舱口盖参数化建模程序设计

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(1.中国船舶科学研究中心, 江苏 无锡 214082;2.中国船级社上海规范研究所,上海 200135)

舱口盖的设计和强度校核主要采用有限元直接计算法，根据规范修改有限元模型中相关参数，循环反复多次，不断调整设计方案直至满足安全性和经济性要求。有限元模型的建立和修改占用了整个设计周期较大的比例[1]。《钢质海船入级规范》[2]中对舱口盖强度的新要求，需要验证的构件种类多，网格质量要求的细节也较为复杂。所以需要开发相应的舱口盖快速建模程序来减轻工作量[3]。为了快速准确地为舱口盖设计和强度评估提供技术服务，本文针对舱口盖的结构特点，人机界面采用PCL，基于Patran平台开发操作性强的舱口盖参数化建模软件，以实现几何建模和网格划分的自动化。

1 流程设计

Patran的二次开发功能基本能实现手工可实现的建模流程，经对开式和闭式等若干常规舱口盖结构特点及建模过程研究，将舱口盖分解为几个主要构件独立设计，几何模型建立后依次进行网格自动划分。根据校核公式编写程序，求出设计载荷并自动添加；依据规范实现舱口盖边界条件自动设定。使用Patran结果管理功能，快速生成云图，保证一定灵活性[4-5]。

程序设计的参数化建模流程见图1。

图1 舱口盖参数化建模流程

按类型将舱口盖分为单块和多块，多块的情况按块数分组为多个单块，建模方法视为多个单块。根据舱口盖的闭合方式分为开式和闭式。区别就是闭式无需建底板，程序建模功能模块按构件分为顶板、底板、主要支撑构件、扶强材、裙板、肘板、支撑块、限位块，分别设计定制参数化建模界面，在Patran中创建默认的Groups，并在后台保存和管理几何模型及后续划分出来的有限元网格。

2 结构参数化建模

2.1 顶板底板

顶板建模提供3种方式，以适应多种舱口盖顶板或底板的创建。①输入顶板起始位置坐标及长宽等参数创建；②选择基准点，设置面板长宽，根据基准点坐标创建；③选择基准边，设置板面宽度，根据基准线创建。根据图纸上实际参数的标定，输入相应参数完成顶板建模。基准边创建顶板的方式，默认沿X方向平铺，顶板高度位置为0，底板为负值；底板与顶板建立方式一致，厚度不同时，输入不同的纵向位置重复创建以便属性的设置。

2.2 裙板

根据裙板的腹板高度和面板朝向，自动创建裙板模型，并将创建的几何模型添加到相应的组中。建模时，以基准边作为裙板的一边沿Z向向下创建裙板腹板。裙板的腹板和面板分别创建。

2.3 主要支撑构件

主要支撑构件是舱口盖模型中比较复杂的构件，大多是变截面的，即腹板中间位置会比较高，到两端会慢慢变小如T型、L型、I型以及箱型。据统计腹板有等高、截面端部变小、截面端部变大等多达11种几何形状(见图2)，并且存在两端不对称的情况，面板也有端部凸起、端部削斜等8种形状。其中，L型支撑构件还存在设定面板L的朝向问题。

图2 主要支撑构件腹板

在主要支撑构件腹板上创建局部坐标系，以顶板或底板上X/Y向连续的直线作为基准边，根据截面参数计算出腹板及面板的轮廓线，利用Create/Surface/Curve(Edge)等方法创建主要支撑构件的几何面。以枚举的形式将常规舱口盖中常用主要支撑构件类型列出，在设计舱口盖时可根据图纸中主要支撑构件的腹板和面板实际类型组合创建。对于等间距和同截面类型的主要支撑构件用复制的方式实现批量创建，见图3。

图3 主要支撑构件建模流程

2.4 扶强材和肘板

普通扶强材分为X、Y向，根据基准边(如顶板)、设置间距等参数，自动创建扶强材几何模型(Curve)；创建出的扶强材与选定的基准边平行，长度一致。肘板建模包括箱脚肘板、T型材肘板等，采用基准点加基准面和方向的方式设定参数。在肘板所处位置创建局部坐标系，根据箱脚在X方向上的长度及肘板与X坐标夹角的度数创建三角形几何平面，见图4。

图4 肘板示意

2.5 支撑块和限位块

单块舱口盖或多块舱口盖在分析时需要在支撑块或限位块上设置边界条件。例如,支撑块约束Z向位移、限位块约束所限位方向的位移(y+/y-)。因此建模时根据支撑块节点、限位块节点，以及铰链的位置，自动生成支出舱口盖外面的一列板格。创建支撑限位块时，艏端(X+)沿X正方向创建；艉端(X-)沿X负方向创建；左舷(Y+)沿Y正方向创建；右舷(Y-)沿Y负方向创建，见图5。

图5 支撑限位块示意

2.6 材料属性

屈曲屈服强度校核所需的材料屈服应力，程序利用PCL设计界面，设置保存在Patran的DB中以便在后续的校核中提取。根据梁截面参数和板厚，自动创建梁截面、设置梁单元偏移量、根据单元所属构件类型自动扣除减薄；并支持批量设置单元属性。

3 网格自动划分

网格按默认的200～300 mm，顶板底板上根据扶强材间距，两条扶强材之间两个单元。通过将扶强材的几何模型(Curve)，作为硬线关联到顶板 (Surface)上，并计算单元个数，沿扶强材方向和顶板/底板垂直于扶强材的边界上撒种，控制单元质量。在反复进行手工网格划分测试的基础上，结合PCL二次开发技术，提出自动网格划分流程。

步骤1。将主要支撑构件和顶板连接边创建为一条直线作为网格划分的辅助线[6]，并用Associate/Curve/Surface方法将辅助线和顶板关联。

步骤2。提取顶板上的扶强材(Curve)，并用Associate/Curve/Surface方法将扶强材和顶板关联，见图6。

图6 硬线关联

步骤3。将顶板垂直于扶强材方向的边，根据扶强材间距并结合规范中网格尺寸要求，计算种子个数并撒种，见图7。

图7 顶板撒种

步骤4。利用Create / Mesh / Surface(IsoMesh)方法创建顶板四边形单元，见图8。

图8 顶板网格划分

步骤5。根据扶强材长度计算单元个数，利用Create / Mesh Seed / Curve Based方法创建扶强材和主要支撑构件顶板边上的Mesh Seeds，见图9。

图9 扶强材网格划分

步骤6。在主要支撑构件底部边上撒种，种子个数和顶板边一致，见图10。

图10 支撑构件腹板撒种

步骤7。划分主要支撑构件腹板网格，其中变截面腹板的三角区域，采用三条边分别根据相邻结构的拓扑结构撒种的方法定制划分方法，见图11。

图11 支撑构件腹板网格划分

步骤8。划分主要支撑构件面板、扶强材、肘板网格；

步骤9。合并重复节点并对局部网格进行优化[7-8]。

4 实例验证

4.1 模型参数

No.10舱口盖位于船中部，中心艉垂线约114 m,由三块舱口盖构成,相对于船体中纵剖线左右对称。第1块舱盖的大小为12.88 m×10.20 m,第2块和第3块相对于船中纵剖线对称，大小为12.88 m×12.98 m。由横向箱型强横梁和纵向T形强构件以及横向和纵向加强筋支撑，见表1。

表1 舱口盖参数

4.2 载荷设定

每一个载荷节点包含Az、Bz、By3种Force力，作用的方向按船体的坐标。x船长方向，y两舷方向，z深度方向，适用于舱口盖上装载集装箱，当集装箱堆装在舱口盖上，图12为由纵摇、垂荡和横摇运动产生的载荷。

图12 集装箱载荷施加示意

(1)

(2)

By=2.4·M

(3)

式中：av——加速度；

M——最大设计集装箱堆垛质量，t；

hm——在舱口盖支撑以上的集装箱堆垛重心的设计高度，m；

b——箱脚中心线间的距离，m；

Az、Bz——集装箱垂向堆角支反力，kN；

By——集装箱横向堆角支反力，kN。

利用程序对某集装箱船的第10舱口盖进行参数化建模，该舱口盖顶板下设纵桁、横梁和次要扶强材，通过支承块搁置在舱口围板上承受载荷。依据规范对参数化建模形成的模型手工施加集装箱载荷后，可以提交Nastran计算并得到应力结果(见图13)，为验船师后续的规范校核分析提供依据。

5 结论

1)基于Patran平台利用PCL语言开发的程序，能够取代纯手工操作，实现常规类型舱口盖模型的参数化几何建模。

2)文献[1]设计开发了舱口盖参数化建模程序，但是只支持有两根以下中间横梁，本文设计的程序解决了这一问题，可支持多横梁的情况。

3)网格划分模块，本文采用硬点硬线和撒种的方式解决网格匹配问题，但是在实际运用中，有些类型的舱口盖在进行硬线绑定时会失败而导致网格划分异常，需要进一步深入研究解决。

4)此程序已经作为一个建模工具纳入CCS的规范校核软件体系中，在一定程度上减轻了审图验船人员的重复建模工作。

[1] 孙 燕.舱口盖结构优化设计及软件开发[D].杭州: 浙江工业大学,2010.

[2] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3] 张 恒,谢永和.考虑惯性载荷的多用途船舱口盖强度分析[J].船舶工程,2010,32(5):4-6,22.

[4] 于雁云,林 焰,纪卓尚,等.基于参数化表达的船舶结构有限元分析方法[J].船舶力学,2008,12(1):74-79.

[5] Hougaz, Augusto Borella. 3D FEM parametric modeling applied to optimization of ship Hull Grider [C]∥Proceeding of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. Cancun, Mexico, 2003：467-476.

[6] 蒲 海,单威俊,李 锋，等.基于过渡边的细化算法及其在舱口角隅处的应用[J].计算机应用与软件,2009,26(2):163-164,234.

[7] 单威俊,伊金秀,李 锋,等.舱口角隅处网格划分方法研究[J]. 船海工程,2008,37(1):10-14.

[8] 单威俊，许 方，陈坤坤，等.船舶结构有限元模型局部修正方法研究[J].船海工程，2014，43(4)：55-59.