基于MSC.Patran的艙室識(shí)別程序開(kāi)發(fā)

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(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫 214082;2.中國(guó)船級(jí)社，北京 100007)

國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的協(xié)調(diào)后的《共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》(HCSR)，預(yù)計(jì)將在2014年生效[1]。國(guó)際上各大船級(jí)社都針對(duì)HCSR規(guī)范研發(fā)了相應(yīng)的校核軟件[2～3]。HCSR規(guī)范中對(duì)于腐蝕屬性的創(chuàng)建、屈曲、屈服和疲勞計(jì)算的載荷加載，都和艙室空間的類型、結(jié)構(gòu)類型、內(nèi)部構(gòu)件單元以及艙室特性相關(guān)。基于PATRAN用手工搜索結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格單元和艙室空間的邊界單元，操作繁瑣。在整個(gè)規(guī)范校核軟件系統(tǒng)中，艙室空間自動(dòng)識(shí)別程序是系統(tǒng)準(zhǔn)確性與否、性能高低的關(guān)鍵之一。此前正基于船舶有限元結(jié)構(gòu)模型對(duì)艙室空間識(shí)別技術(shù)發(fā)出了3D艙室邊界單元自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)[4]，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)舷側(cè)上任意一個(gè)起始單元和艙室內(nèi)部任意空間一點(diǎn)，自動(dòng)識(shí)別出艙室的所有邊界單元。但該系統(tǒng)識(shí)別的整體效率不高，需要人工干預(yù)的地方較多。在HCSR規(guī)范中，極有可能要求對(duì)船中以外區(qū)域和艏、艉貨艙模型進(jìn)行評(píng)估分析，而艏、艉部的艙室模型型線的變化比較復(fù)雜，并且每個(gè)艙室空間的邊界單元都需要定義出來(lái)，原系統(tǒng)需要輸入艙室內(nèi)部任意空間一點(diǎn)，導(dǎo)致需要輸入?yún)?shù)的工作量較大，因此原系統(tǒng)已不能適應(yīng)新的規(guī)范體系。所以，開(kāi)發(fā)改良了艙室識(shí)別程序，以期能夠快速、準(zhǔn)確地識(shí)別出艙室的結(jié)構(gòu)、艙室或者空間的邊界網(wǎng)格單元，以提高審圖效率。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 框架設(shè)計(jì)

根據(jù)一些模型的參數(shù)和結(jié)構(gòu)的位置特性，實(shí)現(xiàn)把一些位置特性明確的結(jié)構(gòu)自動(dòng)識(shí)別出來(lái)，并提供人工干預(yù)的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和位置特性不明顯的結(jié)構(gòu)的識(shí)別。結(jié)構(gòu)識(shí)別針對(duì)船中區(qū)域，包括了甲板、外殼、內(nèi)底板、底邊艙斜板、頂邊艙斜板、頂邊艙垂直板、雙層底縱桁、底凳斜板、頂?shù)仕桨宓冉Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)識(shí)別完成后每個(gè)單元只屬于一個(gè)結(jié)構(gòu)。非水密結(jié)構(gòu)(non-tight)需要分析人員手工定義。基于拓?fù)鋵W(xué)有關(guān)原理，結(jié)合CAE模型和CAD模型優(yōu)勢(shì)，將基于單元的CAE模型轉(zhuǎn)化成基于面的CAD模型來(lái)處理，采用“切分拼接”的方法實(shí)現(xiàn)艙室空間的識(shí)別。程序涉及到的結(jié)構(gòu)名稱、艙室類型及名稱等信息以配置文件的方式封裝到程序后臺(tái)，由程序統(tǒng)一管理。程序框架見(jiàn)圖1。

本文只針對(duì)結(jié)構(gòu)識(shí)別和艙室識(shí)別做相關(guān)闡述。

1.2 結(jié)構(gòu)搜索

1.2.1 算法設(shè)計(jì)

本文提及的結(jié)構(gòu)識(shí)別方法以模型參數(shù)和結(jié)構(gòu)的位置特性為基礎(chǔ)。例如根據(jù)模型的橫剖面參數(shù)，計(jì)算出外殼、甲板、內(nèi)底等結(jié)構(gòu)的位置信息，然后隨機(jī)搜索到一個(gè)符合條件的網(wǎng)格單元，即可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別結(jié)構(gòu)并創(chuàng)建分組，見(jiàn)圖2。

通過(guò)PCL編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)從起始單元開(kāi)始，通過(guò)公共節(jié)點(diǎn)、公共邊和網(wǎng)格單元之間的拓?fù)潢P(guān)系，搜索相臨單元，不斷循環(huán)搜索，直至完成一個(gè)結(jié)構(gòu)的識(shí)別。對(duì)于平面結(jié)構(gòu)如甲板和內(nèi)底等，可用單元的法向過(guò)濾掉與目標(biāo)結(jié)構(gòu)垂直或成一定角度的單元。

圖1 程序框架

圖2 結(jié)構(gòu)識(shí)別

對(duì)于槽型橫縱艙壁，加入相接單元的公共邊同時(shí)存在3個(gè)單元或以上的限制條件即可。針對(duì)不能通過(guò)位置判斷出來(lái)的，可以結(jié)合手工判定，盡量減少手工調(diào)整的工作量，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型的結(jié)構(gòu)識(shí)別。程序識(shí)別流程見(jiàn)圖3。

結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元自動(dòng)識(shí)別后，保存在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組中，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)之間的相連或相交關(guān)系自動(dòng)把結(jié)構(gòu)切分成多個(gè)塊(面)，在艙室識(shí)別時(shí)用于拼接。

1.2.2 模型數(shù)據(jù)

根據(jù)船型給出剖面參數(shù)，在模型的剖面參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)自動(dòng)識(shí)別，圖4為一道和兩道縱艙壁油船的橫剖面，單弦側(cè)和雙舷側(cè)散貨船的橫剖面參數(shù)類似，橫艙壁位置處的結(jié)構(gòu)還需要模型的縱剖面參數(shù)，例如橫艙壁橫向位置(x)。

一道和兩道縱艙壁油船參數(shù)需如圖4所示的d1、d2、d4(d3)、h1、h2、h3和艙壁位置。

以甲板上的起始單元 為例，起始單元坐標(biāo)范圍確定方法見(jiàn)式(1)～(4)，遍歷模型中的單元，找到單元型心坐標(biāo)符合該坐標(biāo)范圍的任一單元即可。其余結(jié)構(gòu)起始單元確定方式可類推。

圖3 結(jié)構(gòu)識(shí)別流程

ElemstartPx={x|x∈(-∞,+∞)}

(1)

ElemstartPy={y|y∈(0,d1+d2)}

(2)

ElemstartZt=h2+h3+h4

(3)

ElemstartPz={z|z∈(zt,zt+h5)}

(4)

1.2.3 效果統(tǒng)計(jì)

結(jié)構(gòu)識(shí)別針對(duì)油船和散貨船船中區(qū)域，包括了甲板、外殼、內(nèi)底板、內(nèi)殼板、槽型縱艙壁、槽型橫艙壁、底邊艙斜板、底邊艙橫隔板等結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)識(shí)別完成后模型中的每個(gè)單元都應(yīng)該屬于且只屬于一個(gè)結(jié)構(gòu)組。根據(jù)橫剖面參數(shù)，油船船中區(qū)可自動(dòng)識(shí)別的結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1，散貨船可自動(dòng)識(shí)別的結(jié)構(gòu)類似。

圖4 一道和兩道縱艙壁油船模型橫剖面

表1 識(shí)別對(duì)象

據(jù)對(duì)某油船實(shí)船船中區(qū)有限元模型的研究，模型中包含結(jié)構(gòu)14個(gè)，由橫剖面參數(shù)判定出起始單元，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)格單元精度為100%的結(jié)構(gòu)可達(dá)10個(gè)，占結(jié)構(gòu)總數(shù)的比例近70%。相對(duì)與純手工提取結(jié)構(gòu)單元，減少了驗(yàn)船師的手工操作。但因自動(dòng)搜索需要對(duì)模型大量單元做空間位置的判定，結(jié)構(gòu)自動(dòng)搜索算法耗時(shí)較長(zhǎng)，以手工干預(yù)的半自動(dòng)方式將結(jié)構(gòu)逐一識(shí)別，效率相對(duì)較高。

1.3 艙室搜索

1.3.1 算法設(shè)計(jì)。 切分拼接方法原理為：首先切分模型，把模型切分成一塊塊沒(méi)有被分割的面，即沿著任何兩個(gè)相交構(gòu)件的交線切分；然后通過(guò)兩面確定第三面的組合方法，將面拼接成空間。先利用模型中的自由邊(Free edges)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行過(guò)濾，和自由邊關(guān)聯(lián)的單元必定是內(nèi)部構(gòu)件而非艙室空間的邊界單元，其中特殊結(jié)構(gòu)上的開(kāi)孔需特殊處理；然后根據(jù)構(gòu)件之間的相交關(guān)系對(duì)模型進(jìn)行切分(見(jiàn)圖5)，將圖中所示切分出的一系列單元組(1～10)定義為“面”，最后依據(jù)三維立體幾何的性質(zhì)將切分出來(lái)的面拼接成艙室空間。

圖5 切分示意

根據(jù)三維立體的幾何性質(zhì)，任何兩個(gè)相交(有公共edge)的面可以確定第三個(gè)面，其中第三個(gè)面必須滿足如下特征：分別與這兩個(gè)面相交且不交于同一交線，也即第三個(gè)面的兩條邊分別和已定的兩個(gè)面是公共邊。如圖6，面a和面b相交，面c分別與面a和面b相交且不交于同一交線，由此得出面c是屬于該三維艙室空間的邊界。圖6為實(shí)際模型中的3個(gè)相關(guān)面的拓?fù)潢P(guān)系。

圖6 拼接示意

1.3.2 程序流程

艙室單元搜索的核心算法類似于結(jié)構(gòu)單元搜索。程序流程為：首先將模型切分為若干塊沒(méi)有被分割的面，即初始化。切分面采用以下幾種方法：①不過(guò)濾自由邊(不進(jìn)行預(yù)處理)直接切分；②過(guò)濾自由邊關(guān)聯(lián)的內(nèi)部構(gòu)件單元之后切分；③按水密結(jié)構(gòu)的相交關(guān)系切分；④按自定義結(jié)構(gòu)相交關(guān)系切分。為了提高程序的效率和保證Patran的運(yùn)行穩(wěn)定性，模型切分產(chǎn)生的“面”輸出到數(shù)據(jù)文件中，并對(duì)每個(gè)面加上ID編號(hào)，由程序管理。

采用上述的算法原理，根據(jù)指定的任一屬于艙室空間邊界的單元作為起始單元，將切分出的面再拼接成艙室空間。其中對(duì)于槽型艙壁將Edges的兩個(gè)端點(diǎn)近似看做一條邊。程序流程及主界面見(jiàn)圖7。

對(duì)于選定的起始單元，若起始單元所屬的結(jié)構(gòu)屬于惟一的艙室，則識(shí)別出的艙室空間較為準(zhǔn)確，若起始單元所屬的結(jié)構(gòu)屬于兩個(gè)艙室，則可以再選擇相鄰相交結(jié)構(gòu)上的一個(gè)單元作為起始單元。

圖7 艙室空間搜索流程

1.3.3 法向分組

依據(jù)HCSR規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核時(shí)，需要對(duì)艙室的邊界單元根據(jù)不同的法向加載不同的設(shè)計(jì)載荷。為方便規(guī)范校核軟件系統(tǒng)中載荷的自動(dòng)加載，該程序開(kāi)發(fā)了對(duì)艙室邊界單元進(jìn)行法向分組功能，實(shí)現(xiàn)根據(jù)指定的法向向內(nèi)的單元，將艙室邊界單元分為法向指向艙室內(nèi)部和外部?jī)山M，并在Patran中用高亮和標(biāo)注的方式顯示。法向分組見(jiàn)圖8。

圖8 法向分組

1.3.4 內(nèi)部構(gòu)件識(shí)別

艙室的內(nèi)部構(gòu)件與邊界扣除的腐蝕量不同，依據(jù)規(guī)范扣除相應(yīng)的腐蝕余量時(shí)，需要將艙室的邊界單元和內(nèi)部構(gòu)件單元分別處理。因此，完成艙室邊界單元識(shí)別和法向分組后，還需結(jié)合艙室邊界單元，搜索艙室內(nèi)部構(gòu)件單元。艙室內(nèi)部構(gòu)件識(shí)別方法，主要是根據(jù)單元和艙室邊界單元的拓?fù)潢P(guān)系，即根據(jù)Edge是否和艙壁相連進(jìn)行判定。相連關(guān)系的判別依然基于艙室邊界識(shí)別初始化時(shí)切分出的面。

2 實(shí)船驗(yàn)證

基于MSC.Patran平臺(tái)，使用Patran Command Language(PCL)作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，根據(jù)上述思想開(kāi)發(fā)了船舶艙室空間識(shí)別程序。經(jīng)對(duì)某油船實(shí)船的有限元模型進(jìn)行測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)模型的合理切分并有效識(shí)別出艙室空間。見(jiàn)圖9。

圖9 兩道縱艙壁油船艙室空間

3 結(jié)論

1)基于切分拼接的方法開(kāi)發(fā)的艙室識(shí)別程序，能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別出油船和散貨船平行中體區(qū)的大部分艙室或空間的邊界網(wǎng)格單元。

2)與筆者此前基于艙室內(nèi)部一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)和一個(gè)起始單元的方法開(kāi)發(fā)出的3D艙室邊界單元自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)相比，程序整體運(yùn)行效率和識(shí)別精度有了明顯提高，并且需要人工干預(yù)的地方明顯減少。

3)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的艙室識(shí)別程序在艏部和艉部模型中同樣適用，但是識(shí)別的準(zhǔn)確性要低于平行中體區(qū)的模型，需要進(jìn)一步深入研究。

4)此程序已經(jīng)作為一個(gè)功能模塊納入CCS的HCSR規(guī)范校核軟件體系中，在一定程度上減輕了審圖驗(yàn)船人員的繁瑣重復(fù)勞動(dòng)，提高了審圖效率。

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[2] 佚 名.IACS發(fā)布雙殼油船和散貨船協(xié)調(diào)共同結(jié)構(gòu)規(guī)范(HCSR)[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師,2012,45(5):16-16.

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