优化有限元建模方法探讨

董旭静 蒙昌松 雷雪华

(广船国际技术中心)

0 前言

有限元分析在现代船舶设计中占有重要位置，且建模工作时间占整个有限元分析的比例相当大，各船级社均开发了不同有限元软件，皆有各自的优缺点。对船体这样大型复杂的结构而言，探索一种快捷、便于修改的建模方法是非常有必要的。为此，我们根据对多个软件及多型船的建模经验，总结了一套比较高效的建模方法。

1 船体结构特点

船体结构为板梁组合结构，外板为复杂的曲面，中部结构一般比较规则，在艏、艉、机舱区域，线型变化比较大，外板骨材的布置也不规则，内部结构复杂。通常为了加快有限元分析进度，在详细设计初始阶段就开始建有限元模型，而在设计期间又存在舱室、平台、舱壁等方面的反复修改，给建模及修改带来了很大的难度，本文基于这些特点及问题，探索一种高效的有限元建模方法。

2 船体有限元建模现状

各船级社均开发有限元计算软件，这些软件建模方法可分为两种，一种为直接用有限元网格建模，另一种为建立几何模型后通过软件自动划网格。直接以网格为基础的方法建模及修改模型效率比较低，而使用几何模型生成网格，对模型质量要求非常高，否则容易产生大量的畸形网格，修改模型也易产生各种错误，也有可能导致模型报废。

3 联合CATIA 及FAST TRACK 软件建模

通过对各有限元软件使用及总结，我们选择了CATIA 及FAST TRACK 两款软件进行有限元建模，可以极大的提高建模效率。现以某客滚船为例展示并分析软件的特点，将两款软件优缺点进行互补。

3.1 CATIA 有限元建模应用

CATIA 软件的SFD（Structure Functional Design）为通过建模几何模型后自动划分有限元网格的专用模块。其优点表现在以下方面：第一，CATIA 相比其他几何模型转网格有限元软件，其无论是实体还是曲面，做到了变量及参数化混合建模，极大的提高了建模效率；第二，无论是平面还是曲面建模，CATIA 提供了智能化的树结构，设计者可方便快捷的对产品进行重复修改；第三，船体外板线型比较复杂，CATIA 对生成曲面SURFACE 的操作方式较多，对不光顺曲面可以逆向工程编辑曲面，生成曲面质量高，其建模方式比较简单，通过参考曲面SURFACE 定义边界即可快速生成曲面板架，能处理复杂的曲面建模；第四，SFD 模块划分网格质量较好，因其几何模型有强拓扑关系，所以极少会出现畸形网格。

3.2 FAST TRACK 模型修改应用

FAST TRACK 为一款非常优秀的有限元建模软件，其针对船舶行业开发了多项功能，如自动分组、自动优化网格、细化网格、自动合并规格材质、自动检查模型问题等，可以非常便捷的修改CATIA导出有限元模型出现的问题，经过FAST TRACK修改的模型可导入各船级社软件进行计算。

联合CATIA 及FAST TRACK 建模步骤，见图1。

3.3 CATIA 模型更新

使用CATIA 建模时，应充分应用其模型间的拓扑关系。本船在使用CATIA 建模完成后，从一甲板至十二甲板高度均做了修改，且机舱及货船双层底各舱室也进行了调整，如果使用常规有限元软件建模，如此大的修改，相当于重新建立有限元模型，而应用CATIA 模型的拓扑关系，仅修改各甲板及舱壁的参考面，便可做到模型自动更新，且不会出现模型错误，极大的降低了模型修改的工作量。CATIA 全船有限元模型见图2。

图1 有限元建模步骤

图2 有限元模型

3.4 FAST TRACK 网格优化

CATIA 外板SURFACE 需要平边线、平底线等控制，在划网格时该线条成为网格控制线，无法消除，见图3。

图3 CATIA 外板网格

如图3 可见，如果手工修改网格，则工作量非常大。而利用FAST TRACK 软件REMESH 功能，设定单元格规格，选取需要优化的单元格区域可实现一键优化，见图4。

图4 优化后的网格

3.5 FAST TRACK 材质规格修改

因各有限元软件的接口数据转换，模型经过导出、导入后，经常会出现型材、板材规格等命名的更换，见图5。

图5 导入FAST TRACK 后的命名

而FAST TRACK 是各有限元软件中唯一能够按属性自动命名的软件。可先通过Property Value Edit 功能对板材进行重新命名，并选择添加材质，见图6。通过Modify physical Property 功能对型材重新命名并添加材质，见图7。

由于CATIA 每建一个结构，会新生成一个板或者型材规格的名称，这样导入FAST TRACK 后就形成非常多的规格名称，而在重新命名后，通过Merge Versions 功能可自动合并相同属性的规格名称,见图8。

3.6 FAST TRACK 模型检查

一般从几何模型划分为网格后，部分结构由于结构布置、几何模型局部错误等问题，会导致畸形网格、自由边，或漏赋属性、重复单元等问题。CATIA 相比其他从几何模型转网格的有限元软件，因其有拓扑关系，出现此类错误较少，但由于建模错误仍会出现相关问题。这时通过FAST TRACK的Model Diagnosis 功能可以快速检查各类模型错误并将各类型错误自动分组，可非常便捷的修改模型，见图9。

3.7 FAST TRACK 模型分组

通常有限元建模需要将单元格分组以便于查看、修改、计算等，通过FAST TRACK 的Auto Create Group 功能按外板、横向、纵向、水平可比较准确的实现自动分组，亦可按需要手工修改分组，分组后导出“ses”格式文件，该文件可导入各船级社有限元软件使用，见图10。

图6 自动修改板材规格名称

图7 自动修改型材规格名称

图8 合并相同规格

图9 模型检查

图10 模型分组

经FAST TRACK 对有限元模型进行修改，可直接保存为“BDF”格式，各船级社软件均有该格式模型导入的接口或转换程序，也可在该“BDF”加载后用NASTRAN 求解器进行计算, 生成“OP2”文件后导入FAST TRACK 查看结果及自动出有限元计算报告。

通过在某客滚船有限元分析中联合使用CATIA 及FAST TRACK，对比原计划客滚船全船有限元建模使用PATRAN 建模，需配备6 个人同时建模，且人均约需要80 个工作日，而使用CATIA及FAST TRACK 联合建模，按照以上总结的步骤和方法，只需配备4 个人，在图纸完善的情况下约人均40 个工作日即可完成建模任务，可见该方法可极大的提高有限元建模效率。

4 结束语

通过联合使用多个软件进行有限元分析，不断的总结经验，将有限元分析工程师的大部分工作从繁重、低效的建模任务中解放出来，节省出大量的时间用于结果分析，可极大的提高了设计工程师单位工时的含金量，有充足的时间进行结构优化、降低空船重量等工作，最终实现降低产品成本，提高企业竞争力的目标。