论文摘要
在进行船舶结构设计时,一般都需要对船体结构进行有限元分析。有限元分析的首要任务是建立有限元模型,由于船舶结构的复杂性,建立一个合理的模型相当耗时费力,据统计有限元建模在整个有限元分析中占50-80%的工作量[1]。因此,能否快速高效的进行有限元建模已成为提高船舶结构有限元分析效率的关键所在。目前,对船舶结构进行有限元建模时,大部分还都是用手工建模的方法进行,即先在船舶结构初步设计阶段完成的二维图纸上量取船舶结构的位置坐标,然后输入到PATRAN、ANSYS等有限元软件中,建立节点和单元,再为单元赋予属性。这样建模的过程非常繁琐,效率低,容易出错,大大影响了船舶结构有限元分析工作的效率[2]。寻求一种快速的船舶有限元建模方法一直是各位船舶设计工作者努力研究的方向。针对船舶CAD/CAE等为异构系统的特点,本文提出了一种船舶结构有限元模型快速生成的方法。这种方法的指导思想是以模型转换中间平台为载体,充分利用CAD系统现有的模型数据,最大限度的实现CAD与CAE系统之间的模型数据共享。主要思路是:首先从船舶CAD系统中提取相关几何模型信息和材料特征信息;然后以知识工程为理论,对几何模型进行结构简化、细节编辑、减维抽象和对称性简化;依据构件类型,实现构件ID的自动重命名和单元属性、材料属性和网格属性等信息创建和赋值;将每个构件的几何信息、单元属性、材料属性和网格属性等信息自动关联,输出到有限元分析软件中进行进一步处理和分析计算。基于该方法,按照面向对象的思想,开发了数据转换中间平台FEMCS系统,该平台具有常用格式数据文件读取、模型可视化检查、结构模型处理、常用格式数据文件输出等功能。本文主要做了如下几方面工作:首先,通过分析船舶结构有限元分析的应用,找出当前存在的主要问题,在认真分析现有的异构CAD/CAE系统模型数据交换技术和接口方式基础上,结合异构系统数据交换的特点,确定了模型数据交换的基本框架和思路。按照软件工程的要求,根据CAD系统的几何模型输出特点和CAE系统有限元模型输入要求,完成有限元模型转换中间平台构建。对中间平台的后台支撑数据库设计进行详细论述。其次,通过分析船舶模型的特点,提出了造船CAD系统与中间平台的数据交换模式。围绕模型的快速生成,对相关问题进行了研究。1)以知识工程理论为指导,在对相关资料解析基础上,采用计算机能够识别的结构化语言表述建立了模型简化的知识库,实现了模型的自动简化。2)按照构件类型,采用四级结构对模型中的每个构件重新分类并自动重命名,便于后期有限元分析数据的提取。3)以临时文件形式,将从CAD系统中提取到的材料信息、开孔信息和型材类型信息进行存储,便于后期有限元分析数据的提取和创建。并以TRIBON系统为例,对模型数据导入方式进行了详细论述。然后,通过对典型有限元分析过程的分析,围绕网格划分,研究了网格划分中所需要的相关信息。提出了造船CAE系统与中间平台的数据交换模式,并对相关关键问题进行了研究。1)依据简化后的模型种类和特点,通过人机交互方式,对模型中构件所涉及到的单元属性、材料属性、网格属性等信息进行提取和创建,建立了单元属性库、材料属性库、网格属性库等知识库和相关的规则库。2)在知识库和规则库基础上,将构件ID中的板架类型、构件类型和空间位置等相关信息与规则库逐一比对,赋予每个构件单元属性、材料属性和网格属性等信息。3)提取每个构件的几何信息、单元属性、材料属性和网格属性等相关信息,以中性文件为载体,实现模型数据和相关属性的自动关联和合并。并以ANSYS系统为例,对模型数据导出方式进行了详细论述。最后以上述的理论知识为基础,采用AutoCAD ActiveX技术、Visual Basic和VBA语言,开发了有限元模型生成系统--FEMCS,实现了将TRIBON系统的分段模型按零件级别快速提取到中间平台中,并在中间平台中按照有限元分析的要求进行模型数据处理,最后将模型数据以中性格式输出到ANSYS系统中进行进一步处理。通过应用证明,研究的方法是可行的,开发的工具具有一定的实用性。