某船有限元协同建模模式

蒋波涛 范福河

（广船国际技术中心）

0 前言

目前我厂有限元分析工作，因没有直接将TRIBON数据转换为可导入PATRAN的接口软件，还处在使用PATRAN人工建模的阶段。某船计划进行平台线下水过驳强度有限元评估技术储备，需要建立全船PATRAN有限元模型，其重量重心分布必须与实船重量重心分布基本一致，PATRAN有限元建模工作量非常大，并且建模者还需要有非常熟练的PATRAN建模技巧。本文针对此船的PATRAN有限元合作建模应用情况进行介绍。

1 背景介绍

民船平行中体部分长，货舱区结构比较规则。本船作为特种船，基本没有平行中体，具有结构型式非常复杂、脊弧和梁拱甲板层数多、双壳曲面板、舱室结构多等特点。因大远5万吨曾经做过平台线过驳强度的有限元分析评估，可将其大致TRIBON数据量与本船的TRIBON数据量作对比，详见表1。

从表1可看出本船的TRIBON数据量是大远5万吨的2倍以上，因此本船的有限元建模工作量，比相近吨位民船的有限元建模要大很多。单人开展本船的PATRAN有限元建模工作会导致工作周期拉得太长，必须把整船的模型划分为多个部分，开展多人PATRAN有限元合作建模，缩短建模周期。合作建模把一个人的工作量分给多个人合作完成，有效地缩短了时间周期。

2 合作建模规则建立

合作建模由多人各自完成所属的模型部分，最后由一人合并模型。若每个人的建模的标准不一，会导致后期合并时产生混乱。为了使模型能够较好的合并，在建模前需为建模者建立统一规则。

2.1 统一坐标系

按照TRIBON模型建立坐标系，同时要求X=0与TRIBON中的APP的0值对应，Z=0值与TRIBON中的BL的0值对应。图1为TRIBON中APP的0值位置示意图。距离单位统一为mm。

图1 APP0值示意图

2.2 网格大小划分要求

横向和纵向分别以肋骨间距、纵骨间距为网格划分依据，高度方向需要根据甲板层高综合考虑，单个网格的长宽比不超过3倍。

2.3 模型的Group分组划分

模型的Group分组划分是模型建立的前提，简单易懂的命名规则有助于建模者合理划分模型和快速找到对应的位置。Group命名规则可参照船体要素图，参见表2。

2.4 材料属性Materials

为了方便后期PATRAN有限元模型重量重心的调整，模拟有限元模型的重量重心与实船一致，在Materials模块中需要对以上Group分组做出相对应的材料属性分组：甲板、外板、内壳的分组参照表2，所有骨材统一用stiffeners表示，壁板用bulkheads表示。

2.5 单元属性Properties

单元属性也需要制定统一的命名规则。骨材Beam命名方式：代号+规格+朝向。骨材Beam中球扁钢用BP代号表示，扁钢用FB代号表示，朝向代号参见表3。板Shell命名方式：P+厚度，甲板的板Shell单独建组。

表1 型船TRIBON数据量预估对照表

图5 调整数据比例

表2 Group的命名规则

表3 骨材朝向的字母代号

3 TRIBON数据统一导入方法

本船的型线变化较大，为了使外板、内壳以及曲面甲板尽量拟合实际曲面，PATRAN有限元建模需利用TRIBON中曲面模型的数据。曲面模型的数据来源于TRIBON中的Surface和Lines模块。若Lines在建立船体外形时，其横剖线刚好与型船肋位线重合时，可将其直接导出作为PATRAN建模的外形参考线条，否则需从Surface模块根据肋位值切出曲面上的肋位线，再转化数据导入PATRAN。

3.1 Lines模块导入方法

当Lines的线条刚好与型船肋位线一致，在Lines模块中将坐标单位调整为mm，然后按图2导出IGES文件。注意从Lines导出的IGES文件仅为三维空间曲线文件，不含曲面。

3.2 Surface模块数据转化

（1）在Surface模块中将X轴的坐标计量方式调为currentunit，单位调整为mm，参见图3。

（2）执行操作File/Export/AcisSATFile将Surface模块中所有已经完成的曲面都转化为ACIS格式的SAT文件。

（3）PATRAN建模如果需要用到肋骨线、规则纵骨线的，则需先运用ModelCuts，在Surface模块中切出肋骨线或纵骨线再导入，参见图4。

（4）利用上述方式导出的文件，导入PATRAN时注意调整数据比例。本船将导入比例设置为1000000，参见图5。

3.3 导入数据检查

将TRIBON曲面模型数据导入PATRAN，由一人单独完成，检查按标3.2章节设置比例后PATRAN模型中肋距是否正确，并依据上文2.1检查坐标值是否与TRIBON中一致。检查无误后，该PATRAN文件作为初始建模背景，拷贝给各个建模者。

4 建模实施过程改善

4.1 肋骨线数据优化

TRIBON的Surfacce模块生成的曲面是由多块曲面拼接而成的，参照上文3.2，按肋位切取导入后，肋位线也是由多条曲线拼接而成。在PATRAN有限元建模过程中，发现不连续的肋骨线不利于求取外板曲面的节点，也不利于4.2中提及的曲面快速建模方法。可通过create→curve→chain（如图6所示），先将同一肋位的多条曲线合并成一条曲线，并删掉原有的多条曲线。

图2 导出曲面IGES文件

图3 单位调整

4.2 曲面单元快速建模方法

本船为纵骨架式，根据曲面骨材TRIBON建模定位数据确定辅助平面，切肋骨线求取外板和内壳纵骨的节点node。得到曲面上的交点node后，可将其作为meshseed（create→meshseed→tabular→node andpoint，如图7所示）后生成单元（create→mesh→2curve），可通过调整automaticcalculation控制网格大小（如图8所示）。

4.3 单元属性规则的完善

虽然前期已做好了规则的统一，但在后期单元属性properties的定义中，发现其命名规则仍不完善。甲板分组模型的重量重心的调整涉及到材料属性和单元属性，而前期忽略了单元属性的分组，需与材料属性相对应。

图6 连接曲线示意图

图7 撒种子示意图

图8 曲线节点生成单元

图4 切肋骨线

4.4 合并后处理

多个PATRAN有限元模型建完之后，合并导入时，需新建一个分组，导入的模型将在这个分组中显示，并保留原有模型的分组，新建分组可视具体情况而确定是否需要删除。

尽管网格大小已经做好了划分依据，但合并后在模型的对接处，因网格细化不同，可能会出现自由边的问题，需要由整合者处理。

4.5 Element选取异常情况处理

使用PRTRAN时，如果出现选不中节点node和单元Element时的异常情况时，把整个组复制到新建组Group里，再删除原有Group组。

5 结束语

有限元强度分析工作包括前期建模和后期计算分析及方案修改。由于特种船上建总段数量很多，其吊装有限元分析时建模工作量很大；若采取平台下水或整船吊装下水，则需要全船建模。PATRAN建模占用了有限元强度分析工作的大部分时间，导致后期分析时间紧张，因此合作建模必不可少。通过多人合作建模，制定详细统一的规则，可短期内完成大量的有限元模型，缩短PATRAN建模时间周期，为后期分析计算结果、调整方案提供更充足的时间。