基于VB和ANSYS的船體艙段快速建模的二次開發(fā)

周恒， 王慧， 楊樹森， 楊高勝， 邵鵬程， 楊光

（武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430063）

0 引言

CAE（Computer Aided Engineering）計(jì)算機(jī)輔助工程如今在實(shí)際工程上有廣泛的應(yīng)用，即對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限數(shù)目的離散化，開展模型的建模和有限元仿真計(jì)算，能夠有效地幫助工程人員進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)研究。ANSYS作為當(dāng)前市場(chǎng)主流CAE軟件，能夠開展結(jié)構(gòu)、流體、電磁、聲場(chǎng)等多個(gè)專業(yè)的計(jì)算，廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、機(jī)械制造等相關(guān)領(lǐng)域，在科研生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)越性[1-3]。

船體結(jié)構(gòu)作為一個(gè)復(fù)雜的大型水面建筑，涉及到的船型和構(gòu)件種類較多。在傳統(tǒng)的ANSYS經(jīng)典界面采用GUI （圖形用戶界面Graphical User Interface）建模，會(huì)耗費(fèi)工程人員大量的時(shí)間精力。特別是針對(duì)局部結(jié)構(gòu)的修改時(shí)，前處理功能顯得十分繁瑣，重復(fù)工作量較多。ANSYS自帶APDL（ANSYS Parametric Design Language ）語言，可以將模型參數(shù)化，提高工作效率。目前已有相關(guān)人員對(duì)ANSYS軟件在起重機(jī)[4]、螺栓[5]、液壓[6]等領(lǐng)域進(jìn)行了二次開發(fā)的嘗試[7]。本文主要針對(duì)船體艙段結(jié)構(gòu)，利用VB（Visual Basic）開發(fā)工具[8-9]，對(duì)ANSYS mechanical模塊進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)的快速幾何建模、網(wǎng)格劃分、材料賦予、構(gòu)件選擇等操作。使得后期船體結(jié)構(gòu)模型的修改和局部調(diào)整變得簡(jiǎn)單方便，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)省大量時(shí)間。二次開發(fā)軟件能夠針對(duì)一系列的船型，進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，實(shí)現(xiàn)通用化建模，即使沒有ANSYS使用基礎(chǔ)的人員，通過二次開發(fā)軟件界面，也能夠快速完成有限元模型。

1 船體艙段ANSYS參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模的實(shí)現(xiàn)過程

1.1 軟件二次開發(fā)流程

通過收集相關(guān)的船型資料，針對(duì)300～500 t的運(yùn)輸船、旅游船等進(jìn)行方案驗(yàn)證，歸納出船舶典型艙段的結(jié)構(gòu)特征，提取相關(guān)主要參數(shù)，確定建模思路，完成程序控制操作，實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)化建模。通過VB中字符和數(shù)組命令，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)用、表格嵌套和界面按鈕添加等功能，完成VB和APDL兩種語言的接口調(diào)試，形成用戶使用界面。

圖1 軟件二次開發(fā)流程

1.2 船體模型在APDL程序中的架構(gòu)設(shè)計(jì)

主要針對(duì)船體艙段處的結(jié)構(gòu)模型，常規(guī)的橫剖面為U形和V形的船型開展結(jié)構(gòu)建模的工作。各船的肋距在500～750 mm之間不等。船體結(jié)構(gòu)形式包括橫骨架式和縱骨架式、單層底和雙層底等船型。包含了甲板縱骨、甲板縱桁、甲板橫梁、舷側(cè)縱桁、船底肋板、中內(nèi)龍骨、旁內(nèi)龍骨等型材。常常采用角鋼、T型材、球扁鋼等作為支撐骨架。

如表1所示，以4種不同類型的船舶結(jié)構(gòu)為參考，提取肋距、板厚、艙壁位置、大開口位置、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、型線值等關(guān)鍵信息，轉(zhuǎn)化為相關(guān)參數(shù)變量，通過APDL語言的編制，完成模型。

表1 不同船體艙段模型的相關(guān)參數(shù)

嘗試兩種不同的建模方法，并進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比?！爸苯臃ā笔歉鶕?jù)圖樣通過“描點(diǎn)”，直接用點(diǎn)點(diǎn)面的形式，將模型展現(xiàn)出來，建模過程可以做到精細(xì)化，但是通用性較差。對(duì)于需要進(jìn)行變動(dòng)的模型，程序語言需要重新調(diào)試，工作量較大。“分組法”可以結(jié)合船舶專業(yè)中的型值表，并在每站肋位上建立橫剖面的幾何模型，預(yù)留縱剖面位置。通過不同的小組劃分，在各個(gè)group中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)屬性和構(gòu)件形式的選擇。它的不足之處對(duì)于較精細(xì)的結(jié)構(gòu)不能詳盡地表達(dá)出來，但是針對(duì)不同船型和不同的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速的建模和修改功能。

對(duì)船體艙段結(jié)構(gòu)開展有限元建模工作，對(duì)于局部細(xì)微結(jié)構(gòu)往往可以進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。考慮到二次開發(fā)軟件對(duì)通用性要求較高，因此本項(xiàng)目中采用分組法的思路編制APDL語言更優(yōu)。

圖2 采用APDL建模的不同方法對(duì)比

1.3 ANSYS和VB接口的應(yīng)用

從ANSYS中的APDL語言到VB語言中的參數(shù)接口，需要常用的命令進(jìn)行程序的編制。

在APDL語言中，由點(diǎn)到線到面，中間的過程還涉及到大量的點(diǎn)的循環(huán)命令，曲線的鏈接、切割，幾何的分組和選擇，以及賦屬性等參數(shù)命令。

同理，在VB語言中需要進(jìn)行文本參數(shù)的調(diào)用、表格的嵌套、界面按鈕的添加、數(shù)據(jù)的插入和ANSYS語句的連接等工作。

表2 APDL關(guān)鍵命令

表3 VB程序中關(guān)鍵命令

根據(jù)船體結(jié)構(gòu)中常用的構(gòu)建形式在VB窗口中完成船舶的型材庫，通過Excel表格的嵌套和輸入功能，實(shí)現(xiàn)船體型線的直接導(dǎo)入操作。具體的實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

圖3 接口的形成

2 軟件界面操作說明

本軟件可適用于Windows XP系統(tǒng)和Win7等常用操作系統(tǒng)，在單機(jī)上運(yùn)行。雙擊桌面圖標(biāo)（如圖4），進(jìn)入軟件滾動(dòng)界面（如圖5）。

圖4 桌面圖標(biāo)和軟件開啟滾動(dòng)界面

圖5 主要參數(shù)界面

界面頁數(shù)可根據(jù)船體艙段大小進(jìn)行增減。主要分為主尺度、材料庫、型值表導(dǎo)入、構(gòu)建定位、模型創(chuàng)建等頁面板塊。

軟件分為頂層菜單欄，包括“文件”、“編輯”、“視圖”等常用下拉菜單。在“幫助”文檔中，可以查看軟件的使用方法。

實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）進(jìn)入主頁面，輸入船體艙段的主要參數(shù)和板的厚度尺寸、肋位間距、主要艙壁位置等信息。

2）通過材料庫輸入主要材料參數(shù)和選擇相關(guān)的型材規(guī)格，如圖6所示。

3）在EXCEL表中按照提示輸入船體型值，導(dǎo)入界面，如圖5所示。

4）設(shè)置船體艙段的其他位置參數(shù)，如圖7所示。

5）根據(jù)軟件窗口提示的相關(guān)信息，輸入關(guān)鍵參數(shù)后，可以點(diǎn)擊“創(chuàng)建模型”，進(jìn)行建模。并在相關(guān)的保存路徑中找到生成的db有限元模型文件。

3 軟件建模和計(jì)算

通過二次開發(fā)軟件可以快速地創(chuàng)建有限元模型，通過相關(guān)參數(shù)在界面的修改，可以方便地完成模型的重建。圖8所示是4種船型通過在界面輸入?yún)?shù)完成建模的結(jié)果展示。

圖6 材料規(guī)格設(shè)置

圖7 位置參數(shù)的設(shè)置

圖8 利用開發(fā)軟件生成的不同艙段模型

通過軟件完成模型建立后，進(jìn)行船體艙段結(jié)構(gòu)模態(tài)的試運(yùn)算。界面輸出的模型仿真與采用傳統(tǒng)的GUI界面建模計(jì)算的結(jié)果相同。從而驗(yàn)證了二次開發(fā)軟件在大大提高工程設(shè)計(jì)人員工作效率的同時(shí)，能夠有效地保證計(jì)算精度，可以普遍地應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

圖9 有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本文基于VB和APDL語言對(duì)ANSYS mechanical模塊進(jìn)行接口開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)船體艙段結(jié)構(gòu)有限元快速建模和后期模型的高效修改，人機(jī)交互界面的創(chuàng)建。通過船體艙段主要參數(shù)的輸入，簡(jiǎn)化了操作過程，提高了設(shè)計(jì)人員工作效率，為后續(xù)針對(duì)船體類似ANSYS二次開發(fā)的深入開發(fā)研究和應(yīng)用提供了參考，在工程上具有較大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。