基于MSC.Patran的艙室識別程序開發(fā)

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(1.中國船舶科學研究中心，無錫 214082;2.中國船級社，北京 100007)

國際船級社協(xié)會開發(fā)的協(xié)調(diào)后的《共同結構規(guī)范》(HCSR)，預計將在2014年生效[1]。國際上各大船級社都針對HCSR規(guī)范研發(fā)了相應的校核軟件[2～3]。HCSR規(guī)范中對于腐蝕屬性的創(chuàng)建、屈曲、屈服和疲勞計算的載荷加載，都和艙室空間的類型、結構類型、內(nèi)部構件單元以及艙室特性相關。基于PATRAN用手工搜索結構的網(wǎng)格單元和艙室空間的邊界單元，操作繁瑣。在整個規(guī)范校核軟件系統(tǒng)中，艙室空間自動識別程序是系統(tǒng)準確性與否、性能高低的關鍵之一。此前正基于船舶有限元結構模型對艙室空間識別技術發(fā)出了3D艙室邊界單元自動識別系統(tǒng)[4]，實現(xiàn)了根據(jù)舷側(cè)上任意一個起始單元和艙室內(nèi)部任意空間一點，自動識別出艙室的所有邊界單元。但該系統(tǒng)識別的整體效率不高，需要人工干預的地方較多。在HCSR規(guī)范中，極有可能要求對船中以外區(qū)域和艏、艉貨艙模型進行評估分析，而艏、艉部的艙室模型型線的變化比較復雜，并且每個艙室空間的邊界單元都需要定義出來，原系統(tǒng)需要輸入艙室內(nèi)部任意空間一點，導致需要輸入?yún)?shù)的工作量較大，因此原系統(tǒng)已不能適應新的規(guī)范體系。所以，開發(fā)改良了艙室識別程序，以期能夠快速、準確地識別出艙室的結構、艙室或者空間的邊界網(wǎng)格單元，以提高審圖效率。

1 設計與實現(xiàn)

1.1 框架設計

根據(jù)一些模型的參數(shù)和結構的位置特性，實現(xiàn)把一些位置特性明確的結構自動識別出來，并提供人工干預的方式實現(xiàn)復雜結構和位置特性不明顯的結構的識別。結構識別針對船中區(qū)域，包括了甲板、外殼、內(nèi)底板、底邊艙斜板、頂邊艙斜板、頂邊艙垂直板、雙層底縱桁、底凳斜板、頂?shù)仕桨宓冉Y構，結構識別完成后每個單元只屬于一個結構。非水密結構(non-tight)需要分析人員手工定義。基于拓撲學有關原理，結合CAE模型和CAD模型優(yōu)勢，將基于單元的CAE模型轉(zhuǎn)化成基于面的CAD模型來處理，采用“切分拼接”的方法實現(xiàn)艙室空間的識別。程序涉及到的結構名稱、艙室類型及名稱等信息以配置文件的方式封裝到程序后臺，由程序統(tǒng)一管理。程序框架見圖1。

本文只針對結構識別和艙室識別做相關闡述。

1.2 結構搜索

1.2.1 算法設計

本文提及的結構識別方法以模型參數(shù)和結構的位置特性為基礎。例如根據(jù)模型的橫剖面參數(shù)，計算出外殼、甲板、內(nèi)底等結構的位置信息，然后隨機搜索到一個符合條件的網(wǎng)格單元，即可以實現(xiàn)自動識別結構并創(chuàng)建分組，見圖2。

通過PCL編程實現(xiàn)自動從起始單元開始，通過公共節(jié)點、公共邊和網(wǎng)格單元之間的拓撲關系，搜索相臨單元，不斷循環(huán)搜索，直至完成一個結構的識別。對于平面結構如甲板和內(nèi)底等，可用單元的法向過濾掉與目標結構垂直或成一定角度的單元。

圖1 程序框架

圖2 結構識別

對于槽型橫縱艙壁，加入相接單元的公共邊同時存在3個單元或以上的限制條件即可。針對不能通過位置判斷出來的，可以結合手工判定，盡量減少手工調(diào)整的工作量，最終實現(xiàn)整個模型的結構識別。程序識別流程見圖3。

結構網(wǎng)格單元自動識別后，保存在相應的結構組中，可以根據(jù)結構之間的相連或相交關系自動把結構切分成多個塊(面)，在艙室識別時用于拼接。

1.2.2 模型數(shù)據(jù)

根據(jù)船型給出剖面參數(shù)，在模型的剖面參數(shù)基礎上進行結構自動識別，圖4為一道和兩道縱艙壁油船的橫剖面，單弦側(cè)和雙舷側(cè)散貨船的橫剖面參數(shù)類似，橫艙壁位置處的結構還需要模型的縱剖面參數(shù)，例如橫艙壁橫向位置(x)。

一道和兩道縱艙壁油船參數(shù)需如圖4所示的d1、d2、d4(d3)、h1、h2、h3和艙壁位置。

以甲板上的起始單元 為例，起始單元坐標范圍確定方法見式(1)～(4)，遍歷模型中的單元，找到單元型心坐標符合該坐標范圍的任一單元即可。其余結構起始單元確定方式可類推。

圖3 結構識別流程

ElemstartPx={x|x∈(-∞,+∞)}

(1)

ElemstartPy={y|y∈(0,d1+d2)}

(2)

ElemstartZt=h2+h3+h4

(3)

ElemstartPz={z|z∈(zt,zt+h5)}

(4)

1.2.3 效果統(tǒng)計

結構識別針對油船和散貨船船中區(qū)域，包括了甲板、外殼、內(nèi)底板、內(nèi)殼板、槽型縱艙壁、槽型橫艙壁、底邊艙斜板、底邊艙橫隔板等結構。結構識別完成后模型中的每個單元都應該屬于且只屬于一個結構組。根據(jù)橫剖面參數(shù)，油船船中區(qū)可自動識別的結構見表1，散貨船可自動識別的結構類似。

圖4 一道和兩道縱艙壁油船模型橫剖面

表1 識別對象

據(jù)對某油船實船船中區(qū)有限元模型的研究，模型中包含結構14個，由橫剖面參數(shù)判定出起始單元，進而可實現(xiàn)自動識別網(wǎng)格單元精度為100%的結構可達10個，占結構總數(shù)的比例近70%。相對與純手工提取結構單元，減少了驗船師的手工操作。但因自動搜索需要對模型大量單元做空間位置的判定，結構自動搜索算法耗時較長，以手工干預的半自動方式將結構逐一識別，效率相對較高。

1.3 艙室搜索

1.3.1 算法設計。 切分拼接方法原理為：首先切分模型，把模型切分成一塊塊沒有被分割的面，即沿著任何兩個相交構件的交線切分；然后通過兩面確定第三面的組合方法，將面拼接成空間。先利用模型中的自由邊(Free edges)對內(nèi)部結構單元進行過濾，和自由邊關聯(lián)的單元必定是內(nèi)部構件而非艙室空間的邊界單元，其中特殊結構上的開孔需特殊處理；然后根據(jù)構件之間的相交關系對模型進行切分(見圖5)，將圖中所示切分出的一系列單元組(1～10)定義為“面”，最后依據(jù)三維立體幾何的性質(zhì)將切分出來的面拼接成艙室空間。

圖5 切分示意

根據(jù)三維立體的幾何性質(zhì)，任何兩個相交(有公共edge)的面可以確定第三個面，其中第三個面必須滿足如下特征：分別與這兩個面相交且不交于同一交線，也即第三個面的兩條邊分別和已定的兩個面是公共邊。如圖6，面a和面b相交，面c分別與面a和面b相交且不交于同一交線，由此得出面c是屬于該三維艙室空間的邊界。圖6為實際模型中的3個相關面的拓撲關系。

圖6 拼接示意

1.3.2 程序流程

艙室單元搜索的核心算法類似于結構單元搜索。程序流程為：首先將模型切分為若干塊沒有被分割的面，即初始化。切分面采用以下幾種方法：①不過濾自由邊(不進行預處理)直接切分；②過濾自由邊關聯(lián)的內(nèi)部構件單元之后切分；③按水密結構的相交關系切分；④按自定義結構相交關系切分。為了提高程序的效率和保證Patran的運行穩(wěn)定性，模型切分產(chǎn)生的“面”輸出到數(shù)據(jù)文件中，并對每個面加上ID編號，由程序管理。

采用上述的算法原理，根據(jù)指定的任一屬于艙室空間邊界的單元作為起始單元，將切分出的面再拼接成艙室空間。其中對于槽型艙壁將Edges的兩個端點近似看做一條邊。程序流程及主界面見圖7。

對于選定的起始單元，若起始單元所屬的結構屬于惟一的艙室，則識別出的艙室空間較為準確，若起始單元所屬的結構屬于兩個艙室，則可以再選擇相鄰相交結構上的一個單元作為起始單元。

圖7 艙室空間搜索流程

1.3.3 法向分組

依據(jù)HCSR規(guī)范進行結構校核時，需要對艙室的邊界單元根據(jù)不同的法向加載不同的設計載荷。為方便規(guī)范校核軟件系統(tǒng)中載荷的自動加載，該程序開發(fā)了對艙室邊界單元進行法向分組功能，實現(xiàn)根據(jù)指定的法向向內(nèi)的單元，將艙室邊界單元分為法向指向艙室內(nèi)部和外部兩組，并在Patran中用高亮和標注的方式顯示。法向分組見圖8。

圖8 法向分組

1.3.4 內(nèi)部構件識別

艙室的內(nèi)部構件與邊界扣除的腐蝕量不同，依據(jù)規(guī)范扣除相應的腐蝕余量時，需要將艙室的邊界單元和內(nèi)部構件單元分別處理。因此，完成艙室邊界單元識別和法向分組后，還需結合艙室邊界單元，搜索艙室內(nèi)部構件單元。艙室內(nèi)部構件識別方法，主要是根據(jù)單元和艙室邊界單元的拓撲關系，即根據(jù)Edge是否和艙壁相連進行判定。相連關系的判別依然基于艙室邊界識別初始化時切分出的面。

2 實船驗證

基于MSC.Patran平臺，使用Patran Command Language(PCL)作為開發(fā)語言，根據(jù)上述思想開發(fā)了船舶艙室空間識別程序。經(jīng)對某油船實船的有限元模型進行測試，可以實現(xiàn)模型的合理切分并有效識別出艙室空間。見圖9。

圖9 兩道縱艙壁油船艙室空間

3 結論

1)基于切分拼接的方法開發(fā)的艙室識別程序，能夠快速準確地識別出油船和散貨船平行中體區(qū)的大部分艙室或空間的邊界網(wǎng)格單元。

2)與筆者此前基于艙室內(nèi)部一個坐標點和一個起始單元的方法開發(fā)出的3D艙室邊界單元自動識別系統(tǒng)相比，程序整體運行效率和識別精度有了明顯提高，并且需要人工干預的地方明顯減少。

3)設計開發(fā)的艙室識別程序在艏部和艉部模型中同樣適用，但是識別的準確性要低于平行中體區(qū)的模型，需要進一步深入研究。

4)此程序已經(jīng)作為一個功能模塊納入CCS的HCSR規(guī)范校核軟件體系中，在一定程度上減輕了審圖驗船人員的繁瑣重復勞動，提高了審圖效率。

[1] 徐 華.HCSR的隱形機會[J].中國船檢,2011,(2):32-35.

[2] 佚 名.IACS發(fā)布雙殼油船和散貨船協(xié)調(diào)共同結構規(guī)范(HCSR)[J].船舶標準化工程師,2012,45(5):16-16.

[3] 殷 毅. HCSR軟件彰顯硬實力[J]. 中國船檢, 2012,(9): 29-31.

[4] 單威俊,李 峰. 船舶模型邊界網(wǎng)格單元識別技術研究[J]. 計算機工程與設計, 2008, 29(10): 2652-2654.