關(guān)于船體幾何模型從CATIA到MSC.Patran的轉(zhuǎn)換

(中國(guó)船級(jí)社，北京 100007)

CATIA(computer aided three-dimensional interface application)是法國(guó)達(dá)索(Dassault System)公司開(kāi)發(fā)的集CAD/CAM /CAE于一體的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在機(jī)械、電子、航空、航天和汽車(chē)等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用[1]。越來(lái)越多的用戶選擇將CATIA應(yīng)用在船舶造型和設(shè)計(jì)領(lǐng)域。MSC.Patran最早由美國(guó)宇航局(NASA)倡導(dǎo)開(kāi)發(fā)，是工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理器，其開(kāi)放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計(jì)、工程分析、結(jié)果評(píng)估、用戶化設(shè)計(jì)和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成一個(gè)完整的CAE集成環(huán)境[2]。在船舶領(lǐng)域，針對(duì)船體結(jié)構(gòu)的有限元分析普遍采用MSC.Patran/Nastran作為前后處理器/求解器。隨著CAITA的普遍應(yīng)用，如何將在CATIA中建立的船體結(jié)構(gòu)幾何模型有效地應(yīng)用到MSC.Patran中有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 CATIA CAE的技術(shù)特點(diǎn)

在現(xiàn)有通用有限元軟件中,幾何模型與有限元網(wǎng)格模型不映射關(guān)聯(lián)，幾何模型修改后則需重新劃分形成新的有限元網(wǎng)格模型。

CATIA CAE能將幾何模型和有限元網(wǎng)格模型一直保持對(duì)應(yīng)關(guān)系：由于幾何模型與有限元網(wǎng)格模型的映射關(guān)聯(lián)，可以隨意對(duì)幾何模型所映射的有限元網(wǎng)格模型做修改、編輯，其網(wǎng)格屬性、材料也不會(huì)丟失；有限元網(wǎng)格模型能隨幾何模型的改變而快速更新，相應(yīng)的屬性及材料信息能自動(dòng)關(guān)聯(lián)到有限元網(wǎng)格模型；有限元分析結(jié)果能自動(dòng)地反映到幾何模型；幾何模型更新時(shí),定義在網(wǎng)格上的邊界條件無(wú)需再定義即可自動(dòng)更新。

因此，從CATIA到MSC.Patran的船體幾何模型轉(zhuǎn)換及結(jié)構(gòu)有限元分析顯得更為重要。

2 基于CATIA V5 CAE的解決方案

2.1 各種實(shí)現(xiàn)方案介紹

從CAD模型轉(zhuǎn)換到CAE模型，有4種實(shí)現(xiàn)方案，見(jiàn)圖1。

圖1 從CAD到CAE的實(shí)現(xiàn)方案

方案一。CATIA內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)方法，可滿足快速整體評(píng)估分析對(duì)象。

方案二。CATIA CAE調(diào)用第三方求解器的方法，是針對(duì)特殊專業(yè)的分析要求。

方案三。結(jié)合應(yīng)用行業(yè)的有限元分析現(xiàn)狀，轉(zhuǎn)入其它前處理器的方案，充分利用已有CAD模型，保持CAD幾何模型與CAE模型的關(guān)聯(lián)，兼顧特殊專業(yè)的現(xiàn)狀，將幾何模型在CATIA CAE中劃分網(wǎng)格后轉(zhuǎn)換到其他前處理器中。

方案四。將其它CAD建模軟件建立的幾何模型轉(zhuǎn)入到其它CAE軟件前處理器。

2.2 從CATIA轉(zhuǎn)換至MSC.Patran的實(shí)現(xiàn)方案

由于CATIA在船舶設(shè)計(jì)時(shí)所建立的幾何模型與實(shí)際船體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)布置、板縫分割、構(gòu)件端部等方面完全一致，而船體結(jié)構(gòu)有限元分析中的網(wǎng)格模型則在上述方面進(jìn)行了簡(jiǎn)化[3]。同時(shí)，考慮到中國(guó)船級(jí)社在規(guī)范研究與審圖計(jì)算中的有限元強(qiáng)度評(píng)估使用MSC.Patran/Nastran作為前后處理器/求解器，并基于此開(kāi)發(fā)了一系列相應(yīng)的應(yīng)用程序。因此，針對(duì)方案三進(jìn)行研究。

實(shí)現(xiàn)方案見(jiàn)圖2。

圖2 從CATIA轉(zhuǎn)換至MSC.Patran的實(shí)現(xiàn)流程

3 轉(zhuǎn)換的方法與步驟

3.1 幾何模型的規(guī)范化處理

為了滿足船體結(jié)構(gòu)有限元分析的要求，需要在已有的CATIA SFD幾何模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化處理。主要包括以下內(nèi)容。

1)板縫位置調(diào)整。中國(guó)船級(jí)社鋼質(zhì)海船規(guī)范中對(duì)板縫與骨材或縱桁之間的最小間距有所要求[4]，為了避免板縫和骨材間的小間距引起網(wǎng)格的局部尖銳，需對(duì)CATIA SFD幾何模型的板縫進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使板縫與最近的型材對(duì)齊。見(jiàn)圖3。

圖3 板縫位置調(diào)整示意

2)型材端部位置調(diào)整。實(shí)際船體結(jié)構(gòu)中型材之間的連接與有限元網(wǎng)格中“梁?jiǎn)卧敝g的連接完全不同，型材之間的連接以及端部位置直接影響相關(guān)板材網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，所以需要對(duì)型材的首末端位置進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使其端點(diǎn)重合或延伸到板材邊界。

圖4 型材端部調(diào)整示意

3)趾端簡(jiǎn)化。大部分的趾端采用軟趾設(shè)計(jì)，具有特殊形式，且趾部及腹板加強(qiáng)筋的端點(diǎn)位置不與相鄰構(gòu)件對(duì)齊，如果不進(jìn)行簡(jiǎn)化，將會(huì)引起其趾部網(wǎng)格畸形、網(wǎng)格間難以協(xié)調(diào)以及對(duì)應(yīng)位置板材網(wǎng)格不理想。所以趾部及腹板需要按就近原則處理，使其與相鄰構(gòu)件對(duì)齊。見(jiàn)圖5。

圖5 趾端簡(jiǎn)化示意

4)開(kāi)孔形狀調(diào)整。大開(kāi)孔的倒角及邊界未與最近型材對(duì)齊，導(dǎo)致在倒角處網(wǎng)格將出現(xiàn)尖角或不能生成網(wǎng)格等問(wèn)題。將大開(kāi)孔邊界與相鄰型材對(duì)齊，以及將倒角改變?yōu)橹苯?，則利于網(wǎng)格的生成和質(zhì)量的提高。此處的形狀調(diào)整一般針對(duì)雙舷側(cè)內(nèi)平臺(tái)上的開(kāi)孔，而對(duì)于頂邊艙和底邊艙橫框架的開(kāi)孔則不予簡(jiǎn)化，以描述強(qiáng)框架上開(kāi)孔的實(shí)際形狀。見(jiàn)圖6。

圖6 開(kāi)孔形狀調(diào)整示意

3.2 CATIA CAE網(wǎng)格劃分

幾何模型簡(jiǎn)化完成后，利用CAITA CAE進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，需注意設(shè)置好網(wǎng)格尺寸。

3.3 CATIA CAE網(wǎng)格處理及局部?jī)?yōu)化

1)網(wǎng)格協(xié)調(diào)處理。CATIA CAE模塊劃分網(wǎng)格時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)時(shí)可能出現(xiàn)故此失彼的情況，通過(guò)編寫(xiě)的程序可控制絕大部分的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)調(diào)，避免過(guò)多出現(xiàn)自由邊。

2)網(wǎng)格局部?jī)?yōu)化。在CATIA結(jié)構(gòu)建模的初期需要建立一些參考線以生成曲面，并將各曲面拼接在一起，從而形成結(jié)構(gòu)連接線，如平底線、平邊線。CATIA網(wǎng)格劃分時(shí)可以考慮將其設(shè)為約束線，但局部位置則需要將其去除，或者出現(xiàn)過(guò)多的三角形網(wǎng)格時(shí)添加單元種子數(shù)，以提高局部網(wǎng)格質(zhì)量。見(jiàn)圖7。

圖7 網(wǎng)格局部?jī)?yōu)化效果

3)小孔洞簡(jiǎn)化。通過(guò)設(shè)定網(wǎng)格過(guò)濾孔洞的尺寸，CATIA CAE環(huán)境可實(shí)現(xiàn)對(duì)小于設(shè)定尺寸的孔洞在網(wǎng)格中劃分中予以過(guò)濾，以免造成小孔洞周邊的網(wǎng)格質(zhì)量較差?？锥催^(guò)濾后，可以采取“等效板厚”的原則處理。

3.4 接口定制

通過(guò)上述操作后，在CATIA CAE中形成了滿足要求的有限元網(wǎng)格模型，接下來(lái)則需要采取如下步驟將有限元網(wǎng)格模型、屬性、分組信息導(dǎo)入至MSC.Patran中，以及在MSC.Patran中進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量和協(xié)調(diào)性檢查。

1)材料、單元屬性輸出。為了將CATIA CAE模型的各種屬性添加到MSC.Patran可以讀入的Bdf文件中,須將在CATIA幾何模型結(jié)構(gòu)樹(shù)中不能直接獲得的屬性信息通過(guò)CATIA的輸出函數(shù)輸出，并按照指定的格式輸出到相應(yīng)的文件中。

2)添加屬性至Bdf文件。從CATIA CAE模型結(jié)構(gòu)樹(shù)獲取可以獲得的數(shù)據(jù)以及將上述輸出的數(shù)據(jù)和單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)一起添加到指定的Bdf文件中。在數(shù)據(jù)添加時(shí)保證三類數(shù)據(jù)的ID對(duì)應(yīng)一致為關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)必須滿足MSC.Nastran卡片格式要求。對(duì)于梁?jiǎn)卧?，則需要將梁的方向和偏移量計(jì)算出來(lái)，對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的網(wǎng)格屬性中。屬性添加完成后，在MSC.Patran中分別驗(yàn)證板單元和梁?jiǎn)卧獙傩?。板單元通過(guò)厚度云圖驗(yàn)證屬性準(zhǔn)確性，參見(jiàn)圖8。梁?jiǎn)卧ㄟ^(guò)截面屬性和偏移顯示驗(yàn)證屬性準(zhǔn)確性，參見(jiàn)圖9。

圖8 板單元屬性云圖

圖9 梁?jiǎn)卧獙傩燥@示

由于CATIA CAE中梁的方向和偏移量與MSC.Natran對(duì)梁屬性要求的差異性和輸出數(shù)據(jù)ID不具有良好的規(guī)律性，所以其主要工作為測(cè)試對(duì)比輸出數(shù)據(jù)ID和梁的方向與偏移量的準(zhǔn)確性。

3)建立網(wǎng)格分組。為了便于在MSC.Patran中查找結(jié)構(gòu)，需將結(jié)構(gòu)名稱以網(wǎng)格組名的形式添加到BDF文件中。從CATIA CAE結(jié)構(gòu)樹(shù)中提取結(jié)構(gòu)名稱，按照ID號(hào)搜索找到正確的網(wǎng)格組，并添加結(jié)構(gòu)名稱到文件中。

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社CATIA SFD建模規(guī)范的命名規(guī)則和BDF文件的網(wǎng)格屬性名稱，合并CATIA幾何模型結(jié)構(gòu)樹(shù)名稱(見(jiàn)圖10a))中前兩個(gè)字段相同的網(wǎng)格分組到按結(jié)構(gòu)區(qū)域和構(gòu)件類型的MSC.Patran分組(見(jiàn)圖10b))，以適應(yīng)在MSC.Patran軟件中對(duì)局部網(wǎng)格瀏覽、調(diào)整，載荷、邊界條件的施加以及后處理中的便捷性。

圖10 網(wǎng)格分組信息轉(zhuǎn)換示意

4)網(wǎng)格質(zhì)量及協(xié)調(diào)性檢查。網(wǎng)格質(zhì)量是影響有限元計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的重要因素，為了驗(yàn)證輸出網(wǎng)格的質(zhì)量，需對(duì)四邊形和三角形網(wǎng)格單元的長(zhǎng)寬比、翹曲度等指標(biāo)進(jìn)行一一檢查。

網(wǎng)格協(xié)調(diào)性將準(zhǔn)確反映分析模型的結(jié)構(gòu)連接形式，需對(duì)模型的自由邊進(jìn)行檢查。

4 案例介紹

圖11 加載計(jì)算后的30萬(wàn)t VLCC艙段位移云圖

見(jiàn)圖11，將中國(guó)船級(jí)社船舶檢查和維護(hù)保養(yǎng)系統(tǒng)應(yīng)用到某30萬(wàn)t VLCC的CATIA幾何模型中的3個(gè)艙段，成功轉(zhuǎn)換到了MSC.Patran中，并進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。

5 結(jié)論

實(shí)際案例驗(yàn)證表明，將CATIA幾何模型轉(zhuǎn)換到MSC.Patran的方法，充分利用了CATIA CAE的技術(shù)特點(diǎn)，轉(zhuǎn)換后的網(wǎng)格模型繼承了CAITA中的材料屬性、網(wǎng)格分組等關(guān)鍵信息，使得在MSC.Patran中僅需添加載荷和邊界條件即可完成計(jì)算。

此前的其它類似方法一般是僅導(dǎo)入幾何模型，后續(xù)需要在有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、屬性定義、分組定義，且較多的是對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而對(duì)船體結(jié)構(gòu)這樣大型的復(fù)雜板梁模型則不適用。本文方法轉(zhuǎn)換后的信息完整，無(wú)需二次加工，且適用于船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的板梁模型。

另外，依照本文方法，對(duì)散貨船槽型艙壁的頂?shù)?、底凳等特殊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時(shí)，還需要手工按中國(guó)船級(jí)社規(guī)范要求調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，建議可以進(jìn)一步研究該結(jié)構(gòu)的自動(dòng)劃分網(wǎng)格技術(shù)。

[1] 王鳳英，何 勇.CATIA軟件的幾個(gè)使用技巧[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2003(1)：34-35.

[2] 劉兵山，黃聰.Patran從入門(mén)到精通[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.油船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南2003[Z].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范2012[S].北京：人民交通出版社，2012.