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中国船舶科学研究中心在船舶领域的应用与开发

来源：工程科学与技术 【在线投稿】 栏目：期刊导读 时间：2021-04-18

■If，f口诗——■_J．J■■■■■■_J■■■■■■■_一■●■■■■_■『r抽—_中国船舶科The appl ication引言CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术，CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合而形成的～种多学科、综合型、知识密集型信息产品。计算机辅助工程作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用．而且在工程上也已达到了实用化阶段。经过几十年的发展．在航空、航天、机械、汽车、船舶、电子、土木工程、材料等领域获得了成功的应用。中国船舶科学研究中心作为船舶力学和水动力学领域的专业研究所，在CAE方面有着很多的使用与开发经验。不仅完成了许多水动力学方面的有限元程序的定制开发，而且在汽车领域与国外的CAE软件公司(如MSCJ，TechnoStar)保持紧密的合作。事实证明．在设计过程中的早期引入CAE来指导设计决策，能解释因在下游发现问题时需重新设计而造成的时间和费用的浪费，设计人员能将主要精力投身于优化设计中，提高工程和产品品质，从而产生巨大的经济效益。我们经过多年的知识与经验积累．总结了一套在CAE全过程的设计方法与应用案例。CAD／／eA薹接l_。!投寨在CAD软件中建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理中的建模。CAD接口的主要内容是将各类CAD软件中的几何模型导入到CAE软件中。在这个过程中，由于CAD与CAE描述方式的不同，需要考虑模型的几何关系和拓扑关系，导入到CAE软件后要剔除对分析无用的细节，并进行模型的完整型检查。在CAD／CAE接口方面完成的项目主要有：Flotherm与Patran的接1：3、IDF与Patran的接13、潜艇水下噪声工程估算方法以及Tribon的相关接口。其中船舶应用方面典型的是Tribon相关接口。Tribon是船舶专业的CAD软件．在国内的船厂和设计院所有广泛的应用。Patran是MSC公司通用的CAE前后处理器，船级社的很多结构强度校合程序在此平台上编写。设计院所使用中国船舶科学研究中心金建海周炜李锋冷文浩Tribon设计船舶的模型，送审阶段提供船级社的则为二维图纸，因此，在做强度校合时则需要根据图纸重新建立该模型。根据经验，40％～45％用于模型的建立和数据输入，50％～55％用于分析结果的判读和评定．而真正的分析计算时间只占5％左右。此接口的目的将Tribon模型直接导入到Patran中．避免重复建模(图1)。船厂使用Tribon设计的模型包含很多的细节．有些细节在分析时并不需要。而且过于精确反而会导致网格划分失败，计算量过大等负面效果．这就要求适当地简化Tribon模型。另外，在导入Tribon模型时，还需要对加强筋做特殊处理，如筋单元的板元化。考虑到Pat ran本身的局限性，如果要划分出规则的四边形网格，Patran要求必须是简单几何面．为此．对于导入后的Tribon模型．需要切割复杂的几何面．将其简化成简单的几何面，以便于下一步的网格划分。在接口程序中，基本设计部分直接使用了XML文件(M3版本)作为船舶模型的中间文件。其他模块则采用了COM技术从Tribon(包括M3／M2／M1版本)数据库中直接获得模型数据．然后转化为XML文件格式。与上述相似的还有Tribon与船舶性能数据库的接口。该接13能够获得船舶性能数据库中的有关船舶模型的信息创建Tribon能够支持的SAT文件．然后在Tribon读取SAT文件完成船舶模型的建立。，j。。固～、一图1Tribon／Patran接13参数化筵模按礞几何模型的创建，除了上述方法外，CAE软件本身也提供建模功能。由于CAE软件对几何模型的支持不如CAD强大，手动创建模型将需要耗费大量时间。所以，针对行业特点．根据经验形成的参数化建模是一种非常有效的途径。这方面的开 r—11L一r—11L一12发涉及的项目主要有船舶典型节点参数化建模、航空插接件参数化建模、CCS舱IZ!角隅细化分析系统和荷兰的Mastership部分建模功能。其中典型的是船舶典型节点参数化建模系统。节点是船舶结构中常用的连接形式，也是船舶强度、疲劳校核计算中较为关注的部位，在有限元分析计算时考虑到应力集中．一般都需要对节点区域进行网格细化，以确定节点最优的布置型式。以往这一工作都需要人工完成，自动化程度很低，并且工作量很大。为了提高效率，应就船舶典型节点参数化建模及优化分析进行立项，对CCS现有船舶的节点形式尽可能的归纳整理．找出模型的参数化规律，通过PCL编程，实现建模和分析的自动化，并进一步实现优化分析和设计目的。针对船舶结构节点的具体形式．通过对各种船舶结构节点形式的参数化建模．达到两个目标一是在粗网格中完成局部网格的细化并使之与粗网格之间实现匹配和计算分析：二是可根据需要建立独立的参数化模型，并进行细化有限元分析或者优化。从而达到提高有限元分析的质量和效率，并在此基础上进一步实现优化设计。┏━━━━┳━━━┳━━━━━━┓┃┃皇生┃┃┃N┃再┃∥┃┃“、／┃┃、、√0斗┃┣━━━━╋━━━╋━━━━━━┫┃l}一一┃┃一叫]j┃┗━━━━┻━━━┻━━━━━━┛图2船舶典型节点参数化建模系统翮德囱动划分技术网格划分是FEM分析前处理中非常关键一步，其划分结果直接影响到分析求解结果的准确性和效率，也是前处理中最难的模块。网格划分和网格质量优化的项目主要有：CCS折角型网格细化系统、FIotherm与Patran的接口、IDF与Patran的接口、MSCJ汽车网格修补与优化功能等。其中与船舶行业直接相关的是CCS折角型网格细化系统。CCS折角型网格细化系统主要任务用于船体底边舱的折角区的细化工作．钢质海船八级规范对这一区域的细化要求非常严格：最细区域的网格尺寸一般要达到50×50，范围要达到10个单元过渡区域需要尽可能的均匀并且尽量少的三角形单元。对网格的质量要求较高。若手工操作的话，耗时较多．网格质量也不够稳定。在完成的CCS折角型网格细化系统中，用户只要指定细化中心和最小单元的尺寸，程序即可自动地进行细化．与外围单元形成质量稳定的过渡。┏━━━━━━━━━┓┃堍、篓┃┣━━━━━┳━━━┫┃I■┃纠儿┃┃┃_1┃┣━━━━━┻━━━┫┃防武┃┗━━━━━━━━━┛图3CCS折角型网格细化系统网格修补在复杂模型中也有着重要的意义。商用的CAE软件在不同程度上都具有自动修补几何模型或网格模型的功能。CAD软件对表面形态的表示法已大大超过了CAE软件．因此．对于复杂结构整船或船体部件先在CATIA、AutoCAD等CAD软件中进行模型设计，然后再将该模型导入CAE软件进行有限元划分和求解，这已成为一种非常实用的方法。在导入的过程中．曲线、曲面的空间位置(即几何图形)传递比较容易．而图形数据的逻辑关系(即拓扑关系)传递经常出现局部失败而产生”毛刺”现象．即细小的7L、狭窄的槽和小曲面等．带有“毛刺”的模型有限元划分后会产生网格缝隙．导致无法进行结构强度等有限元分析。正是因为大型集装箱整船结构强度的分析从传统的船体梁剖面模数理论和薄壁梁扭转理论发展到直接使用有限元模型进行数值计算．集装箱船甲板的大开口和舱IZl围板结构争取多放集装箱等复杂结构船体设计不仅给结构设计者带来挑战．同时也给船体建模和分析者提出了更高的要求。对于更加精细的整船模型．如果划分的网格过细则将导致昂贵的计算费用．网格过粗则对船体结构极限强度估计失真．所以对修补后的有限元模型进行网格质量检查和优化是十分必要的。商用有限元软件对整船模型划分三角网格后，缝隙相对于有限元单元仅占极少数且每组缝隙仅含少量节点这种情况．提出使用邻接矩阵先对网格缝隙分类，使用广度优先算法和标志数组对该矩阵遍历，并根据缝隙分类使用不同的网格修补方法．最后对修补后的三角网格模型进行质量检查和优化。结论表明．该方法对复杂结构模型进行有限元划分很有效，经过质量检查并优化得到的三角网格形态优良．布局合理。◇E◇参哦今图4网格修补过程篓谬4番对特定问题的专家系统我中心在这个方面成功完成的项目有：潜艇水下噪声工程估算方法、塑料容器跌落分析、CCS船舶板格屈曲评估系统和浮筏；中击动响应分析等。其中CCS船舶板格屈曲评估系统与浮筏冲击动响应分析是比较典型的船舶应用方面的案例。CCS船舶板络j奢鞠谚信系统板格屈曲第一期程序在2004年开发完成，创建CCS的直接计算中的屈曲校核方法，纳入直接计算指导性文件，理论基础建立在弹性屈曲的基础上。它的成功开发，完成了CCS在该领域从无到有的过程。第二期程序于2006年9月份正式交付使用。解决运用JTP的PULS问题，求解理论是基于非线性的高级屈曲。PULS的解法是半解析半数值法。至今已在多艘大型船舶的强度评估中进行了广泛的应用．填补了在船体结构有限元直接计算中屈曲强度校核工作的空白，并显著缩短了该项工作的周期。但是，随着应用的不断深入．原有程序正逐渐暴露出许多不足之处．最突出的就是效率问题。第三期的项目，将在第二期的基础上．针对实际使用中所发现的问题，做进一步的改进．主要的改进部分如下：1)解决调用PULS的求解效率，采用外挂PULS的DLL执行模块，2)板格模型的智能化划分及定义，包括腐蚀余量和屈曲方法的选择；3)统一的任务管理机制及管理界面，包括数据结构的重新规划等．4)增加和扩大一些特殊功能，扩大程序的通用性．如·支持非加筋板格的三角形单元／其他几何不规则多边形单元i·支持PULS的次梁(secondary stiffener)功能；·对于高腹板开孔周围板格的校核功能。图5船舶板格屈曲评估系统浮笱河壬．≯¨IJ¨i，oi i浮筏减振系统是一种集集中质量，弹簧，阻尼和弹性连续体为一体的复杂动力学系统，被广泛应用于船舶重要设备的振动隔离。利用MSCPatran和MSCNastran进行浮筏系统的冲击动响应分析计算．专业人士已经有了成熟而专业的建模、加载．计算和分析的工作流程。但即便如此，这也是一项烦琐而复杂的过程．而且不能直接得到所希望的某些直观图形结果。利用MSCPatran的二次开发语言PCL．在MSCPatran平台上开发了一套完整的浮筏；中击动响应分析系统。该系统简化了有限元建模、单元特性处理、边界／载荷条件加载以及结果后处理等过程，实现了MSCPat ran与现有数据库系统的对接，达到建模、特性、加载界面简洁明确，后处理快速专业．使得浮筏冲击动响应计算方法能为更多的非专业人员熟练操作的目的。整个系统依据MSCPatran有限元计算的模式．划分为4个大的功能模块．即建模、材料和特性、约束和载荷、后处理。每个功能模块又细分为若干小模块．如图6所示。图6浮筏冲击动响应系统层次结构图：蛩靛盹艺葡处理系统我们针对前处理开发的项目有基于Patran的Fluent前处理、基于Pat ran的STAR—CD前处理、Venus前处理与Nastran、Dytran、ABAQUS、Ansys的接口、Venus前处理的部分通用功能开发。Patran的Fluent前处理结合舰船专家在CFD应用方面的宝贵经验，借助于MSCPatran前后置处理器．将Fluent等分析工具集成为舰船CAE软件，实现“一次建模，多种分析”。基于Pat ran的Fluent前处理已完成两个版本。基于Patran的STAR—CD前处理最新版本能使Patran直接支持STAR—CDV3．22的前处理工作．包括材料定义、边界和求解器设置等，支持多相流．同时还完成了与STAR—CDV322的接13模块，可读取STARCD文件．也可输出STAR—CD能正确读取的文件。我们与日本CAE软件公司TechnoStar保持密切合作．参与了其前处理产品TSV—Pre的开发．目前已完成TSV—Pre与Nastran、Dytran、ABAQUS和Ansys求解器的接El。读取Nastran、Dytran、ABAQUS的前处理文件，将有限元信息完整地提供给TSV—Pre软件。同时，在TSV—Pre软件中完成了支持Ansys求解器的模块，可生成Ansysl00直接读取的CDB文件． r-——1L一13