基于三维几何模型的船舶扶强材自动理想化系统开发研究

李海静，陈有芳，王丽荣，唐宜健，胡丰梁，章志兵

（1.华中科技大学 材料科学与工程学院，武汉 430074；2.中国船级社技术研发中心，北京 100007）

疲劳失效是影响船舶寿命的重要因素，也是船舶结构设计中不容小觑的部分[1]。目前普遍采用简化计算的方式来校核船舶结构强度，按照评估范围不同，可分为局部结构计算、舱段结构计算与全船结构计算[2—6]。校核时，面对数量庞大、截面形状尺寸多变、方向各异的筋结构，设计人员往往采用抽样法进行筋校核。这种方式受到计算数量、样本分布的制约，经验依赖度高，计算工作量大，效率低下，可靠性差。基于此，文中提出了一套船舶扶强材自动理想化系统，实现对分布密集、复杂多样的船舶扶强材的批量自动规范计算，降低校核的人工依赖性，提高校核准确性，从而提高船舶设计效率，保障设计质量。

1 扶强材理想化系统体系结构

文中所提出的船舶扶强材自动理想化系统隶属于船舶工程计算软件Compass 3D 集成系统。该系统集CAD 建模模块[7—9]、SDR 数据管理模块[10]、CAE有限元分析模块[11—12]、SDP 规范计算模块[13]于一体，设计人员可以一站式完成船体建模、分析、校核的全过程，无需处理各子系统间的过渡，操作简洁，用户友好度高。

规范计算子系统用于部分三维模型建立后。在规范计算子系统中，板结构与筋结构被离散为子板与子筋单元，重组后构成基本计算单元。模型示意图如图1 所示。

图1 模型示意图Fig.1 Model diagram

2 扶强材理想化系统功能设计

系统功能设计见图2。

2.1 单元梁快速自动识别

图2 系统功能设计Fig.2 Design of system function

扶强材，也称为加强筋，是为了增强船体金属板结构的刚度和强度所引入的钢质船体结构材料[14]。在船体三维模型中，加强筋依附于板架，由理论线、复线和筋三维模型组成，如图3 所示。其中，复线用于规范计算；理论线反应了加强筋在CAD 模型中的空间分布；筋三维模型则直观地呈现出该加强筋的空间形态，包括截面形状、截面尺寸、依附状况、倾斜角度等。

图3 加强筋模型描述Fig.3 Description of stiffener model

在经过预处理的目标船体模型中，原始的整段加强筋经过一定规则的切割，被离散为多段子筋，每个子筋都继承了其父筋的相关属性。将共用端点且该端点未终止于结构相交处的子筋集合记录为一个筋计算单元，称为单元梁，如图4 所示。

图4 单元梁模型描述Fig.4 Description of unit beam model

单元梁识别的总体流程如图5 所示。①步骤1为初始化子筋相交关系，提取分析范围内的全部子筋，按照依附板架对子筋进行分组，以分组为单位，对子筋、子筋端点进行编号，并记录子筋之间的相交关系；② 步骤2 为识别可构成单元梁的子筋集合，以初始化分组为分析单位，首先任意获取一个子筋（Curve1），任取一侧端点（Point11），根据初始化相交关系，搜索到与其相连的子筋（Curve2），并判断相连子筋的非共用端点（Point22）是否与板架结构相交，如果相交，则该端终止，转到初始子筋的另一侧端点（Point12）继续进行上述操作，如果相连子筋的非共用端点（Point22）不与板架结构相交，则以该点作为基点，继续搜索相连子筋并进行板架相交性判断，直至非共用端点与板架相交或者已经到达板边界，如图6 所示，在这个过程中，如果通过一个端点可以搜索到多个相连子筋，则根据相连子筋与用于搜索的上层子筋的夹角进行筛选，选择夹角最接近平角的子筋作为唯一的目标子筋；③步骤3 为搜索到的子筋集合记录相同的标识，构成一个单元梁，采用自定义数据对象进行存储，当分析范围内所有的子筋都加入且只加入到唯一的单元梁后，即完成了单元梁的快速自动识别，通过单元梁的快速自动识别，将离散后的加强筋重新组合简化为若干单元梁，从而实现相关规范参数的快速准确计算。

图5 单元梁自动识别流程Fig.5 Automatic recognition flowchart of unit beam

图6 识别相连曲线示意图Fig.6 Identifying connected curves

2.2 船体梁结构强度校核参数分析

船体梁结构强度校核分析是以单元梁为单位对船体局部强度模型进行相关校核。对于加强筋而言，需要校核的参数包含压力载荷计算点、弯曲应力载荷计算点、单元梁间距、带板与水平面夹角、单元梁两侧的舱室环境等共13 项参数。下面以单元梁间距为例，进行简要介绍。

在船舶结构中，存在许多大跨度加筋板结构，比如甲板、横向舱壁等，板架上加强筋的分布、尺寸对板架强度的影响很大[15]。单元梁间距是单元梁与其邻近两侧单元梁的垂直距离。由于船舶三维模型在转换过程中经过了多次切割，剖面模型中存在许多碎边、悬臂边、不闭合区域，如图7 所示。如果采用直接搜索两侧单元梁求解的方式，计算结果和计算速度都会受到影响。在校核误差允许的条件下，最终采用等效简化的方式来计算单元梁间距。

图7 间距示意图Fig.7 Pitch diagram

据单元梁端部形式，将单元梁分为屈曲梁和非屈曲梁两类。其中，由非屈曲梁、板相交缝围成的区域称作屈服板格；由屈服梁、屈曲梁和板相交缝围成的区域称作屈曲板格。采用矩形等效的方法，将非矩形板格等效为矩形板格，如图8 所示。分别在单元梁B1B2两端（B1，B2）搜索板格，并获取到非矩形板格1 和板格2 的面积，用板格面积除以单元梁跨距即可计算出对应的等效间距。

图8 板格矩形等效示意图Fig.8 Rectangle equivalent diagram of panel

采用矩形等效法简化后的理想化板格如图9 所示。对每个结构板而言，只需要进行一次板格分组，即可计算出整个板架上所有单元梁之间的间距。

图9 理想化板格示意图Fig.9 Diagram of idealized gird

3 应用实例

基于NX11.0 平台，使用C++语言开发上述船舶扶强材自动理想化系统，并在以油船和散货船为代表的船型三维模型上进行测试。测试结果表明，在不同纵向位置处，扶强材自动理想化系统均可快速、准确地输出剖面中所有筋的校核参数分析结果。

图10 是180000DWT 散货船FR176 位置处剖面模型的扶强材自动理想化系统计算结果示意图。其中，模型的结构建模公差为2.0 mm。在Intel(R) Core(TM) i5-6400、CPU 2.70 GHz、8 G 内存的测试机上测试发现，剖面模型中共220 个单元梁、每个单元梁13 项参数的计算过程共耗时约15 s。

图10 180000DWT 散货船FR161 剖面自动理想化计算结果Fig.10 Automatic idealization calculation result of FR161 section of 180000DWT bulk carrier

4 结论

主要研究了基于三维几何模型的船舶扶强材自动理想化系统。本系统可对船舶三维模型中分布密集、截面多变、依附情况复杂、人工难以计算的扶强材规范校核参数进行快速自动的理想化计算。结果表明，本系统可以快速准确地计算出船舶剖面模型中所有扶强材的压力载荷计算点、弯曲应力载荷计算点、间距、两侧的舱室环境等共13 项规范校核参数，解决了人工校核的多项不便，有效提高了船舶加强筋结构校核的精度和效率。