基于NX的船舶有限元前處理系統研究

章志兵，林 洋，王麗榮，柳玉起

(1.華中科技大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430074； 2.中國船級社，北京 100007)

0 引言

有限元前處理主要包含建立幾何模型、網格劃分、網格單元的屬性設置等。通用的有限元前處理系統中幾何模型和有限元網格之間往往是分離的，兩者之間是通過接口程序實現數據的傳遞[1]，但是這種方式會使幾何模型的參數化特征丟失、信息丟失和冗余，幾何模型的修改需要重復轉換、幾何修補和拓撲重建等[2-3]。所以,本文基于NX平臺開發了船舶CAD和CAE集成系統，在已開發的船舶CAD系統模塊上，使用NX二次開發技術，實現了船舶CAE前處理模塊與船舶設計模塊的集成。

1 前處理系統總體設計

本文基于船舶行業提出一種新的有限元建模方法，并根據該方法開發了一套完整的船舶有限元前處理系統。該系統采用了三種模型，分別是簡化模型、多面體模型和網格模型，實現修改原始的CAD模型可以實現網格數據的自動更新。 CAE系統前處理的整體流程如圖1所示。

整個CAD/CAE軟件系統由三部分組成：船舶設計模塊、CAE前處理系統中模型的預處理、網格劃分以及屬性繼承，模型預處理主要包含模型的簡化和相交板格的切割和縫合。在船舶設計系統中進行產品建模，然后使用NX的關聯復制技術將設計模型有選擇的復制到簡化模型中。在簡化模型中進行船舶有限元的預處理(如三艙段分割、板的簡化、筋的簡化等)，為了實現劃分網格時的網格匹配，需要在簡化模型中進行相交板架的切割，再將簡化模型(B-Rep表示)轉換成多面體模型[4-5](三角形表示)，在多面體模型中進行相交板架的縫合。在網格模型中，基于多面體幾何的幾何約束進行網格劃分，最后自動賦予單元屬性。

圖1 基于NX的船舶前處理流程

1.1 模型理想化

設計模型采用的是NX的自定義特征建模技術[6-8]。模型中包含了參數化的建模信息，例如表達式、標量和其他幾何等。設計模型不僅僅為CAE模塊提供模型，冗余信息較多，在進行有限元分析時，需要將這些冗余信息刪除。所以，采用NX的關聯復制技術將所有提供給CAE分析的船舶結構復制到簡化模型中，這樣幾何的數據得到進一步的縮減。實驗測試數據簡化模型的數據量僅為設計模型的1/10左右。

簡化模型保存了設計模型所有的細節特征，而CAE用于分析，對模型無需非常精確，某些細節可以根據行業知識進行精簡或者刪除。因此，根據船舶有限元建模需求，對簡化模型和多面體模型進行簡化和修補，主要有三個方面：

(1)板理想化：船體設計中包含了大量的細長的趾端，需要使用板趾端簡化功能進行延伸和修剪，如圖2所示，在加強筋處將趾端截斷并進行延伸至下一支撐結構處。

圖2 強肋骨的簡化

趾端簡化示意圖如圖3所示。圖中，L0為趾端的長度，L為加強筋與支撐結構之間的距離。當L0/L小于用戶設定值λ時，直接將趾端刪除，如圖3a)所示；當L0/L大于等于用戶設定值λ時，首先刪除趾端，然后將趾端延伸至支撐結構，趾端前端的高度H由用戶設置，如圖3b)所示。

圖3 趾端簡化示意圖

(2)筋理想化。在簡化模型中加強筋使用理論線表示，會導致骨材與其他結構沒有連接，需要使用筋簡化功能進行延伸。筋的簡化圖如圖4所示。圖中，加強筋1、2、3理論線的端部與其他結構未連接，按照定義的規則進行相應的簡化。對于加強筋1端部附近存在兩個節點，可以直接移動筋的端點到節點位置；加強筋2因為有筋依附，可以將端部與節點連接起來，連接后的加強筋2由三段線段組成；加強筋3端部沒有節點，可以直接延伸至邊界或相交的加強筋。

模型中還會存在長度很小的加強筋，這些加強筋對CAE分析的結果影響很小，可以使用刪除筋功能對小于閾值的加強筋進行刪除。

(3)孔/弧相關。船體幾何模型中，對于一些矩形孔的倒圓角處，圓角尺寸較小，為了防止在劃分網格時出現網格不能匹配幾何邊界等情況，需要對太小圓角進行簡化處理。將線倒圓的面的輪廓進行修改，倒角處的圓角刪除，并將邊界延長線延伸至相交。孔/弧處理示意圖如圖5所示。

圖4 筋的簡化

圖5 孔/弧處理

圖5中板架上存在一個圓形小孔，在劃分網格時，會導致在孔的邊界處網格密集且細小，影響分析的質量。小孔的尺寸較小，可以直接刪除，且對分析結果影響較小；對于尺寸較大的小孔，刪除小孔時可以抽取小孔的輪廓線，如圖6a)所示。在進行單元厚度屬性賦予時，可以采用等效的方式進行開孔，從而提高計算精度。圖6b)是屬性繼承得到的厚度，孔內單元的厚度和孔外的相同，然后按照下式進行計算得到單元的等效厚度，如圖6c)所示。

t2=(∑Selement-πR2)t1/∑Selement

式中：∑Selement為孔內所有單元的面積之和；t1為單元的原始厚度；t2為等效后的單元厚度；R為孔的半徑，如果不是圓形孔，則為等效半徑。

a)抽取開孔輪廓線并刪除小孔；

1.2 板格切割與縫合

由于船舶結構設計中包含了復雜的曲面曲線，各個板架屬于獨立的結構，在拓撲上沒有連接，而在NX的B-Rep環境下很難實現不同結構之間的拓撲連接，這樣劃分的網格之間也是相互獨立的[9]。所以本文基于NX的集成環境，首先在簡化模型中進行板格的切割，記錄下切割的信息，然后在多面體模型中實現相交結構的縫合[10-12]。

步驟1：如圖7a)所示，兩個相交的結構在簡化模型(B-Rep表示)中，將兩個結構相互切割，并生成兩條相互匹配的邊，不會影響結構的空間拓撲結構。使用NX的自定義對象技術將切割生成一組邊存儲起來，以供在多面體模型中進行縫合查詢操作。

步驟2：如圖7b)所示，將簡化模型中的幾何轉換成多面體幾何表示，通過二次開發提供的查詢接口，可以得到多面體中需要合并的邊。

步驟3：如圖7c)所示，通過移動匹配邊上的三角形的頂點實現兩條邊的縫合，縫合后的效果如圖7d)所示。

1.3 網格自動劃分

為實現在保證網格質量的基礎上，快速高效地創建有限元模型，CAE平臺有限元建模功能采用“簡化模型幾何-多面體幾何-有限元網格” 的技術路線，基于多面體幾何約束快速實現網格劃分[13]。

經過一系列的簡化操作，模型中主要使用較為規整的三角形單元或四邊形單元表示。由于在簡化模型中已經實現空間相交結構的縫合操作，所以在劃分網格時，會基于縫合后邊界生成相互匹配的網格。多面體生成網格如圖8所示。在結構相交的位置單元使用公共節點連接，符合實際的有限元建模需求，避免了手工匹配網格。

圖7 多面體模型中的板架縫合

圖8 多面體生成網格

1.4 屬性自動繼承

在有限元分析之前，需要為單元設置屬性信息，但是一般都是通過手動的方式賦予單元屬性。這種方式效率低下，而且一旦設計模型修改，整個賦屬性操作需要重新完成，出現返工的弊端。本文實現了自動化網格賦予單元屬性的功能。單元屬性過程如圖9所示。

如圖9a)所示，由于船體結構較大，在創建模型時需要將大的板架使用多塊板拼接而成。在實際劃分網格時，需要忽略板縫線和分片縫，即不作為網格劃分的邊界。如圖9b)所示，在簡化模型中消除了板縫和分片縫。在劃分網格時，導致單元跨過板縫線和分片縫。如圖9c)中的E1～E6，對于這種單元，取其形心所在的板架的屬性(包括材料、鋼級、厚度、密性等)，如圖9c)中E1～E3單元形心位于D3上，設置厚度為16 mm，E4～E6形心位于D4上，設置厚度為15 mm。

圖9 單元屬性繼承

2 應用實例

利用本文開發的參數化有限元前處理系統進行實例應用，以一艘297 m的180 000噸級散貨船為對象，使用基于NX平臺開發的CAE前處理系統進行有限元建模。測試主機的配置參數：Intel Xeon E3-1230 CPU，8G RAM。

簡化模型中生成艙段模型如圖10所示。從圖中可知，首先將設計模型轉換成簡化模型，并根據船舶有限元建模的需求生成的艙段模型，艙段的板架切割耗時36 min。

圖10 簡化模型中生成艙段模型

生成的多面體模型如圖11所示。從圖中可知，將簡化模型中生成的艙段模型轉化成多面體模型，并進行多面體的縫合。多面體模型生成及匹配邊的“焊接”耗時50 min。

基于多面體模型的幾何約束，使用自動化的網格劃分工具進行網格劃分，網格的生成耗時29 min。生成的有限元網格圖如圖12所示。

圖11 生成的多面體模型

圖12 生成的有限元網格

最后使用系統提供的單元屬性自動賦予工具，設置單元的材料屬性和厚度屬性，耗時12.8 min。單元的厚度屬性云圖如圖13所示。

圖13 單元的厚度云圖

從實驗的結果可以看出，關鍵步驟總耗時約為2 h，而采用手工的方式需要數周的時間，所以該系統能夠大大縮短船舶有限元建模所需的時間[13]。

3 結語

本文基于NX11的CAD/CAE集成開發平臺實現了從CAD模型到網格模型的自動生成，能夠提高船舶有限元的建模效率。

使用簡化模型作為CAE前處理系統的輸入，一方面避免了對設計模型的直接修改；另一方面減小了模型的數據量，可以根據船舶有限元的建模需求創建艙段模型、整船模型以及細化模型等。以多面體模型作為中間模型，使用NX提供的專用模型轉換接口，將簡化模型轉換成多面體模型，同時保存了屬性信息等，實現了CAD模型到有限元網格的過度，減小了兩者之間的差距。

根據船舶中相交結構較多的特點，在簡化模型中進行相交結構的切割；然后利用切割生成的匹配邊信息，在多面體模型中進行縫合；最后在網格劃分時得到匹配的網格模型。

在前處理系統中，可以根據單元查詢到所在的幾何模型，而幾何模型保存了結構的屬性信息，這樣就可以自動賦予單元屬性，減少了手工賦屬性的工作量。

可以看出，文中針對船舶行業提出的建模方式可以推廣到更一般的有限元建模過程當中，提高整個有限元建模的效率。