基于NX的船舶CAD/CAE模型预处理

林垚,张少雄,王丽荣,章志兵

基于NX的船舶CAD/CAE模型预处理

林垚1,张少雄1,王丽荣2,章志兵3

为了提高有限元建模效率，基于NX的CAD/CAE设计分析一体化的优势，将CAD船舶模型快速高效地转换为可用来划分网格的CAE模型，提出基于NX的船舶CAD/CAE模型预处理设计方案，测试表明，方案切实可行，有一定实用性。

NX；船舶结构；CAD/CAE；模型转换

船舶的设计建造过程中不同的阶段根据需要将建多个模型。譬如，在整体设计阶段，为了设计型线、性能校核以及舱容计算等创建船壳模型；在工艺设计中，需创建包含建造详细信息的几何模型；在结构强度计算时，需创建FEM模型等。这种不同阶段的建模模式，导致大量重复劳动。当前所使用的几何造型软件，如CATIA，NX，PRO/E和有限元软件；如MSC.Patran/Nastran、ANSYS等虽然有广泛的通用性，但缺乏船舶行业针对性[1]。因此，如果能将船舶领域所涉及到的应用模块集中到同一个平台上，那么用户只需要创建一个完整的三维船舶CAD通用模型，使得“一个模型，多个用途”。这样既可减少重复劳动，又可实现数据共享[2]。

此平台对船舶快速CAE建模有更加显著的意义。数据统计显示，有限元建模工作占到CAE分析的50%～80%。目前，船舶结构有限元建模大部分都采用手工建模的方式，即通过二维图纸获取位置信息和形状信息再手工输入，尤其是创建船体外壳时多是要借助外壳几何，数据量庞大、工作繁琐[3]。平台可以借助NX实现船舶模型由CAD到CAE的转换，为划分网格提供几何基础。除此之外，NX中CAD/CAE强大的更新功能给用户带来极大的便利，当对CAD几何模型进行修改，CAE模型包括网格也可以随之更新。这不仅可以保证精度，降低建模出错率，还可以保证CAD到CAE数据的稳定传输，为后期属性映射做准备，最终可大幅度提高有限元分析效率。为此，探讨基于NX的船舶模型的CAD到CAE模型预处理方案设计。

1 开发环境

NX是一款功能强大的CAD/CAM/CAE软件，NX CAD以parasolid为内核提供强大的曲面造型功能，NX CAE提供快捷的有限元建模和模型处理功能，方便用户快速由设计切换到分析，真正做到设计分析一体化。NX不仅可以通过UI操作来控制各种功能，还提供了多种应用程序开发包(API)对NX内部对象进行访问。在这些API基础上，用户可以开发各种自动程序，定制NX功能，甚至可以在现有NX功能之上二次开发新的CAD/CAM/CAE软件产品[4]。

NX预处理平台体系将借助API使用C++语言进行开发，其体系结构见图1。

为了保证平台的稳定性，需保证开发模块数据能与NX有效流动,所以CAD与CAE相关功能的开发都以其基本功能为基础。

为了保证平台的实用性，提高其兼容性，结合NX本身功能，设计平台的数据接口见图2。

2 CAD/CAE模型预处理设计方案

2.1 CAD/CAE预处理思路

因为船舶实际结构十分复杂，而且CAD模型要包含尽可能详细的形状信息，所以在划分网格之前需要忽略几何模型中不必要的细节特征，保证单元质量提高分析效率。

NX自身模型层次为prt文件存储CAD模型，iprt文件(另一种形式的prt文件)存储几何理想化模型，FEM文件存储CAE模型。NX在CAD/CAE转换过程中已完成数据的转换，其内部将高精度描述的几何体(sheet body)转换为三角形描述的较低精度的多边形几何体(polygon body)。所以工作重心在模型简化处理方面，平台CAD/CAE的预处理系统的思路与结合NX模型层次设计见图3。

2.2 CAD/CAE预处理流程

结合实际建模的需求和NX的功能特点，平台CAD/CAE的预处理流程见图4。

平台将通过简单的人机交互，辅助用户尽可能快速便捷地完成预处理的工作，为网格划分做准备。

2.2.1 创建船体分析模型

创建船体几何模型和有限元模型往往是一个多方协作的过程，复杂的模型更是由不同的人员分段创建。为了帮助用户更灵活的建模，同时考虑了船舶分批审图流程特点设计此功能。

创建分析模型结构见图5，用户选取需分析的结构并指定范围，程序内部将其切割提取并wave link到同一个prt中，同时记录筋与板、板与板的拓扑关系及属性，以便在CAE中重构组织关系。

NX可以同时管理同一个几何模型关联的多个FEM模型，所以用户可以创建多个分析模型，用来分析不同位置的结构。除此之外，还可以在几何模型只完成一部分的时候就开始创建有限元模型，譬如几何模型中间舱段创建完毕后即可开始创建中间舱段的有限元模型。同时，别的用户可以继续创建几何模型。最后通过NX更新，完成FEM模型与几何模型的兼容匹配。

2.2.2 CAD模型预处理

CAD模型预处理包含一系列工具，帮助用户忽略几何模型不必要的细节特征。NX基础建模包含大量的创建和修改几何功能，但有些功能不能很方便地处理船舶模型，所以在NX现有功能基础上提出以下新功能[5]。

1)删除小板。根据面积和长度搜索面积较小的几何并删除，用户可用此功能删除尺寸远小于单元的片体，比如肘板。

2)消除圆角。根据半径搜索圆角并删除。

3)板趾端简化。搜索趾端结构并对其进行简化，简化包括将趾端截断和将其拉伸为四边形片体。

4)删除小筋。搜索长度较小的加强筋并删除，以免影响网格划分质量。

5)加强筋调整。因CAD模型中加强筋按照真实理论线布置，往往不能满足网格划分要求，所以提供手动调整加强筋的工具。用户可调整加强筋理论线的起点或终点，程序保证加强筋的属性及拓扑关系不变。

6)腰圆孔等效。创建粗网格模型时，腰圆孔有时可直接简化成矩形孔。腰圆孔等效工具提供2种等效方式，即按面积、长宽比保持一致等效和保持最大长宽比等效。

7)删除小孔。搜索面积或等效直径在指定范围内的孔(可自行选择是否剔除人孔)，将其删除。同时孔缘几何线可以根据用户的需要选择是否提取保留，以便进一步简化。

2.2.3 板格切割

在船舶几何模型清理完毕后，就进入到板格切割的阶段。板格切割是预处理过程中极其重要的一步，若构件相交处未切割，在该几何面上划分出的网格就无法匹配，见图6。

板格切割时，程序遍历所有的板和筋，根据先前记录的拓扑关系进行筋与板、板与板的切割。同时输出切割后面(face)的属性、边(edge)的属性、以及相交板处的边对(edge pair)信息(板与板交线被多个edge共享，但edge属于不同的face)，为属性继承做准备，并且在进入CAE环境下自动消除自由边。

2.2.4 CAE模型预处理

在板格切割后，就进入到CAE环境中，继续CAE模型预处理。

1)消除板缝与分片缝。在CAD模型中，板缝只有被切割才能对片体赋不同的属性，另外在创建外壳时，在曲率变化较大的地方需分片拟合，这就导致出现板缝和分片缝。但在划分网格时，板缝与分片缝会影响网格的质量，必须消除。该工具提供了快速消除板缝与分片缝的功能。在CAD建模时，对板缝和分片缝赋予了相应的属性，使用该工具，程序将自动搜索板缝和分片缝并消除，将面合并。

2)删除孔周小板。若开孔面积很大，则开孔周围单元势必会很小甚至畸形。故提供此功能，通过开孔面积占其板格比例进行搜索，比例过大则可删除板格。

3 预处理功能的实现

以某船模型为例，模型创建到预处理各个阶段见图7～10。

图7为刚建好外壳与甲板的模型。在这个阶段，模型中只有外壳与甲板，作为其他结构的建模基础，外壳和甲板形状须表达准确，位置须精准。注意箭头所指处为建模导致的分片缝。

图8为船体结构创建完毕的模型，为了真实模拟船体结构，结构中的小孔、圆角、趾端等细节特征须按照图纸创建，并且为了后续预处理，所有结构都需有相应属性。接下来将全船模型作为分析模型，进行预处理。

图9为经过CAD预处理的简化模型。图8中箭头所指的小孔被删除，圆角被消除。经过几何清理后，进行板格切割，如图9所示，模型已被切割成板格。CAD预处理完成，进入CAE预处理。

进入CAE环境，首先就要处理板缝与分片缝。在建模过程中已经对板缝和分片缝赋予了对应的属性，故使用“消除板缝与分片缝”工具即可一键消除，如图10所示。

至此，该模型预处理部分完成，可直接进行网格划分。

4 结论

本文充分考虑船舶结构的建模特点，基于NX开发创建分析模型、CAD模型预处理、板格切割、CAE模型预处理等船舶特色功能，完成CAD模型到CAE的转换方案设计。该平台致力于辅助用户快速完成CAD/CAE建模，功能力求操作便捷，满足船舶专业人员的需求。通过测试证明，设计方案可行，工具实用。

[1] 朱苏,柳存根.基于中间平台的船舶CAD/CAE模型转换研究[D].上海：上海交通大学,2011.

[2] 邸立强.基于NuCAS系统的船舶结构有限元模型快速生成研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2012.

[3] 潘新安,苏学成,李华.基于UG和PATRAN的有限元建模技术探讨[J].煤矿机电,2007(1):32-34.

[4] 陈蔚.基于NX的汽车覆盖件模具静态干涉检查研究与开发[D].武汉：华中科技大学,2013.

[5] 李岩.船舶三维设计平台关键技术研究[D].大连：大连理工大学,2010.

(1.武汉理工大学 交通学院,武汉 430063;2.中国船级社北京软件工程部，北京 100000;3.华中科技大学 材料科学与工程学院,武汉 430074)

Study on Model Preparation from CAD to CAE Based on NX for Ship Structures

LIN Yao1, ZHANG Shao-xiong1, WANG Li-rong2, ZHANG Zhi-bing3

(1.School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2.China Classification Society, Beijing 100007, China;3.School of Material Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

For improving the efficiency of the finite element modeling, making use of the advantages of NX in integration of CAD/CAE, the model preparation method was studied to transform the ship’s CAD model to the CAE model which can be meshed efficiently. A feasible and integrated preparation plan was proposed based on the functions in NX, which was tested and proved to be feasible and practical.

NX; ship structure; CAD/CAE; model preparation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.01.010

2016-04-27

林垚(1991—)，女，硕士生研究方向:结构强度分析

U661.43

A

1671-7953(2017)01-0041-04

修回日期：2016-05-14