（计算机应用技术专业论文）船舶结构分析中网格划分技术及应用.pdf

摘要摘要本文针对船舶结构有限元分析中常使用的网格划分技术若干问题进行了研究。研究内容主要包括：网格划分及细化，边界单元识别，舱口角隅网格处理，网格修补，屈曲强度评估的实例分析。船舶结构分析借助有限元分析软件进行结构强度评估非常普遍。以中国船舶科研究中心和中国船级社联合开发的船体结构板格屈曲校核系统为背景，结合校核人员的经验，针对有限元网格处理部分的网格划分及细化，单元识别、网格修补等方面进行了处理，在实现自动化同时对已有的板格屈曲软件进行了改进。针对应力集中区域的粗细网格计算精度要求，给出了将粗网格模型分析的计算结果作为细网格模型分析的边界条件的方法，实现了基于过渡单元的有限元精细划分算法。针对船体结构屈曲问题，研究了船体共同结构规范，使用上述方法进行网格处理，并施加载荷、定义属性，进行屈服、屈曲和疲劳强度等分析工作，然后根据分析结果来评估结构强度、改进设计方案。结论表明该方法部分解决了船舶工程分析过程中的时间瓶颈问题，提高了船舶设计阶段的分析效率，缩短了审批周期，获得了双方的认可，已成为船级社高级屈曲评估直接计算程序中的一部分。关键词：船舶结构，有限元，网格细化，单元识别，舱口角隅，屈曲分析应用a b s t r a c ta b s t r a c ts e v e r a lp r o b l e m so nm e s hg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi su s e du s u a l l yi nh u l ls t r u c t u r ef i n i t em e s ha n a l y s i sa r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ：m e s hg e n e r a t i o na n dr e f i n i n g ，b o u n d a r ye l e m e n ti d e n t i f i c a t i o n ，m e s hp r o c e s s i n go ns h i ph a t c h ，m e s ha m e n d i n ga n ds t u d yo fb u c k l i n gs t r e n g t h e ne v a l u a t i o n i ti sc o m m o nm e t h o dt h a th u l ls t r u c t u r e ss t r e n g t h e ni sa n a l y z e db yf i n i t em e s ha n a l y s i ss o f t w a r e b a s e do nh u l ls t r u c t u r ep a n e lb u c k l i n ge v a l u a t i o ns y s t e md e v e l o p e db yc s s r ca n dc c s ，m e s hg e n e r a t i o na n dr e f i n i n g ，e l e m e n ti d e n t i f i c a t i o n ，m e s hr e p a i r i n ga r er e s e a r c h e d ，p a n e lb u c k l i n gs o f t w a r ei si m p r o v e d ，t h ea l lw o r k f l o wi sa u t o m a t e d am e t h o dt h a tc a l c u l a t i o nr e s u l t so fs p a r s em e s hm o d e lb e c o m ea n a l y s i sl b co fr e f i n em e s hm o d e li sp r e s e n t e da c c o r d i n gt op r e c i s er e q u i r e m e n to fs p a r s ea n dr e f i n e dm e s hi nt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nr e g i o n ，a n dr e f i n i n gm e s ha l g o r i t h mb a s e do nt r a n s i t i o ne l e m e n ti sr e a l i z e d h u l ls t r u c t u r eb u c k l i n gp r o b l e m sa r ed i s c u s s e da c c o r d i n gt oh u l lc o m m o ns t r u c t u r er u l e ，c r e a t eg e o m e t r y ，m e s h i n g ，a d dl o a d i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n ，d e f i n ep r o p e r t yi na n a l y s i sm o d e lw i t ht h ea b o v em e t h o d ，y i e l da n db u c k l i n gs t r e n g t h e ni sc a l c u l a t e d ，d e s i g ns c h e m ei se v a l u a t e da n di m p r o v e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dc a nn o to n l yr e s o l v ee f f i c i e n c yp r o b l e mp a r t l yi ns h i pe n g i n e e r i n ga n a l y s i sp r o c e s s i n g ，b u ta l s oi m p r o v ea n a l y s i se f f i c i e n to fs h i pd e s i g na n ds h o r t e na p p r o v a lc y c l e t h em e t h o db e c o m e sap a r to fc c sa d v a n c e db u c k l i n ge v a l u a t i o nc a l c u l a t i o np r o g r a m k e y w o r d s ：s h i ps t r u c t u r e ，f e m ，m e s hr e f i n e ，a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n ，h a t c hc o m e lc o m e r , b u c k l i n gi l独创性：声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意签名：日期：关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致保密的学位论文在解密后也遵守此规定签名：瑟奁焦：导师签名： 琴净名日期：以，7第一章绪论1 1 研究背景第一章绪论在船舶结构力学领域，几乎所有的方法都离不开网格，网格是各种数值算法的基础，网格质量的好坏直接影响数值计算结果的精度，甚至影响到数值计算的成败，随着计算船舶结构力学问题越来越复杂，对网格质量的要求也越来越高，传统的统一网格技术已不能适应这一不断发展的需要，为此需要对船舶结构分析中的网格划分技术作进一步的研究【l j 。在过去几十年中，船舶尺度大型化以及高强度钢的广泛使用使得疲劳破坏成为船舶结构主要破坏模式之一【6 j 。与此相适应，世界上各主要船级社亦逐步颁布或修改各自的规范和疲劳强度校核的指导性文件。船体结构的疲劳分析可采用简化计算法和直接计算法【7 】。简化计算法主要包括疲劳载荷计算、各应力范围分量的计算、应力范围的合成以及累计损伤度的计算及衡准1 8 】。该方法形式简单、工作量小。与简化计算法相比，直接计算法步骤复杂，计算工作量大，也更完善。对于一些新颖的大型船舶，则需要采用有限元技术的直接计算法，以确切地进行船体结构的疲劳强度分析。实际的工程估算中，还可能会遇到很多具体的问题。不同的专业求解器，对有限元模型的要求并不一样。即使同一求解器，在工程应用的不同阶段，对有限元模型也有不同的要求。为了适应这些专业求解器的特殊需求，需要进行大量针对有限元网格的二次处理。例如，为适应分析计算的特殊需要，要对大型的船舶有限元模型进行重新分组，根据网格的拓扑结构，提取模型的特殊部位。大型船舶模型的有限元单元个数数量级为十万，在对模型处理过程中，要对每个单元操作多次，运算量较大，因此需要研究出效率较高的网格划分算法对模型进行处理。1 2 研究现状有限元网格生成是工程科学与计算科学相交叉的一个重要研究领域，在经历了3 0 多年发展后的今天依然十分活跃。一方面，有限元法已成为一种能够有效地求解各类工程和科学计算问题的通用数值分析方法；另一方面，计算机硬件运算能力的不断提高也容许人们对工程和科学计算的规模、复杂度、效率、精度等方面提出更高的要求。作为有限元走向工程应用的船舶有限元网格生成由此获得了源源不断的外在动力。同时，有限元网格生成算法研究中的某些难点问题始终未能获得真正意义上的解决，它们的研究解决对计算几何与计算数学都具有重要的理论价值【2 j 。有限元网格生成方法研究领域已取得许多重要成果【3 j ，形成了独特的方法论体系，提出了许多有效的算法，但是目前还没有将其转化为成功的工程江南大学硕士学位论文化软件产品。船舶设计的前期阶段需要进行大量的方案选择和决策【4 】，而每一个决定都将极大地影响下阶段的工作，为减轻设计人员的压力，提高设计阶段的效率，需要找到快速识别船舶有限元模型的实用方法，根据研究人员的不同分析需要，从整船模型中自动识别出符合要求的有限元网格单元。另外，为了让同一个模块能够适用于不同的求解需求，需要对有限元网格进行修补、重构、局部粗网格细化等。在这些工作中，需要考虑到整船模型网格的边界、匹配、过渡、闭合以及在模型特殊部位添加导角和开孔等问题【5 1 。传统的方法是手工操作，即费时费力，又容易出错。合适的网格数目能够得到高精度的计算结果；计算效率与网格数目成反比，计算精度又与网格数目成正比，而采用局部网格细化的网格划分技术来提高数值模拟的精度，是解决计算效率、计算精度以及网格数目之间矛盾关系的有效途径之一。因此需要根据船级社多年设计经验，研究出相对通用的网格细化算法，开发出船舶模型网格细化和添加正半径、负半径、抛物线等几种常见类型导角的节点系统，用以优化有限元模型，进而提交求解器进行分析计算，以达到最佳的仿真效果。根据材料的力学特性，大多数有限元模型采用内外双层结构，在双层底和双层纵舱壁之间嵌入加强板、加强筋和纵骨等用于加固的材料，有些船舶模型还有开孔( 例如：散货船的舱口) 。在进行板格屈曲校核计算时，需要对舱室的边界单元添加边界条件和载荷，船舶模型有限元单元个数数量较大，采用普通算法进行判别效率较低，在整个模型中只有内壳纵横舱壁、外壳纵横舱壁和甲板上的有限元网格用于分析计算，并且用于计算的模型还必需是水密的。这些边界单元若是用人工进行分离，每艘船的模型耗时在九个小时以上，不易操作且容易出错，多次分析既需多次划分，影响船舶设计阶段的分析效率。中国船级社进行板格屈曲强度校核的有限元软件主要是m s c p a t r a n ，但是由于m s c p a t r a n 自身的不稳定性和p c l ( p a t r a nc o m m a n dl a n g u a g e ) 语言执行效率较低，大量的数据运算导致屈曲校核程序经常崩溃。本文将船舶模型网格划分技术应用到板格屈曲校核系统中，依据最新规范对原有校核系统进行升级，开发出一套计算效率高并且运行稳定的新一代智能化船体结构板格屈曲校核系统。1 3 论文内容及组织课题的最终目的是建立一个智能化船体结构板格屈曲强度校核集成系统。系统工作流程如图1 - 1 ：2第一章绪论乎2边界单元识别( 3 )板格届曲分析m s c p a t r a n 数据库支i鲎丕笙j图1 1 船体结构板格屈曲强度校核集成系统工作流程f i g1 - 1s h i ps t r u c t u r eb u c k l i n gc h e c k i n gs y s t e mw o r k i n gp r o c e s ss t e p0 ：将船舶c a d 模型导入到有限元前后处理软件m s c p a t r a n 中；s t e pl ：利用m s c p a t r a n 自带网格划分功能对模型进行网格划分；s t e p2 ：c a e 分析中，发现利用m s c p a t r a n 网格划分器所得有限元网格不满足计算精度要求或根本不能进行求解，对有限元模型病态网格进行修正；s t e p3 ：从模型中提取出板格屈曲分析所需的边界网格单元，并进行重新分组；s t e p4 ：提交屈曲求解系统，得到屈曲强度不满足要求；s t e p5 ：对典型区域网格进行细化或重新划分并作进一步分析计算；s t e p6 ：得到理想的分析结果，结束。针对集成系统的工作流程，本文的研究工作主要从以下几个方面展开：l 、有限元模型三角网格修正和优化技术研究针对c a d 软件和c a e 软件之间传递模型数据会产生孔、槽和小曲面等，导致有限元划分时会产生网格缝隙，造成结构强度等工程计算不收敛，根据缝隙分类使用不同的网格修补方法进行修补，最后对修补后的三角网格模型进行质量检查和优化。2 、船舶模型典型区域网格划分功能模块的开发船舶舱口角隅处是应力集中的区域，整船分析后还需要建立更精细的有限元模型进行强度、疲劳校核等分析计算，针对舱口角隅处网格进行自动有限元精细划分，粗细网格使用过渡单元平滑过渡，自动创建规范要求的几种导角和开孔，江南大学硕士学位论文并对部分筋单元进行板元化。3 、舱室边界单元自动识别方法研究研究m s c p a t r a n 平台的二次开发语言p c l ，开发出3 d 舱室边界单元自动识别系统。4 、屈曲强度校核系统的设计与实现为更加有效地提高板格屈曲评估系统的运行效率，在新一代智能化船体结构板格屈曲校核系统第三期的研发中，在技术架构方面充分利用c a e 特性，并将有限元网格划分技术有效地融入进来。1 4 项目支持从2 0 0 6 年4 月开始，作者陆续参与了中国船舶科学研究中心潜艇水下噪声工程估算方法集成系统、水翼船升力面求解程序的开发，对m s c p a t r a n 数据库管理系统进行了研究，也积累了一定的实践经验。参与日本m s c 公司k o i t o 有限元网格不匹配修正软件的开发，对有限元网格修正技术进行了深入的学习。参与中国船舶科学研究中心和中国船级社合作开发的基于p c l 语言的船舶舱口角隅细化网格分析系统、舱室边界单元识别系统、板格屈曲强度校核计算程序的开发，对船舶结构及板格屈曲强度校核方面的知识进行扩展。本文就是在这样一种背景下完成的。4第二章船舶结构分析及有限元法第二章船舶结构分析及有限元法2 1 有限元方法有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过结点来传递内力。下文中的网格修补正是保证单元之间使用点进行联接，保证连续性。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：1 ) 几何建模( g e o m e t r y ) 或问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。，2 ) 有限元网络划分( m e s h ) 或者求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域。显然单元越小( 网络越细) 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。3 ) 载荷和边界条件( l b c ) 或者确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。4 ) 材料、属性( m a t e r i a l ，p r o p e r t y ) 或者单元推导。对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。5 ) 工况、场( c a s e ，f i e l d ) 。将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方5江南大学硕士学位论文程组) ，反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立在结点处。6 ) 求解( s o l v e ) 。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。7 ) 后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) ：对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、求解和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。2 2 船舶结构分析船体结构本身是由壳板、型材等元件组成的组合体，其力学模型可以抽象为大型空间薄壁结构。在船舶结构设计计算时，通常总是将船体这样一个空间薄壁结构，人为地分成若干平面板架系统来进行分析计算，如甲板板架、舷侧板架、船底板架和舱壁板架等，各个板架相互连接，相互支持，使整个主船体构成坚固的空心的水密建筑物。我们可以用各类单元( 板壳单元、平面应力膜单元、杆单元、梁单元等) 来直接离散薄壁结构，进而建立理想化计算模型，最终得到一个空间的有限元组合模型。有限元划分后，附加载荷、属性和工况进行局部分析，也可以将整个船舶结构作为一个对象进行整船分析。船舶在营运过程当中，船体结构经常要受到一种严重的瞬态突加载荷一流固冲击载荷的作用，在动压力的作用下，不仅板架中的板和纵骨有可能发生局部屈曲，而且在载荷足够大时，板架也可能出现整体屈曲。船体上甲板的这种动力屈曲已经被实船证实。尤其近年来，随着高强度钢的越来越广泛地应用，使得船体结构越来越薄，结构的屈曲问题也就越发突出了。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多有限元域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。目前有限元法在船舶结构分析中的应用逐渐向更深、更细的方向发展。如在大型集装箱船整船结构强度分析的分工况计算和应力合成技术的有限元计算分析；基于模型试验和非线性有限元分析的面向设计的船体极限强度分析的改进解析方法。在以往的船舶研究中，更多的是利用专家的经验公式，然后进行实验，这样的方法往往会耗费很多的时间以及大量的人力和物力，并且会因为繁琐的操6筇= 璋船舶结构分析及有限元法作中菜一个微小的失误影响结果的精确挫，带来了成本的上升。参数化建校的思想和计算机在计算时的快速性和精确性使解决上述的问题变为可能。将船舶研究中专家的经验制作成帽关的求解器，使用有限元方法以及c a e 软件作为已有专业求解器的前后处理上的优势，利用参数化建模的思想研究人员只需要提供重要的参数，这样大大提高了船舶研究的效率，使研究人员可以将更多的鞘力投入到对结果和数据的分析，选取最优的方案。岱iz _ i 船舶中舱段有限元模科f i 9 2 - lf e m m o d c l o f s h i pc a b i n2 3 结构分析的网格要求划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题鞍多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建立j f 确、合理的有限元模型，这里介绍划分网格时应考虑的一些基本原则。1 网格数量网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，阿格数量增加r 计算精度会有所提高但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应投街两个因数综合考虑。2 网格疏密网丰 疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点一在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。3 单元阶次许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。选用高阶单元r 提高计算精度，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度江南大学硕士学位论文和时间。4 网格质量网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会中止计算。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。5 网格分界面和分界点结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让边界条件来适应网格。6 位移协调性位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。7 网格布局当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性( 如集中质矩阵对称) 。8 节点和单元编号节点和单元的编号影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。但对复杂模型和自动划分而言，人为确定合理的编号很困难，目前许多有限元分析软件自带有优化器，网格划分后可进行带宽和波前优化，从而减轻人的劳动强度。2 4 网格处理平台及工具美国m s c 公司的p a t r a n 软件平台是世界一流的计算机辅助分析前后处理器，具有快速的几何建模、通用有限元网格划分和方便的边界条件和材料特性定义的前处理功能，以及强大的有限元分析结果、可视化后处理功能。但实际的工程应用都有其工程领域的专业特殊性，这些特定的专业应用领域希望有特定的功能和用户界面。m s c p a t r a n 作为一个优秀的前后置处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性。模型处理智能化：m s c p a t r a n 使用直接几何访问技术( g d a ) ，能够使用户直接从其他的c a d c a m 系统中获取几何模型，甚至参数和特征，减少重复建模。自动有限元建模：m s c p a t r a n 提供了自动网格及先进的映射网格划分功能，使用户快速完成他们想做的工作，同时也提供手工和其他有限元建模方法，以满足不同的需求。8第二章船舶结构分析及有限元法分析的集成：m s c p a t r a n 提供了众多的软件接口，将大部分著名的不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供了公共的环境，这样可以使用户不必担心不同软件之间的兼容问题。用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断。用户可自主开发新的功能：用户可将m s c p a t r a n 作为自己的前后置处理器，并利用强大的p c l 语言和编程函数库把自行开发的应用程序和功能针对特殊要求开发的内容直接嵌入m s c p a t r a n 的框架系统，或单独使用，或与其他系统联合使用。分析结果的可视化处理：m s c p a t r a n 丰富的结果后处理功能可使用户直观的实现所有分析结果，从而找出问题所在，快速修改，为产品的开发赢得时间，提高市场竞争力，m s c p a t r a n 能够提供图、表、文本、动态模拟等多种结果形式，形象逼真、准确可靠。m s c 专门提供了二次开发语言p c l ，即m s c p a t r a nc o m m a n dl a n g u a g e 。这个命令语言是集成于m s c p a t r a n 中的一个高级化、模块化结构的全功能计算机编程语言和用户自定义工具，类似于c 语言和f o r t r a n 语言，具有标准c 语言的几乎全部功能，可以编制具有m s c p a t r a n 风格特色的m o t i f 界面或生成专用应用程序，它提供了丰富的表格和菜单库以及大量的有限元前后处理函数，供用户集成自编开发的分析程序或特定的图形界面于m s c p a t r a n 软件系统中。目前p c l 的二次开发水平以美国为最高，他们一是拥有大量的核心源代码，二是有众多的c a s e 工具可以利用。开发队伍除了m s c 总部以外，主要集中在航空、航天、造船、汽车等行业的领导型企业的软件开发部门。但相对而言，他们还没有把p c l 开发作为一项软件开发服务来看待，只是为了解决各自领域或部门的具体应用。用p c l 进行二次开发，一般以软件工程中结构化设计方法为主，这是和p c l是一种类似于c 语言的语言相适应的。开发时，也应遵循软件工程的软件生命周期管理模式，即先在完成样本模型分析的基础上写出需求分析，然后做系统设计，这包括界面设计和算法设计、紧接着可以编写p c l 代码、调试，最后是用户测试和验收。m s c 公司并没有提供集成的开发环境，因此，正如前面所说的，为了提高开发效率，需要搭建一个p c l 的二次开发环境。通过前人的不断实践，形成了一套系统地开发方式，建立了如图所示的开发环境：9江南大学硕士学位论文版本控制系统i 文档模板矗j文档i 文档模板i，代码产品l 代码规范j i编辑f 二编译函数厍、_ 、一l 测试lb u g 管理图2 2 p c l 二次开发环境f i g2 - 2p c ls e c o n dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tp c l 二次开发解决方案，是对c a e 全过程支持，涵盖了从g e o m e t r y 、m e s h i n g 、l o a d s b c s 、m a t e r i a l 、p r o p e r t i e s 、a n a l y s i s 到r e s u l t 的编程开发。p c l 二次开发又具有多种应用模式，包括从专家指南型界面的开发、自有计算模块的集成、c a d c f d c a e 和p a t r a n 的接口到行业化的垂直产品开发。通过p c l 二次开发，来集成行业应用经验，已经在航空航天、汽车、船舶、电子等领域取得了不少的成果。1 0第三章船舶结构分析的网格划分技术第三章船舶结构分析的网格划分技术3 1 通用有限元网格划分结构网格的主要拓扑形式有以下几种形式之外，还有m p c 原来描述其它的单元形式，如焊点、焊缝等i , 4 h 。1llb a r1 一q u a d么全参南车多t a tw o d g o图3 - 1 结构网格的主要拓扑形式f i g3 - 1m a i nt o p o l o g yo fs t r u c t u r em e s h主要划分方法有：1 ) i s o - m e s h 。可划分线，面和体，用户对网格有很高控制，如：指定参数方向上划分数，选择划分模式，控制每结点位置。它的缺点是只适用于简单几何。须把b - r e ps o l i d 或t r i m m e ds u r f a c e 转成简单几何；几何内硬点( h a r dp o i n t ) 、硬线( h a r dg e o m e t r y ) 是无效的。2 ) p a v e r 。能划分任意曲面，用户对网格的控制度不如i s o m e s h ，只能用网格种子( m e s hs e e d ) ，网格尺寸( g l o b e ll e n g t h ) 等控制。它能识别曲面内部硬几何。3 ) t e t m e s h 。对任何实体，自动生成四面体网格，可用m e s hs e e d ，曲率半径等控制网格。s w e e pm e s h霹扎p a v e dm e s ht o t r a h o d r a lm e s h图3 - 2 网格划分方法及其网格模型f i g3 - 2m e s h i n gm e t h o da n df e m常用的网格疏密控制有：1 ) m e s hs e e d 法。用于控制某边上网格疏密，如均匀撒种子，等比撒种子，双等比方式撒种子，曲率半径撒种子，它对三种网格划分器均有效。2 ) s u r f a c ec o n t r o l 法。只对t e t m e s h 有效，控制面上网格蔬密，要求输入曲面( s u r f a c e ) ，该曲面上单元长度。3 ) g l o b a le d g el e n g t h 法。无网格控制时，i s o m e s h 、p a v e r 和t e t m e s h 用g l o b a le d g el e n g t h 确定单元大小。4 ) h a r dg e o m e t r y 用硬点或硬线来控制。5 ) 最长，最短边长。网格所有边长落在m a xe d g el e n g t h 和m i ne d g el e n g t h 间。6 ) 曲率半径( c u r v a t u r ec h e c k ) 根据曲率变化调整疏密，保证m a x ( h 1 ) 小于给定值i 【：由人学硕i + 学位跄史固图3 - 33 0 万吨油船船体有限冗模型f i g3 - 3f e mo f 3 0 k t t a n k e r一3 2 边界单元识别闰3 4 油船舱室及内部细节f i g3 4 c a b i no f t a n k e r船舶结构设计前期要建立船舶的有限元模型并反复进行合理化分析计算。日前聚用整船有限j i 模型对人型船舶进行船体结构强度苴接讣算f l 勺技术已日趋成熟，也已被并人船级杜所制定和采用【2 9 川，在进行j f 确的总强度弯矩和剪力的加载、调整和惯性下衡之前，还婪币确进行i 维有限元模型的建模以及参与特定分析的计算单元的提取，这样爿能获得l f 确的训算结粜。对船舶模型进行局部结构j f 曲强度评估有限冗分析时，添加载荷有时只足针对船舶有限元模型的舱壁、舷侧、内外底和甲板卜的有限元叫格，包括叫边形竹儿三角形单，i 和粱单元( b a r单，i 或筋单正) 。但足，幽内外尚没有软件能够实现自动从船月n 有限j 亡模型l 1 提取出舱壁、内外底和甲板i ：的有限元嘲格单元。从模型中划分j l 这些部位卜的网格单元，当前的方沾还只限于从模型l | 手工提取，操作繁琐，耗时较长，效率低且易出错。根据材料的力学特性，船舶模型的设计人多数采_ l i 内外裂层结构( 例如大型油船) 在双层底和双层纵舱壁之削嵌入加强板、加强筋和纵骨等j 1 j 于加崮的材料。船舶有限j j 模型单元个数数量较人，大型船舶有限元模型的竹元个数超过数十万网格单兀之 f i j 的拓扑关系也比较复杂，这些边界竹元巾靠人工进行分离，每艘船的模型耗时都存九个小时以卜，对模型结构稍作调整叩需重新划分，严重影响船舶设计阶段的分析效率m j 。为避免重复矬模的繁琐劳动本节以有限元前后处理分析软件m s cp a t r a n为r 台”，借助p c l 讲占，研究出具体的算法对模型的有限元网格进行识别。但足人型船舳柯限儿模型的有限儿单元个数数最庞大，在对模型单元识别过程第三章船舶结构分析的网格划分技术中，理清单元之间的拓扑关系比较重要，另外，要对每个单元操作多次，运算量较大，采用普通的算法对大型船舶模型进行处理，往往效率比较低。因此文中根据向量法对船舶有限元模型网格单元进行标识，根据用户提供的模型内部一点p ( x ，y ，z ) 、一个符合条件的起始单元s t a r te l e m e n t ，自动识别船舶有限元模型中全部满足条件的网格单元，并根据起始单元的法向量对找出的单元分组以便作进一步分析计算。对有舱口的模型自动加上舱口盖并划分好有限元网格，且设计出人性化界面易于操作。结果表明，这种自动识别系统的开发，能够准确的识别出舱室的边界网格单元，进而大大提高工程技术人员的分析效率。3 2 1 系统设计本节以散货船为实验模型对3 d 舱室边界单元自动识别系统进行设计和开发，分析人员只需在参数输入界面上输入要识别舱室内部一点p ( x ，y ，z ) 及舷侧上一个起始单元，该系统即可从起始单元出发依次查找出舷侧、内侧板、内底和横舱壁，由顶凳和底凳过渡到甲板和外底。某个舱室查找完毕由程序将该舱室所有边界单元保存在m s c p a t r a n 数据库内。分析人员即可在舱室单元上添加载荷以作进一步分析计算。系统流程图如下：图3 - 5 舱室识别系统流程图f i g3 - 5a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o no fc a b i ns y s t e mw o r k i n gp r o c e s s1 3江南人学颂f 学位论文3 2 2 系统实现奉节所讨论的船舶结构屈曲强度校核分析计算，只需要在船体结构边界_ 卜的四边形或三角形面嘲格上添加载荷，所以程序在检索单元时首先将筋单元过滤出来单独处理，作为计算的辅助信息存于m s c p a t r a n 数据库。虽然散货船只有三个舱室，忸其有限元模型结构相对比较复杂，甲板上宵舱口，横舱瞳是槽形舱壁且有到顶凳和底凳的过渡单元，所以船体上这些部位的宵限元网格不适合作为起始单元，散货船舷侧结构为单层通过顶边舱斜板和底边舱斜板分别与甲板和内底相连，另外舷侧上的有限元心格单，b 的法向量通常和坐标轴相一致，宜r 作为基准向量米判别模型中的网格单元是否为边界单元，并且可以通过顶边舱斜板和底边舱斜板过渡到甲板和内底，因此，整个识别系统要求给出的起始单，i 必须在舷侧上，位于顶边舱斜板和底边舱斜板之问的任意网格单元。舱室识别顺序如下幽所示：翻3 - 6 敞货船边界单元识别顺序f i g3 4 ii d e n t i f y o r d e r o f b u l kc a r d e r s散货船有限，i 模型中，绝大多数刚格之f n j 的拓扑关系相对比较同定，有公共节点的有限元网格法向量平行、垂直或呈一定锐角，根据有限元网格的这特性，木立研究出种通用算法，实现由个已知边界单元出发矗找出舱室内所有法向量与起始单元法向量平行且没有阻塞单元丰隔的舱审边界单元。找出一块扳上一小块区域内的边界单元后，由士控程序根据已让 别出们边界巾冗，判别出和已知边界单元棚邻接的一组单，作为起始单元，循环调用查找无阻塞小块边界单元算沾直至找出整块板上的边界单元3 “。各块板匕的扶强材啊格单元法向帚均与边界单元法向量垂直，呵以由通片j 小块无阻塞边界单元谚 刷算法过滤出。计算模型巾每个网格单元的法向量p c l 伪代码表示如下：国詈耋室一第二章船舶结壮j 分析的网格划分挫术f u n c t i o n g c t _ c l c mn o r m a l ( e l e m i d ，n o r m a lx 嘲i n t e g e re l e mi d 1 n p u t + r e a ln o r i t l a lx y z o o u t p u t g e te l e m e n tn o d e sb ve l e m j dg e tc o o r d i n a t e so f t h r e e n o d e sc r e a t ep a n c v e c i o r b yc o o r d i n a t e so f t h r e e n o d e sc o m p u t e s t h ec r o s sp r o d u c t o f t w o3 - d i m e n s i o n a l v e t o ra r r a y si f ( v e c j e n 肿睁0 ) t h e n + 计算法向城+ n o r m a l _ x y z o = n o r m a lx y z o v e c _ l e n g t he n d i fe n df u n c t i o n系统首先将起始单元的法向量定义为基推向量，从模型一侧舷侧开始识别，找出顶边舱斜板和底边舱斜板上的起始边界单元， f 底边舱斜板找出内底| 二的边界单元，然后过渡到另一侧底边舱斜扳、舷侧和顶边舱斜板。每识别出一块板上的边界单元，都由系统的主拄程序分组保存到m s cp a t r a n 数据库中加以标记【3 3 1 ，释放主程序内存提高识别效率，并把基准向量初始化为新的边界起始单儿的法向量。山t 程序通过若干次循环，查找出邻接起始m 元，完成两侧横舱壁、顶凳和底凳l ：边界乖元的泌剐。取山舷侧上已识别出的边界单元，向上过渡到甲板为 f 1 板添加舱口盖，划分有限元网格，向下过渡到外底最终完成整个舱室的边界单元珏 别。3 3 算法描述3 3 1 无阻塞边界单元识剐算法该算法实现根据片 户从参数输入界面上给m 的某个舱窀舷侧上一个起始睢几6 “”一；舱室内空间一点p ( x ，m z ) ，u ! 别卅以5 胁蒯为起点的没有被任何阻塞单元碥丌的边界单元怔m 驯j 。今夕图3 7 小块边界单元识别算法流程f i g3 - 7 l d e m l f y p r o c c s s o f p l a l ee l e m e ms t e p l 变景初始化：将起始单元加入边界单元集合，声明变量_ l j 于保存法向量垂卣于边界单几分别位于舱室内部和舱宅外部的单元集合，根据单元任意三个江南大学硕l + 学位论文节点p l ，p 2 和p 3 山公式( 4 1 卜公式( 43 ) 求得起始单元的法向量作为基准向量；s t e p 2 搜索与起始单元邻接的所有单元保存在慨m j 集合中并过滤出筋单元；i ( ，“：j = r ( h z 】一 ( x ，y ，= )( 31 )i ( ，n ，= 2 ) = ( h ：) 一n ( y ，二)( 32 )a ，z ，= i 。i = ；l。，= 驯：圳：球s t e p 3 利用公式( 4 1 卜公式( 4 3 ) 计算出慨m 呐j 巾每个单元的法| ；| 晕，根据公式( 44 】求得单元法向量和基准向量央角，过滤掉法向量垂直于起始单冗的非边界。“黹s t e p 4 对性蛔“_ 进 r 判别，若满足f 列限制条件，则为边界嘲格巾元：1 与已知边界单元集合中的单元两点邻接：2 单元法向帚和基准向量夹角为0 ( 平行) ；s t e p 5 符合条件的边界单，i 放入边界巾元集合，g o t os t e p 2 ，若s t e p 4 巾找不到新的边界嘲格单元则算法结束。3 32 舱壁判剐算法改算法用于判断某个单元是否为舱室舱黯上的荦元，即用于削别是甭已经查找出整块扳上的所有边界m 格单元。识别舱室边界单元时，若已u 别出的边界单元叫周邻接竹元均足舱壁则该块板上查找完毕。幽3 - 8 舱壁示意吲f i g3 - 8 c a b i nb o u n d a r y d e m e n ts k e t c h m a ps t e p l s t e p 4 与算法33 1 丰h 同，在识别出法向量承直于基准向晕的网格单第三章船舶结构分析的网格划分技术无后进步判断是台为舱壁：s t e p 5 对o e l e 卅，t 咖进行判别，若满足f 列限制条件则为舱窀舱肇e 的网格单正：1 与己知的边界单元集合中的单元两点邻接。2 法向量与基准向量夹角为t t l 2 ( 垂直) 。3 按照基准向量的方向进行统计两点邻接州格单元层数n ，若1 1 ) n ，则唆单元为舱壁上的网格单冗。n = 船的长度，( 网格单元尺寸舱室个数)3 3 3 搜索邻接面韧始单元算法泼算法在完成一整块舱壁议别之后执行，实现根据已知舱室上一块舱壁上的所有边界单元判别出与其邻接的所有舱壁上的起始网格竹元，叩用于识别完一舱壁上的边界单元后向其它舱壁过渡。算法的输入为一侧舱壁上的所有网格单元，输出j 该舱壁邻接舱壁上的起始单元。一口毯h3 - 9 搜索邻接面初始单元算法流程f 9 3 - 9 i d e n t i 竹p