哈船---MSC.Patran船舶结构建模中的一些实用技巧

1、2003年MSC.Software 中国用户论文集MSC.Patra n船舶结构建模中的一些实用技巧陈国龙哈尔滨工程大学船舶工程学院MSC.Patran船舶结构建模中的一些实用技巧Applied Skills in Modeling a Whole Ship Using MSC.Patran陈国龙（哈尔滨工程大学船舶工程学院）摘 要：结合本人的实际建模与分析经验，本文就采用大型有限元软件MSC.Patran进行船舶全船建模过程中的一些实用技巧进行了总结，指出了软件的Group、List等功能在建模中起到的事半功倍的作用，并对Tools工具集下的有关工具的使用进行了介绍。关键词：船舶，结构分析，

2、MSC.Partan，有限元建模Abstract:Accord ing to practical experie nces in modeli ng and an alysis using MSC.Patra n,some skills in modeling whole ship structure using MSC.Patran are proposed in this paper, the importa nt role the Group fun cti on and List function play ing in modeli ng a whole ship structure

3、 are poin ted out, and the uses of tools in Tools menu are in troducedKeywords: s hip， structure analysis, MSC.Patran， FEM model1. 概述随着当今船舶工业的发展，船舶向着大型化和专业化发展。为了满足不同用途船舶的不同需求， 不同种类的船舶都有其各自的结构特点。各国的船级社都针对船舶结构设计开发了自己的结构设计 软件，这些软件具备从结构的初步设计到强度校核的比较完备的功能。但这些软件都是针对各种成 熟船型，不能完全满足针对特殊用途的特殊船型船舶（例如双体船、小水线面船舶

4、等）的设计与强 度校核的需要。因此在对这些特殊船型船舶进行结构强度计算和动态特性分析时，往往求助于比较 成熟的、结果能够得到专家认可的通用有限元分析软件。MSC.Patran因其方便快捷的前后处理功能，与其相连的有限元解算器MSC.Nastran功能的全面性、求解问题结果的准确性，得到了许多设计单位的青睐，成为进行船舶结构设计与强度校核的有力的辅助工具。采用MSC.Patran系列软件进行船舶结构的设计与强度校核时，首要问题是对目标结构的合理的 有限元模型化。船舶结构是大型的板-梁复合结构，为了保证船舶的特别是特殊用途船舶的整体性 能，许多船舶具有比较特殊的外观结构；同时，船舶结构内部因为装载

5、、稳性和人员工作等需要， 划分了许多舱室，每个舱室都有可能在一些局部因特殊目的而具有特殊结构特点。这些结构上的复 杂性使船舶整船建模繁琐而困难。其次，船舶工作时所处的环境复杂，本身装载条件也是不断变化， 造成进行船舶结构强度校核时对于结构载荷与边界条件处理上的困难。MSC.Patran本身具有的几何建模与有限元网格划分、边界条件的处理、载荷的定义与组合功能可以较好地解决这些难题，但要 求建模的操作者对于MSC.Patran建模环境与软件提供的一些工具有一定的了解，具有一定的实际建模经验。在本文中，结合本人对一艘穿浪双全船全船建模的过程，总结了一些建模中的经验，希望 与有经验的人士互相交流，并能

6、对初学MSC.Patran的人士有所帮助。2. 船体几何模型的建立许多常规商用船舶（散货船、集装箱船和油轮）在船体纵向中部具有很长的一段平行中体，在 平行中体的范围内，其外部轮廓没有变化。此时。可以通过建立一个舱段的几何模型，将此舱段的 几何模型通过平移（GeometryTransform ）功能，来得到整个平行中体范围内的几何模型。但对于船 舶的艏部与艉部，由于球鼻艏和螺旋桨艉轴架结构的存在，使线型变化比较剧烈，此时必须按照型 值进行逐渐的建模。对于穿浪双体船来说，船长较短，无论从纵向还是从横向来看，线型变化都较 大，无法象常规船舶一样通过建立局部结构并将其平移来得到全船大部分的结构模型，必

7、须按照结 构的型值表分步进行建模。常规船舶大部分几何结构可以视作简单的平面或曲面（代表船体外板）与曲线（代表船体桁材、 梁、各种支骨）的组合。但对于穿浪双体船等具有非常规外形的船舶来说，其几何结构多为较为复 杂的曲面与曲线的组合。在形成这些曲面时，多采用Geometrycreatecurvespline方法先确定线型比较复杂的两个相对的边，再通过Geometrycreatesurfacecurve方法形成曲面。在形成包含于此曲面上 的骨材时，可采用先确定骨材在曲面边界上的端点，采用Geometrycreatecurvepoint方法形成直线，再采用Geometrycreatecurveproj

8、ect方法将直线投影到此曲面上形成曲线，以保证满足曲面与曲线间的关系。船舶是复杂的三维空间板架结构，在建立其几何模型时，常出现板与板的连接处出现缝隙的情 况，尤其是曲面与曲面的连接，或两个面空间立体连接时。为避免此现象的发生，在构成相连接的 面时，形成第二个面时尽量采用Geometrycreatesurfacecurve 方法，在选取 starting curve list 或 endingcurve list时，将curve的类型预设为edge （即与其相连的已形成的面上的边），以保证两个面共用同 一条边，最大限度的减小出现面间缝隙的可能。3. 有限元网格的划分在正确建立全船几何结构模型的基

9、础上，在进行强度分析前必须对结构进行有限元离散划分。 MSC.Patran软件提供了灵活的网格划分工具，可以对有限元网格的质量、密度进行控制。对于船舶的全船有限元分析，其目的主要是校核整船结构的强度，得到船舶在外加波浪载荷与 装载载荷作用下的整体应力分布，因此一般采用满足计算精度要求的均匀网格。这种网格可以通过 在原有的几何模型基础上对几何对象进行网格划分来实现（Elementcreatemesh）。对于需要控制网格密度在同一几何对象中变化的问题，可以在网格密度变化位置利用ElementcreateMesh Seed功能预设节点位置来实现。在船舶结构的有限元网格划分问题中，对几何面的网格划分工

10、作占相当大比例。MSC.Patran提供了两种对于面的自动划分网格功能：IsoMesh法与Paver方法。在建模过程中发现，对于形状规则的矩形平面或曲面，两种方法形成的网格单元形状都比较规则，aspect、warp、skew、taper属性都令人满意。而对于形状不规则的面，IsoMesh法通过利用ElementcreateMesh Seed功能预设节点位置可 以得到aspect、warp、skew、taper属性比较令人满意的单元，但对于一些形状极不规则面（在船舶 结构中某些局部位置这种面的不规则是难以避免的），IsoMesh法不能形成网格；Paver方法可以在任意形状的面上形成四边形网格，但

11、在形状极不规则面中，所产生单元的aspect、warp、skew、taper属性不能得到保证。在进行网格划分时，经常遇到相连的两个面之间、位于某面内的线与此面之间的节点相互不协 调的现象。这种不协调破坏了结构的整体性，造成在本应是一个整体的面之间存在缝隙，在分析时 出现本不存在的自由度，最终形成错误的应力结果或产生不应出现的机构变形。因此应当注意使具 有公用边的面在公用边上的结点相重合，同时使面内的曲线上的节点与面上的节点相重合。为保证 相邻两个面公用边上的节点重合，除保证面与面之间不出现缝隙外，可通过先对一个面划分网格， 在公用边上将已存在的结点定义为第二个面的Mesh Seed，来预定义下

12、一个面在公用边上的节点位置。对于在面内的直线， 首先应将其与此面相关联，成为面内硬线（GeometryAssociateCurveSurface），保证在对面划分网格时，有节点位于此线上；接下来将这些节点定义为线上的Mesh Seed，以保证对线进行有限元划分时，线的节点与面的结点相重合。在保证结点协调的前提下，使用 ElementEquivalenee命令，去除重合的多余节点，以保证结构的完整性。4. 在建模过程中Group功能的使用船舶是一个由众多板、梁、柱等结构构成的大型复杂的空间结构体。如果在建模过程中将所有 构件都建在一起，则在视图显示中各种构件交织在一起，在定义约束条件、施加各种载

13、荷与定义结 构中的非结构质量时很难查找定位需要的构件或节点，大大增加了建模的难度，使建模过程变成了 令人眼花缭乱、心烦意乱的过程。利用MSC.Patran提供的Group （群组）功能，可以在建模中对大型复杂空间结构进行分解，以位置、构件特点等为原则，对构件进行分组，使每一个组中的结构都 尽量简单并容易进行几何、单元元素的查找与选择，从而避免这种因结构过于复杂而造成的建模困 难，加快建模的速度。在开始着手建模之前，应先对所要建模的船舶结构有一个整体认识，确定所要进行的分析的范 畴（静力分析、动态分析、结构优化分析等），考虑结构所受到载荷的性质和结构受载位置，在动力分析中还应考虑对结构的动态特性

14、产生影响的非结构质量的位置与分布特点，分析结构所处的环境 对结构所造成的约束作用的形式与位置。这些都可以作为在对结构进行分组时的依据。在建立船舶的有限元模型时，最常见的分组是按剖面和舱段进行分组。先绘制船舶的典型剖面， 然后以从船首至船尾的顺序（反之亦可）逐段生成各舱段。这种分组的优点是容易确定外载荷与装 载载荷的位置，在动态分析时也容易确定非结构质量的位置与分布。同时因为船舶结构中复杂的细 部结构通常出现舱壁附近，如此分组也方便产生这些复杂结构。组的应用除了可以方便几何对象或单元对象的选取外，还可以通过对组的 Transform操作简化建模的过程。对于具有较长范围的平行中体的常规船舶来说，可

15、以首先建立平行中体中的一个舱段， 然后使用 GroupTransformTranslate命令，选择 Copy选项和移动的次数，在相应方向上进行组的平 移，从而一次性在相应的位置上生成所有的结构相同的新舱段。对于具有对称性的结构，可以只建 立一半的模型，通过GroupTransformMirror命令，选择 Copy选项，来生成对称面另一侧的半个模型。在船舶结构的角隅处有些倾斜的构件可以通过在方便的位置建立相应的结构，再使用GroupTransformRotate命令，选择 Move选项，将其旋转到正确的位置。组中的Transform命令与几何菜单和单元菜单下的Transform命令相比功能更

16、为强大。几何菜单和单元菜单下的 Transform命令只是对产生的几何对象或单元对象进行转换，对于已经划分好单元并已对单元赋加了属性，甚至已经施加了外力和约束条件的结构，并不能使这些单元属性、外力和约 束条件同时转换过去。而对这些通过转换得到的新结构赋予单元属性、施加外力和约束条件是一个 费时且枯燥的过程，对于船舶结构这种复杂的三维结构尤其如此。而组中Transform命令界面中有Transform loads/BCs和Transform Properties选项，选中这两个选项， 可以在对几何对象或单元对象进 行转换的同时，将已经定义好的单元属性和力、位移边界条件也转换到新形成的结构中，节省

17、了大 量的时间和精力。5. Tools工具集的使用在MSC.Patran中，还提供了一组工具集，位于Tools菜单下。对工具集合理的应用，可以更快捷地构建有限元模型和对有限元进行正确性检查。在工具集中，最常用到的是List功能。这一功能是对 Group功能的有益补充。虽然Group功能可以对大型结构进行分解，使对几何对象或有限元对象的选取变得容易些，但即使在单一的舱段组 中，由于众多构件的存在，选取几何对象或有限元对象也并非一蹴可就。在很多情况下，需要同时 在几个舱段甚至是整船范围内选择需要的构件。例如在对船舶的动态特性进行计算时，为计入船体 外附加水质量的影响，需要得到整船范围内位于水线之下

18、的船体外壳板上的板壳单元；在施加舷侧 波浪压力载荷时，需要找出所有波浪作用下的船体外壳板上的板壳单元等。此时如果使用List工具，则可大大减少耗费的时间。以选择整船范围内位于水线之下的船体外壳板上的板壳单元为例。通过ToolsListCreate命令，打开生成 List 的界面，选择 FEMNodeAttribute 选项，在 Attribute 中选择 Coord Value，指定 Coord Value 在船深方向的分量小于水线高度，点击Apply按钮，在ListA中得到所有位于水线以下的节点，并点击Add to Group 按钮，将结果存入一个新创建的组中；将Target List 改为

19、B，通过 FEMElementAssociate命令，指定关联目标是 Node,在Node数据框中添加所有 ListA中的节点编号， 点击Apply按钮，在ListB中得到所有位于水线以下的2D板壳单元，并点击 Add to Group按钮，将其存入新创建的组中；仿照以上的操作，将 Target List改为A，选择FEMElementProperty命令，指 定单元属性为船体外板单元的属性，点击Apply按钮，将ListA更新为所有位于船体外板上的2D板壳单元，并点击 Add to Group按钮，将结果存入一个新创建的组中。使用ToolsListBoolean命令，对ListA与ListB