NAPA STEEL在大型集装箱船结构设计中的应用

张 伟 陈 磊

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

NAPA STEEL 是芬兰NAPA公司开发的船舶设计软件包中的结构设计模块，其主要功能有结构快速建模、二维辅助出图、质量统计、船级社软件接口及有限元模型输出等。利用NAPA STEEL进行船体结构辅助设计在行业内已有了一些研究介绍［1-5］。

2012年至2013年，我院在两条万箱级集装箱船的结构设计中利用NAPA STEEL软件进行结构辅助设计，最终实现了设计效率和水平的提高。

1 结构参数化三维快速建模

所谓参数化就是将设计过程中的数据用灵活可变的参数来表示，以便根据实际情况随时加以更改。由于集装箱都是采用标准化尺寸，对于相似尺度的集装箱船尽管会在箱位布置上有些差异，但参数化后的集装箱船结构模型可以对总体专业的修改做出快速响应；同时对后续船也可以很快实现模型修改，从而缩短后续船的设计周期。因此，在大型集装箱船上使用NAPA STEEL软件进行参数化三维设计较其他船型具有先天的优势。

NAPA 自2011.1版本开始推出了针对集装箱船结构快速建模的Container Manager，与其他NAPA中的Manager相似，只需按照流程树操作，便可完成集装箱船的主要结构建模。由于在使用Container Manager之前，只需要总体专业提供全船舱室的几何模型和平台、纵舱壁的几何参考面，因此在结构设计的初期阶段便可使用该Manager进行建模，以得到初步的结构设计方案。同时，由于在整个流程中大量使用了参考坐标，后期利用拓扑关系可以快速修改设计方案。

图1是Container Manager的流程树。从图中可以看出，建模的流程为：基本数据定义（参考坐标系、强框间距、STR表、货舱、参考结构面），船体主要结构建模（外板、强框、底部肋板、甲板、纵舱壁、底部纵桁、横舱壁，舱口围）。其中船体主要结构建模有相类似的过程，首先在Manager中根据之前定义好的参考坐标系和参考结构面，生成初步的Surface Object，将其归入对应的STR表，然后根据实际情况在Manager或NAPA STEEL中对这些Object做适当的修改。图2是通过交互式建模对纵舱壁进行修改的示意图，NAPA STEEL在显示参考坐标的同时也包含捕捉功能，大大提高了建模的便捷性和准确性。

图1 Container Manager流程树

图2 Container Manager纵舱壁的交互式建模

1.1 NAPA STEEL建模

根据以上介绍，在Container Manager中只能得到一个较为简单的主船体结构模型，有些Surface Object还需修改，同时板材并不包含板缝、板厚、材料、加强筋等信息，这些工作都需在NAPA STEEL模块中进一步完善。这里主要的工作是添加一些在Manager中无法定义的Surface Object，例如首尾区域、机舱区域中的局部结构以及在Surface Object上添加扶强材等信息。根据使用经验，创建Surface Object时有如下建议：

（1）合理使用参考坐标。参考坐标包含参考坐标系、几何参考面等，通过拓扑关系减少后期的修改量。

（2）规范Surface Object和其几何参考面的命名。对结构进行分类，方便后期的查找及修改。

（3）运用Macro减少重复工作。通过NAPA语言编制相应的宏，运用循环语句，快速定义边界相似的结构。

（4）利用NAPA STEEL界面工具进行交互式建模。利用这些工具可以进行Surface Object的复制、对称等操作，方便相同参考坐标结构的建模。

（5）把生成的Surface Object定义存至Text文档中，以便后期查找及修改。

在Surface Object的建模工作完成后，需要在Surface Object上添加扶强材、肘板、开孔、板厚、材料等属性信息，也给出如下建议：

（1）每类信息都以表格形式存在，不同的Surface Object可以共同使用一个表格来定义信息。合理使用共用表格可以节省建模时间。

（2）定位的时候运用参考坐标，尽量避免使用绝对坐标，方便后期的查找及修改。

图3 目标船的三维结构模型

（3）运用Macro命令添加信息至表格，充分利用NAPA自带的循环语句。

2 NAPA STEEL结构模型数据库应用

2.1 数据库功能描述

在完成NAPA STEEL 结构模型之后，就可以利用该三维模型数据库完成如二维出图、质量统计、导入船级社软件和生成有限元模型等任务。然而各项任务对于模型的要求（主要体现在精细程度上）是不同的，比如质量统计、二维出图等，要求模型尽可能地反映实际结构，而如果是利用NAPA STEEL模型导出全船有限元模型，由于仅要粗网格模型（网格为强框至强框），对于很多结构都要进行简化处理，与实际结构会有不小的出入，因此基于NAPA软件目前的情况，对于不同的任务使用同一个模型数据库是不合适的。根据现在的使用经验，质量统计、二维出图和导入船级社软件可共用一个数据库，该数据库和总体专业共同使用。全船有限元建议单独用一个数据库，由于设计过程中结构形式的修改会影响到全船有限元结果的评估，因此，可通过使用共用数据库表格替换本数据库的表格来完成，从而保证两个数据库的属性一致。

2.2 二维出图

NAPA STEEL二维出图的主要功能是辅助进行详细设计出图，可以通过Drawing Manager进行控制实现。在其中可以对导出的二维图纸的线型、图层等进行控制，便于导入AutoCAD后进行修改。

2.3 质量统计

对于质量统计，在初步设计阶段，可利用Container Manager进行全船的初步快速建模，建模对象主要是船体的主要构件，局部构件可通过加权系数等考虑。这样，通过NAPA STEEL可以得到全船结构的质量、质心预估结果，使设计人员在设计初期就能得到一个相对准确的空船质量和质心。随着设计深入，模型可以添加更多的细节，例如更详细的扶强材、肘板、开口、板缝和材料等信息，使得结构质量的统计更详细并趋于精确。表1是初步设计阶段目标船某分段NAPA STEEL模型与船厂最终TRIBON模型在质量与纵向质心上的比较。从表中可以发现，两者质量偏差在5%左右，纵向质心偏差更小，说明NAPA STEEL 可以让设计人员在设计初期对质量、质心有一个大致的了解。

表1 NAPA STEEL与TRIBON质量统计比较

2.4 船级社软件接口

NAPA 自2011.1版本开始增加了新的Interface to Rules Manager［6］，目前版本支持将 NAPA STEEL模型导入 LR、DNV和GL三家船级社的规范计算软件。

在本次项目中，我们将NAPA STEEL与这三家船级社的规范软件的接口都进行了尝试，以DNV/Nauticus软件为例，图4的流程图为将NAPA STEEL模型信息导入Nauticus软件的流程图。

图4 NAPA STEEL模型导入Nauticus软件流程图

通过尝试，发现导出的结果不甚理想，最关键的问题是结构属性信息有所丢失，并不适宜直接利用其导出的文件进行规范计算。随着NAPA公司对其软件的更新，相信此项功能会逐步完善。据了解，NAPA公司与NK船级社合作，在该Manager中加入了对NK船级社规范计算软件的支持。

2.5 有限元模型输出

通过在Container Manager中快速建模及在NAPA STEEL中对部分Surface Object做修改，便可生成有限元模型。NAPA中可以导出Global、Local、Fine三类有限元模型，本项目导出的是全船的Global模型，各参数主要是通过FEMDEF表格来控制，包括网格大小，四边形比重，边界处的网格长度等，详细内容可以参看软件帮助［4］。

目前，NAPA STEEL可以导出后缀名为.out和.bdf的文件供Patran，Ansys等有限元软件进行下一步处理。其中.bdf文件中的扶强材是包含截面形状的，而在.out文件中包含模型的分组信息。导出的有限元模型在后期还需作如下修改：

（1）网格形状。由于NAPA的网格是依靠软件计算自动生成的，虽然可以进行一些参数的控制，但如果生成的模型非平行中体段，某些线型变化较大位置的网格还是需要手工调整，以满足计算的要求。

（2）加强筋的均摊。由于全船有限元的间距为强框到强框，因此大部分加强筋都会摊到相邻的网格边界上去。NAPA STEEL中在创建加强筋时也可以作相应设置，但在导出有限元模型时，发现有时在两个节点间可能存在不止1根加强筋，这样导出的模型如果用MSC/Nastran求解器没有问题，但某些船级社软件则视其存在错误，无法计算。另外，加强筋可能并不往最近的有限元网格边界上均摊。

（3）检查重复单元及自由边。

图5 目标船首部有限元模型示意图

3 结 论

（1）利用NAPA最新的Container Manager可以快速对集装箱船的主要结构进行参数化建模，在结构初步设计阶段，可以对总体专业的修改（如线型、箱位）做出快速响应，以完成初步的方案设计。

（2）在NAPA STEEL中通过使用参考坐标，可以完成集装箱船大部分结构（板、扶强材、开孔、肋板等）的参数化建模，本文摸索出一套快速有效的建模方法。

（3）利用NAPA STEEL结构数据库可进行基本结构二维出图、质量统计、有限元输出等任务，还能将剖面信息导入船级社软件中进行规范描述性校核，为后期的详细设计奠定基础，并可进行灵活的修改以实现二维图纸、统计数据、有限元模型及信息输出的实时更新。

［1］ 管义锋，王剑.基于 NAPA STEEL 的船体结构参数化建模研究［J］.船舶工程，2009 （5）：37-39.

［2］ 袁俊.基于NAPA STEEL 在船舶研发和设计中的应用［J］.船舶设计通讯，2007（2）：43-46.

［3］ 张瑞瑞，谢云平，包国治.基于NAPA 的船舶结构设计方法研究［J］.船舶工程，2010（5）：44-46.

［4］ 姜广煜，谢云平，刘可峰，等.基于NAPA大宽深比船舶总纵强度计算方法及分析［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2007（S1）：21-23.

［5］ 张志军.NAPA概述及NAPA船体模型的建立［J］.船舶设计通讯，2003（Z1）：36-40.

［6］ NAPA Limited Liability Company.NAPA Manuals ［S］．2011.