滑行艇整艇參數化有限元分析程序

劉江波，姜廣煜

(1.重慶海事局，重慶 400050;2.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200135)

滑行艇整艇參數化有限元分析程序

劉江波1，姜廣煜2

(1.重慶海事局，重慶 400050;2.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200135)

針對有限元建模的參數化程度不高、生成的模型不便于修改、重復的工作量大等問題，提出船舶參數化有限元分析程序的解決方案，編寫了基于滑行艇整艇的參數化有限元分析程序，以國家標準中的實例進行驗算，并與實例結果進行對比，證明本程序是可靠的，具有一定工程應用價值。

FEM;強度;參數化;滑行艇

在船舶結構分析中引入大型有限元分析程序已經取得很好的效果，但仍存在很多不足。對于主尺度、結構形式一致的一系列船舶進行結構分析時，僅僅是構件幾何尺寸不同也需要重復建模，并且很難針對船型進行結構優化。

因此，筆者引入了參數化有限元分析程序的解決方案。該程序的主要原理是先運用大型有限元程序ANSYS二次開發語言APDL［1］實現船體結構的自動建模、自動賦值計算，然后利用編程語言VC++提供的接口對各參數和ANSYS進行集成、封裝，形成有限元計算分析程序［2］。這樣就可以使參數化分析達到避免重復工作，節約計算時間的作用，并且獲得很好的精度，也能利用多次計算結果進行結構優化。

該方案的關鍵是引入了參數化的分析思想。用參數化模塊對前、后處理都進行封裝，使有限元分析過程的全程參數化［3］。前處理模塊，對材料參數、幾何模型、網格大小、邊界條件，載荷等都利用參數化進行賦值，從而只需改變參數的賦值就可以實現自動建模，后臺計算便能實現。后處理模塊，用戶根據所需，對后處理參數賦值即可自動提出結果，打印出結果文檔。圖1是參數化有限元分析的基本流程。

圖1 參數化有限元分析流程Fig.1 Flow chart of parameterization

程序的主要工作是完成滑行艇的整艇參數化有限元分析。根據滑行艇力學特征及結構特點，提取參數，編制參數化分析模塊，從而達到相同船型、不同艇體的快速參數化有限元分析的目的。

1 程序的實現

按照 GJB 4000—2000《艦船船體規范》［4］(以下簡稱《規范》)中對滑行艇的要求，本文適用于下列特性的滑行艇:排水體積傅汝德數小于4.3，設計波高小于2.65 m，正常排水量小于300 t。

1.1 參數定義模塊

參數化有限元分析的基礎是參數定義模塊，其它功能模塊均需要使用此模塊定義的參數，正確的參數定義能使參數分析過程合理有效。參數定義模塊包括模型材料與實常數定義、結構參數的定義、網格控制參數、外載荷參數與約束參數定義［5］。對于參數是否確定分別用數組參數與變量參數來定義:如每個肋位的橫向坐標由于肋位數的不確定，則采用數組參數來定義;船長、船寬有確定數值，就采用變量參數來定義。

1.2材料賦值以及分網模塊

船體梁單元、殼單元分別選用了Beam 44和Shell 43單元。采用Desize命令定義默認的網格大小，控制幾何建模時切割命令生成的每一段構件的單元數;用Lesize命令控制每一個面邊界的尺寸并使其與梁單元尺寸配合來控制殼單元。通過上述的控制方法，最后得到了較為理想的網格質量，網格形狀99%為四邊形網格且分布均勻。另外，需要嚴格控制殼單元正法向方向與梁單元方向點。

1.3 幾何模型生成模塊

采用點、線、面的方式生成船體型表面［6］。首先利用命令生成每一肋位處的關鍵點，再用Lstr命令或者Bspline命令生成肋骨線，最后利用生成的肋骨線采用Askin命令包絡成舷側面、甲板面、船底面。最后用Aglue命令檢查面與面之間是否存在縫隙，是否在允許容差范圍內。構件則采用APDL中特有的切割功能，利用Asbw命令移動工作平面(workplane)切割船體曲面，效率高并且可靠，可以保證曲面與構件的無縫連接，減少建模出錯的幾率。需要注意是，某些時候由于滑行艇艇艏曲面曲率過大會導致建模失敗，這候只需適當加大容差即可。

1.4 約束模塊

從滑行艇的滑行模式與受力分析出發，采用了如下的邊界條件:約束艏部水平中和軸與垂直中和軸相交處的節點繞 x，z的轉動自由度［7］，x向、y向、z向的位移自由度;約束艉部中和軸與垂直中和軸相交處節點繞x，z的轉動自由度，y向、z向的位移自由度。

1.5 后處理模塊

通過后處理模塊，用戶可以快速讀取關心的結構部位應力。借助APDL語言的命令驅動［8］，對后處理采用“批處理”的手段，用戶可以節約大量時間，也可以借助不同參數結果進行比較分析。本程序不僅可以查看應力圖，還可以通過自動生成的報告得出最大的應力值;不僅可以查看船體整體應力水平，也可以查看最大節點應力。

2 程序構架與界面

2.1 程序構架

用VC++設計友好的參數輸入界面，利用Windows的消息控制功能實現對ANSYS的啟動，ANSYS運行后能執行程序提交的APDL模塊并自動讀取參數賦值，自動完成分析任務［9］。

程序主要完成的任務是:

1)接收前處理中輸入的參數賦值，按一定格式錄入txt文本中，供APDL的表格數組讀取;

2)將生成的APDL程序模塊提交給運行中的ANSYS程序進行批處理操作;

3)判斷ANSYS的批處理操作是否結束，打印結果文件，提示用戶進行后處理操作;

4)查看批處理生成的圖片以及報告。

程序構架見圖2。

圖2 程序構架Fig.2 Program structure

2.2 界面設計

用戶只需在主界面輸入必要的參數即可進行計算。使得不懂ANSYS的用戶也能使用。應用該程序進行滑行艇整艇有限元計算，大大減輕了用戶的計算工作量，提高了計算分析的效率。圖3、圖4分別是結果查看界面、參數輸入界面。

圖3 結果查看界面Fig.3 Output check interface

圖4 參數輸入界面Fig.4 Parameter input interface

3 工程應用實例

為了驗證程序的可靠性，對一型滑行艇采用開發的程序HPFEA進行整艇有限元計算。為了便于驗證結果，計算與《滑行艇艇體結構設計計算方法》［10］中例艇一致，并將計算結果與文獻［10］中的結果進行比對。

3.1 計算結果

后處理模塊可以自動生成各種應力報告文檔以及應力圖(圖5、圖6)，以便于用戶調用查看。

3.2 結果對比

《滑行艇艇體結構設計計算方法》［10］中滑行艇艙段強度有限元分析程序(PCCSFEMA)對例艇機艙進行了有限元計算，計算結果輸出為梁單元彎曲應力和軸向拉壓應力疊加而形成得合成應力。筆者選取了機艙25#(圖7)肋位處的梁單元von Mises應力與之比較以驗證計算結果的可靠性。比較結果見表1。

圖7 25#肋骨剖面計算節點布置Fig.7 Node position of frame 25

表1 結果比較Tab.1 Result comparison

從表1中可以看出，除44號單元誤差較大外，其余單元誤差均在一定幅度范圍內且變化趨勢一致。

4 結語

從工程實際應用的角度出發，以通用有限元分析軟件ANSYS為平臺，運用參數化分析方法開發了針對滑行艇的有限元分析程序。該程序可以實現自動建模，自動加載，自動輸出計算結果的功能。通過實際模型計算驗證了該程序的可靠性，并且具有一定的工程實用價值。

［1］Bush G.ANSYS Tutorials［DB/OL］.NewYork:ANSYS.Inc，2005［2005-09-26］.http://www.ansys.com/Support/Documentation.

［2］康博創作室.Visual C++6.0程序設計自學教程［M］.北京:清華大學出版社，1999:88-152.

［3］ 龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數化編程［M］.北京:機械工業出版社，2004:25-125.

［4］GJB 4000—2000艦船船體規范［S］.北京:國防科工委軍標出版發行部，1997.

［5］Muhanna R L，Ayyub B M，Bruchman D D.Uncertainty analysis of structural strength of stiff-ened panels［J］.Naval Engineers Journal，1996，108:399-418.

［6］Basu R I，Kirkhope K，Sirnivasan J.Guideline for evaluation of finite element and results［J］.Ship Structure Committee Reports，1996，387:25-28.

［7］ 朱珉虎.滑行艇的受力與強度［J］.中外船舶科技，2006，5(1):25-27.ZHU Ming-hu.Stress and strength of hydroplane［J］.Shipbuilding Science and Technology，2006，5(1):25-27.

［8］孫玉國，劉巡.基于APDL的柔性結構動態特性智能設計研究［J］.噪聲與振動控制，2003，5(2):23-24.

SUN Yu-guo，LIU Xun.Based on the dynamic characteristics of flexible structure APDL intelligent design research［J］.Noise and Vibration Control，2003，5(2):23-24.

［9］黎雪芬，黃菊花.基于PFEA法的板料成形工藝參數優化［J］.金屬成形工藝，2003，10(5):12-14.

LI Xu-fen，HUANG Ju-hua.Sheet metal forming process parameter optimization based on the PFEA method［J］.Metal Forming Process，2003，10(5):12-14.

［10］GJB/Z 31—1992滑行艇艇體結構設計計算方法［S］.北京:國防科工委軍標出版發行部，1992.

Research on Exploiting a Program to Analyze Hydroplanes FE Characteristics

LIU Jiang-bo1JIANG Guang-yu2
(1.Changjiang MSA ，Chongqing 400050，China;2.Marine Design ＆ Research Institute of China，Shanghai 200135，China)

In view of the facts such as low degree of parameterization，hard to modify，repeating work .etc.，the author proposed the solution of general routine to finish ships finite element analysis，and compiled general routine to proceed hydroplane FEA.In order to confirm the reliability of computed result，this article chose a hydroplane to carry on the computation and contrasted with result data on national standard.The contrast result showed this procedure is reliable and has the certain project application value.

FEM;strength;parameterization;hydroplane

U663.2

A

1674-0696(2011)03-0498-03

2010-11-22;

2011-01-18

劉江波(1981-)，男，四川眉山人，碩士，主要從事船舶檢驗、管理方面的工作。E-mail:paladinlau@hotmail.com。