基于VB和ANSYS的船体舱段快速建模的二次开发

周恒， 王慧， 杨树森， 杨高胜， 邵鹏程， 杨光

（武汉船舶设计研究院有限公司，武汉430063）

0 引言

CAE（Computer Aided Engineering）计算机辅助工程如今在实际工程上有广泛的应用，即对结构进行有限数目的离散化，开展模型的建模和有限元仿真计算，能够有效地帮助工程人员进行相关的设计研究。ANSYS作为当前市场主流CAE软件，能够开展结构、流体、电磁、声场等多个专业的计算，广泛地应用于航空航天、汽车、船舶、机械制造等相关领域，在科研生产中具有较大的优越性[1-3]。

船体结构作为一个复杂的大型水面建筑，涉及到的船型和构件种类较多。在传统的ANSYS经典界面采用GUI （图形用户界面Graphical User Interface）建模，会耗费工程人员大量的时间精力。特别是针对局部结构的修改时，前处理功能显得十分繁琐，重复工作量较多。ANSYS自带APDL（ANSYS Parametric Design Language ）语言，可以将模型参数化，提高工作效率。目前已有相关人员对ANSYS软件在起重机[4]、螺栓[5]、液压[6]等领域进行了二次开发的尝试[7]。本文主要针对船体舱段结构，利用VB（Visual Basic）开发工具[8-9]，对ANSYS mechanical模块进行二次开发，实现船体结构的快速几何建模、网格划分、材料赋予、构件选择等操作。使得后期船体结构模型的修改和局部调整变得简单方便，为结构优化设计节省大量时间。二次开发软件能够针对一系列的船型，进行数据输入，实现通用化建模，即使没有ANSYS使用基础的人员，通过二次开发软件界面，也能够快速完成有限元模型。

1 船体舱段ANSYS参数化驱动建模的实现过程

1.1 软件二次开发流程

通过收集相关的船型资料，针对300～500 t的运输船、旅游船等进行方案验证，归纳出船舶典型舱段的结构特征，提取相关主要参数，确定建模思路，完成程序控制操作，实现参数驱动化建模。通过VB中字符和数组命令，实现参数的调用、表格嵌套和界面按钮添加等功能，完成VB和APDL两种语言的接口调试，形成用户使用界面。

图1 软件二次开发流程

1.2 船体模型在APDL程序中的架构设计

主要针对船体舱段处的结构模型，常规的横剖面为U形和V形的船型开展结构建模的工作。各船的肋距在500～750 mm之间不等。船体结构形式包括横骨架式和纵骨架式、单层底和双层底等船型。包含了甲板纵骨、甲板纵桁、甲板横梁、舷侧纵桁、船底肋板、中内龙骨、旁内龙骨等型材。常常采用角钢、T型材、球扁钢等作为支撑骨架。

如表1所示，以4种不同类型的船舶结构为参考，提取肋距、板厚、舱壁位置、大开口位置、加强结构、型线值等关键信息，转化为相关参数变量，通过APDL语言的编制，完成模型。

表1 不同船体舱段模型的相关参数

尝试两种不同的建模方法，并进行优化对比。“直接法”是根据图样通过“描点”，直接用点点面的形式，将模型展现出来，建模过程可以做到精细化，但是通用性较差。对于需要进行变动的模型，程序语言需要重新调试，工作量较大。“分组法”可以结合船舶专业中的型值表，并在每站肋位上建立横剖面的几何模型，预留纵剖面位置。通过不同的小组划分，在各个group中实现结构属性和构件形式的选择。它的不足之处对于较精细的结构不能详尽地表达出来，但是针对不同船型和不同的结构实现快速的建模和修改功能。

对船体舱段结构开展有限元建模工作，对于局部细微结构往往可以进行简化处理。考虑到二次开发软件对通用性要求较高，因此本项目中采用分组法的思路编制APDL语言更优。

图2 采用APDL建模的不同方法对比

1.3 ANSYS和VB接口的应用

从ANSYS中的APDL语言到VB语言中的参数接口，需要常用的命令进行程序的编制。

在APDL语言中，由点到线到面，中间的过程还涉及到大量的点的循环命令，曲线的链接、切割，几何的分组和选择，以及赋属性等参数命令。

同理，在VB语言中需要进行文本参数的调用、表格的嵌套、界面按钮的添加、数据的插入和ANSYS语句的连接等工作。

表2 APDL关键命令

表3 VB程序中关键命令

根据船体结构中常用的构建形式在VB窗口中完成船舶的型材库，通过Excel表格的嵌套和输入功能，实现船体型线的直接导入操作。具体的实现原理如图3所示。

图3 接口的形成

2 软件界面操作说明

本软件可适用于Windows XP系统和Win7等常用操作系统，在单机上运行。双击桌面图标（如图4），进入软件滚动界面（如图5）。

图4 桌面图标和软件开启滚动界面

图5 主要参数界面

界面页数可根据船体舱段大小进行增减。主要分为主尺度、材料库、型值表导入、构建定位、模型创建等页面板块。

软件分为顶层菜单栏，包括“文件”、“编辑”、“视图”等常用下拉菜单。在“帮助”文档中，可以查看软件的使用方法。

实现过程如下：

1）进入主页面，输入船体舱段的主要参数和板的厚度尺寸、肋位间距、主要舱壁位置等信息。

2）通过材料库输入主要材料参数和选择相关的型材规格，如图6所示。

3）在EXCEL表中按照提示输入船体型值，导入界面，如图5所示。

4）设置船体舱段的其他位置参数，如图7所示。

5）根据软件窗口提示的相关信息，输入关键参数后，可以点击“创建模型”，进行建模。并在相关的保存路径中找到生成的db有限元模型文件。

3 软件建模和计算

通过二次开发软件可以快速地创建有限元模型，通过相关参数在界面的修改，可以方便地完成模型的重建。图8所示是4种船型通过在界面输入参数完成建模的结果展示。

图6 材料规格设置

图7 位置参数的设置

图8 利用开发软件生成的不同舱段模型

通过软件完成模型建立后，进行船体舱段结构模态的试运算。界面输出的模型仿真与采用传统的GUI界面建模计算的结果相同。从而验证了二次开发软件在大大提高工程设计人员工作效率的同时，能够有效地保证计算精度，可以普遍地应用于工程实践中。

图9 有限元模态计算结果

4 结语

本文基于VB和APDL语言对ANSYS mechanical模块进行接口开发，可实现对船体舱段结构有限元快速建模和后期模型的高效修改，人机交互界面的创建。通过船体舱段主要参数的输入，简化了操作过程，提高了设计人员工作效率，为后续针对船体类似ANSYS二次开发的深入开发研究和应用提供了参考，在工程上具有较大的应用和推广价值。