基于VB和ANSYS的船體艙段快速建模的二次開發

周恒， 王慧， 楊樹森， 楊高勝， 邵鵬程， 楊光

（武漢船舶設計研究院有限公司，武漢430063）

0 引言

CAE（Computer Aided Engineering）計算機輔助工程如今在實際工程上有廣泛的應用，即對結構進行有限數目的離散化，開展模型的建模和有限元仿真計算，能夠有效地幫助工程人員進行相關的設計研究。ANSYS作為當前市場主流CAE軟件，能夠開展結構、流體、電磁、聲場等多個專業的計算，廣泛地應用于航空航天、汽車、船舶、機械制造等相關領域，在科研生產中具有較大的優越性[1-3]。

船體結構作為一個復雜的大型水面建筑，涉及到的船型和構件種類較多。在傳統的ANSYS經典界面采用GUI （圖形用戶界面Graphical User Interface）建模，會耗費工程人員大量的時間精力。特別是針對局部結構的修改時，前處理功能顯得十分繁瑣，重復工作量較多。ANSYS自帶APDL（ANSYS Parametric Design Language ）語言，可以將模型參數化，提高工作效率。目前已有相關人員對ANSYS軟件在起重機[4]、螺栓[5]、液壓[6]等領域進行了二次開發的嘗試[7]。本文主要針對船體艙段結構，利用VB（Visual Basic）開發工具[8-9]，對ANSYS mechanical模塊進行二次開發，實現船體結構的快速幾何建模、網格劃分、材料賦予、構件選擇等操作。使得后期船體結構模型的修改和局部調整變得簡單方便，為結構優化設計節省大量時間。二次開發軟件能夠針對一系列的船型，進行數據輸入，實現通用化建模，即使沒有ANSYS使用基礎的人員，通過二次開發軟件界面，也能夠快速完成有限元模型。

1 船體艙段ANSYS參數化驅動建模的實現過程

1.1 軟件二次開發流程

通過收集相關的船型資料，針對300～500 t的運輸船、旅游船等進行方案驗證，歸納出船舶典型艙段的結構特征，提取相關主要參數，確定建模思路，完成程序控制操作，實現參數驅動化建模。通過VB中字符和數組命令，實現參數的調用、表格嵌套和界面按鈕添加等功能，完成VB和APDL兩種語言的接口調試，形成用戶使用界面。

圖1 軟件二次開發流程

1.2 船體模型在APDL程序中的架構設計

主要針對船體艙段處的結構模型，常規的橫剖面為U形和V形的船型開展結構建模的工作。各船的肋距在500～750 mm之間不等。船體結構形式包括橫骨架式和縱骨架式、單層底和雙層底等船型。包含了甲板縱骨、甲板縱桁、甲板橫梁、舷側縱桁、船底肋板、中內龍骨、旁內龍骨等型材。常常采用角鋼、T型材、球扁鋼等作為支撐骨架。

如表1所示，以4種不同類型的船舶結構為參考，提取肋距、板厚、艙壁位置、大開口位置、加強結構、型線值等關鍵信息，轉化為相關參數變量，通過APDL語言的編制，完成模型。

表1 不同船體艙段模型的相關參數

嘗試兩種不同的建模方法，并進行優化對比。“直接法”是根據圖樣通過“描點”，直接用點點面的形式，將模型展現出來，建模過程可以做到精細化，但是通用性較差。對于需要進行變動的模型，程序語言需要重新調試，工作量較大。“分組法”可以結合船舶專業中的型值表，并在每站肋位上建立橫剖面的幾何模型，預留縱剖面位置。通過不同的小組劃分，在各個group中實現結構屬性和構件形式的選擇。它的不足之處對于較精細的結構不能詳盡地表達出來，但是針對不同船型和不同的結構實現快速的建模和修改功能。

對船體艙段結構開展有限元建模工作，對于局部細微結構往往可以進行簡化處理。考慮到二次開發軟件對通用性要求較高，因此本項目中采用分組法的思路編制APDL語言更優。

圖2 采用APDL建模的不同方法對比

1.3 ANSYS和VB接口的應用

從ANSYS中的APDL語言到VB語言中的參數接口，需要常用的命令進行程序的編制。

在APDL語言中，由點到線到面，中間的過程還涉及到大量的點的循環命令，曲線的鏈接、切割，幾何的分組和選擇，以及賦屬性等參數命令。

同理，在VB語言中需要進行文本參數的調用、表格的嵌套、界面按鈕的添加、數據的插入和ANSYS語句的連接等工作。

表2 APDL關鍵命令

表3 VB程序中關鍵命令

根據船體結構中常用的構建形式在VB窗口中完成船舶的型材庫，通過Excel表格的嵌套和輸入功能，實現船體型線的直接導入操作。具體的實現原理如圖3所示。

圖3 接口的形成

2 軟件界面操作說明

本軟件可適用于Windows XP系統和Win7等常用操作系統，在單機上運行。雙擊桌面圖標（如圖4），進入軟件滾動界面（如圖5）。

圖4 桌面圖標和軟件開啟滾動界面

圖5 主要參數界面

界面頁數可根據船體艙段大小進行增減。主要分為主尺度、材料庫、型值表導入、構建定位、模型創建等頁面板塊。

軟件分為頂層菜單欄，包括“文件”、“編輯”、“視圖”等常用下拉菜單。在“幫助”文檔中，可以查看軟件的使用方法。

實現過程如下：

1）進入主頁面，輸入船體艙段的主要參數和板的厚度尺寸、肋位間距、主要艙壁位置等信息。

2）通過材料庫輸入主要材料參數和選擇相關的型材規格，如圖6所示。

3）在EXCEL表中按照提示輸入船體型值，導入界面，如圖5所示。

4）設置船體艙段的其他位置參數，如圖7所示。

5）根據軟件窗口提示的相關信息，輸入關鍵參數后，可以點擊“創建模型”，進行建模。并在相關的保存路徑中找到生成的db有限元模型文件。

3 軟件建模和計算

通過二次開發軟件可以快速地創建有限元模型，通過相關參數在界面的修改，可以方便地完成模型的重建。圖8所示是4種船型通過在界面輸入參數完成建模的結果展示。

圖6 材料規格設置

圖7 位置參數的設置

圖8 利用開發軟件生成的不同艙段模型

通過軟件完成模型建立后，進行船體艙段結構模態的試運算。界面輸出的模型仿真與采用傳統的GUI界面建模計算的結果相同。從而驗證了二次開發軟件在大大提高工程設計人員工作效率的同時，能夠有效地保證計算精度，可以普遍地應用于工程實踐中。

圖9 有限元模態計算結果

4 結語

本文基于VB和APDL語言對ANSYS mechanical模塊進行接口開發，可實現對船體艙段結構有限元快速建模和后期模型的高效修改，人機交互界面的創建。通過船體艙段主要參數的輸入，簡化了操作過程，提高了設計人員工作效率，為后續針對船體類似ANSYS二次開發的深入開發研究和應用提供了參考，在工程上具有較大的應用和推廣價值。