同结构规范(CSR）基础上，开发的协调后的共同结构规范(HCSR），预计2014年年中生效［1］，这就意味着在这个时间之后签订合同的油船和散货船都要符合HCSR规范。目前，国际上各大船级社都在紧锣密鼓的针对 HCSR规范研发相应的校核软件［2－3］。HCSR规范对于腐蚀属性的创建、屈曲、屈服和疲劳计算的载荷加载，都和舱室空间的类型、结构类型、内部构件单元以及舱室特性相关。MSC.PATRAN是工业领域尤其结构领域著名的有限元前后处理及分析系统，但基于PATRAN用手工分离结构的网格单元和舱室空间的边界单元，操作繁琐，耗时较长，效率低且易出错。并且在HCSR规范中，极有可能要求对船中以外区域和首/尾货舱模型进行评估分析，而首/尾部的舱室模型由于型线的变化手工操作更加复杂。因此，迫切需要开发出结构自动识别和舱室自动识别系统，以期能够准确识别出舱室的结构、舱室或者空间的边界网格单元，来提高审图验船人员的分析效率。所以，基于有限元模型的结构和舱室空间识别技术的研究就显得尤为重要和紧迫。在整个规范校核软件系统中，结构识别和舱室空间自动识别算法是系统准确性与否、性能高低的关键。

1 结构识别

结构识别是识别舱室空间的必要条件。船舶结构规范校核之前，需要根据规范对模型进行结构定义，包括结构对应的网格单元分组及水密或非水密等其他规范属性。定义属性时，根据单元所在的结构和舱室的类型，获取不同的腐蚀环境，便于自动创建腐蚀属性。CSR规范软件中的结构识别方法是手工选择单元搜索，由于结构较多，手工操作繁琐，虽然搜索较准确，但工作量比较大。本文提出可以根据一些模型的参数和结构的位置特性，由程序自动识别结构。把一些简单的、位置特性明显的结构自动识别出来，从而节省结构识别时间，简化操作过程。

1.1 方法描述

本文提及的结构识别方法以模型参数和结构的位置特性为基础。例如根据模型的横剖面参数，计算出外壳、甲板、内底等结构的位置信息，然后随机搜索到一个符合条件的网格单元，即可实现自动识别结构并创建分组。

图1 结构识别Fig.1 Structural identification

可通过编程实现自动从起始单元开始，通过公共节点、公共边 (edges）和网格单元之间的拓扑关系，搜索相临单元，不断循环搜索，直至完成一个结构的识别［4］。对于平面结构如甲板和内底等，可用单元的法向过滤掉与目标结构垂直或成一定角度的单元。根据单元任意3个节点p1，p2和p3，由式(1）～式(3）求得起始单元的法向量作为基准向量。搜索与起始单元邻接的所有单元保存在{ElemPending}集合中并过滤掉梁单元。

利用式(1）～式(3）计算出 { ElemPending}中每个单元的法向量，根据式(4）求得单元法向量和基准向量夹角，过滤掉法向量不平行于起始单元的非目标结构单元，将结构单元和起始单元一并存入{ E lemPanel}集合中。

对于槽型横纵舱壁，在对邻接单元集合{ElemPending}进行判断时，加入相接单元的公共边同时存在3个单元或以上的限制条件即可。针对不能通过位置就判断出来，可以结合手工判定，尽量减少手工调整的工作量，最终实现整条船的结构识别。识别流程如图2所示。

图2 结构识别流程Fig.2 Structural identification flow

结构网格单元自动识别后，保存在相应的结构组中，可以根据结构之间的相连或相交关系自动把结构切分成多个块，在舱室识别中使用。

1.2 输入参数

根据船型给出剖面参数，在模型的剖面参数基础上进行自动识别结构，以下列出几种基本船型的横剖面，横舱壁位置处的结构还需要模型的纵剖面参数，例如横舱壁横向位置 (x）。

1）单弦侧和双舷侧散货船参数需如图3所示的d1，d2，d3(d4），h1，h2，h3，h4，h5和横舱壁位置。

图3 单/双弦侧散货船横剖面Fig.3 Transverse section of single/double hull bulk carrier

2）1道和2道纵舱壁油船参数需如图4所示的d1，d2，d4(d3），h1，h2，h3和舱壁位置。

以甲板上的起始单元Elemstart为例，起始单元坐标范围确定方法见式(5）～式(7），遍历模型中的单元，找到单元型心坐标符合该坐标范围的任一单元即可，其余结构起始单元确定方式可类推。

图4 1道/2道纵舱壁油船模型横剖面Fig.4 Transverse section of single/double longitudinal bulkhead tanker

1.3 识别对象

结构识别针对散货船和油船船中区域，包括甲板、外壳、内底板、内壳板、槽型纵舱壁、槽型横舱壁、底边舱斜板、底边舱横隔板等结构。结构识别完成后模型中的每个单元都应该属于且只属于一个结构组。预计根据横剖面参数，散货船船中区可自动识别的结构如表1所示，油船可自动识别的结构类似。

据对某实船船中区有限元模型的研究，模型中包含结构24个，由横剖面参数判定出起始单元，进而可实现自动识别网格单元精度为100%的结构可达14个，占结构总数的比例近60%。相对与纯手工提取结构单元，大大减少了搜索的时间以及验船师的手工操作。

表1 识别对象Tab.1 Identify object

2 舱室识别

2.1 相关研究

三维空间模型边界的确定在地质学、图形学、工业制造等领域有广泛的涉及。但船舶有限元模型空间的识别与普通三维空间边界的确定既有区别又有一定的联系。普通三维空间的识别大都基于CAD模型，而船舶有限元模型基于CAE，船舶有限元模型单元数量一般较大，大型船舶有限元模型的单元个数超过数十万，网格单元之间的拓扑关系也比较复杂，识别的对象是每个单元个体组成的边界，而普通三维空间模型边界的确定却基于面和体。其共同点是都需要确定搜索空间的边界。

三维空间边界的确定研究较多。张奇华等［4］基于拓扑学有关原理，建立了“有向性”和“封闭性”概念，提出了全空间块体搜索的一般性方法并进行了较系统论述。但是该方法只适应于封闭块体的搜索，运用在船舶有限元模型边界确定上，具有一定局限性。

Y.Jun等［5］提出了内腔空间搜索算法，首先对空间区域进行划分，通过八叉树算法将空间中的实体部分确定出来并建立索引，然后采用三维空间扫描线算法对整个空间进行搜索，确定实体内腔空间范围。该方法一般要求对内腔体边界有更多的已知条件，且同样要求识别的空间封闭，无法应用于船舶有限元模型的空间识别。

M.Ankerst等［6］研究了3D模型检索技术，该技术基于3D模式识别和模型匹配以及基于内容的图像检索，直接对3D模型进行某种切分，然后统计每个切分单元中点的个数和所有点个数的比例，构成形状直方图，再用欧几里德距离计算相似性。该方法只适应于3D模型的检索和比较，无法应用于边界的精确确定。

总的来说，虽然三维空间边界的确定研究较多，但是不能直接应用于船舶有限元模型空间搜索，而涉及到船舶有限元模型的空间搜索研究较少。

单威俊等［7］根据散货船舷侧上任意一个起始有限元网格单元和舱室内部任意空问一点P(x，y，z），提出效率较高的算法对每个单元进行判断，自动识别出舱室的所有边界单元。但是这种方法要求有较高的输入条件，且只能完整识别出部分油船和散货船的舱室，在部分舱室搜索时，有多搜或者少搜单元的现象。

本文基于拓扑学有关原理，结合CAE模型和CAD模型优势，将基于单元的CAE模型转化成基于面的CAD模型来处理，提出了“切分拼接”的方法，该方法可以大幅提高舱室空间的搜索效率和搜索精度。

2.2 切分拼接方法

1）原理描述

上述几种方法对船舶舱室空间识别均无大的借鉴意义。本文提出一种基于有限元网格模型的“切分拼接”方法实现舱室空间的识别。首先，把模型切分成一块块没有被分割的面;然后通过两面确定第3面的组合方法，将面拼接成空间。先利用模型中的自由边对内部结构单元进行过滤，和自由边关联的单元必定是内部构件而非舱室空间的边界单元，其中特殊结构上的开孔需特殊处理;然后根据构件之间的相交关系对模型进行切分 (见图5），将图中所示切分出的一系列单元组 (1～21）定义为“面”;最后依据三维立体几何的性质将切分出来的面拼接成舱室空间。

图5 切分示意图Fig.5 Illustration of segmentation

根据三维立体的几何性质，任何2个相交 (有公共边）的面可以确定第3个面，其中第3个面必须满足如下特征:分别与这2个面相交且不交于同一交线，也即第3个面的2条边分别和已定的2个面是公共边 (见图6）。面1和面2相交，面3分别与面1和面2相交且不交于同一交线，由此得出面3是属于该三维舱室空间的边界。图6为实际模型中的3个相关面的拓扑关系。

图6 拼接示意图Fig.6 Illustration ofmontage

2）实现过程

首先，将模型切分为若干块没有被分割的面，如图7所示。切分面有以下几种方法可选择:不过滤自由边 (不进行预处理）直接切分;过滤自由边关联的内部构件单元之后切分;按水密结构的相交关系切分;按自定义结构相交关系切分。

图7 模型切分效果Fig.7 Illustration of segmentationmodel

其次，采用上述方法原理将切分出的面再拼接成舱室空间。其中对于槽型舱壁将Edges的2个端点近似看做1条边。实现步骤如下:

步骤1:指定任一属于舱室空间边界的单元作为起始单元;

步骤2:根据起始单元的拓扑关系识别出舱室空间的第1块“面”;

步骤3:由第1块“面”的边的拓扑关系，确定第2块“面”;

步骤4:根据第2.2节1）中的描述判定出第3块“面”;

步骤5:将第3块“面”替代为第1块“面”;

步骤6:迭代步骤3～步骤5，直至舱室空间拼接完成;

步骤7:定义识别出的空间所属的舱室类型，如货油舱、压载舱等，用于后期创建腐蚀环境。

最后，对于没有正确识别的舱室空间可采用手工调整方法补充完善。

图8 舱室空间搜索流程Fig.8 The flow of cabin space detect

2.3 流程及难点

1）预处理

舱室空间识别之前要进行预处理，过滤掉非边界的内部结构单元，但如何获取所有的内部构件单元不太容易。经对船舶有限元模型研究，除极少数特殊的水密舱壁上有开口外，舱室的边界都应为水密结构，不含有自由边。因此本文提出，首先获取所有的自由边，再根据自由边相关联的单元的拓扑结构得到的单元即为内部构件单元。对于结构的开孔，自由边的节点是闭环，可以根据Edgs节点的拓扑关系判定，进而识别舱室时根据结构类型对开孔进行相应处理。

图9 预处理流程及内部结构Fig.9 Preprocess flow and internal structure

2）拼接舱室

船舶结构有限元模型相对比较复杂，特别是在槽型舱壁与底边舱斜板相连处、双槽型舱壁相交处及槽型舱壁和顶凳相连处，会出现部分三角形单元，预处理切分时难免会出现形状不规则的“面”，甚至1个面只包含1个单元。舱室空间拼接时可能出现符合拼接规则，但不是边界单元的面。该情况可获取结构识别部分设定的横剖面参数，根据相应船型排除非舱室空间边界的面。另外，用起始单元锁定第1块面之后，由第1块面的边拓扑关系可能会获取多块待判定的面，从待定的面中识别出正确的舱室空间的边界是个难点。本文研究的方法为，分别在2个面内作垂直于公共边的辅助向量并计算夹角，若夹角为0°～180°即可确定为第2块边界面。

图10 拼接流程及空间角隅Fig.10 Montage flow and space corner

3 应用实例

以MSC.Patran为处理平台，使用PCL(Patran Command Language）作为开发语言，基于上述思想开发了船舶舱室空间识别程序对本文的方法进行验证。经对某散货船和油船实船的有限元模型进行测试，可以实现模型的合理切分并有效识别舱室空间。

另外，对于含有双槽型舱壁的油船，利用本文方法也能实现货油舱空间的识别。由于槽型舱壁结

图11 散货船舱室空间Fig.11 Cabin spaces of bulk carrier

构网格自身的复杂性，手工提取此种类型的舱室势必需要花费大量的人力，上述方法为编程实现舱室空间的自动识别提供一种可行的技术方案，大大降低验船师的工作量和缩短审图周期。

图12 双槽型舱壁油船舱室空间Fig.12 Cabin spaces of double corrugated bulkheads tanker

4 结语

本文按照船舶规范校核中对舱室空间识别的需要，完成了基于有限元模型结构和舱室空间识别方法的探索研究。主要结论如下:

1）可根据船舶横剖面和纵剖面配合船型，实现约60%的结构完全自动搜索;

2）提出了基于三维立体几何性质的切分拼接方法可以实现舱室空间的自动识别，并编写程序对该方法的有效性进行验证;

3）为船舶与海洋结构空间的自动识别提供一种可行的技术方法，可大大降低船舶与海洋结构物设计工程师的工作量和缩短审图周期。

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IACS is publishing HCSR［J］.Ship Standardization Engineer，2012，45(5）:16 －16.

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［7］单威俊，李峰.船舶模型边界网格单元识别技术研究［J］.计算机工程与设计，2008，29(10）:2652 －2654.

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Research on spaces detection methods of offshore structure and ship FEM model

SHANWei-jun，XU Fang，CHEN Kun-kun，ZHOUWei
(China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，China）

During structure strength assessment of offshore structures and ships，the cabin spaces need to be derived from the numerous elementmodels.It can be done bymanual extraction.But the problem is thatmanual extraction is quite tedious and time-consuming.This paper is written to study the detection methods for cabin spaces based on the finite elementmodels and themethod of splitting and jointing is put forward.Research shows it isworkable to follow the next steps to realize the automatic recognition of cabin spaces for programming:First，filter the internal structure by using the free edges in themodel;then separate the model according to intersection segmentation between structures;finally use mosaic segmentation selected by certain rules tomake cabin space.

offshore structure;ship;finite elementmodel;space detect

U663.2

A

1672－7649(2014）05－0025－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.006

2013－10－24;

2014－01－28

上海市科学技术委员会资助项目(［2012］12231203700）

单威俊(1982－），男，硕士，工程师，主要从事CAE二次开发技术方面的研究工作。

book=5,ebook=397