船舶的設(shè)計(jì)建造過程中不同的階段根據(jù)需要將建多個(gè)模型。譬如，在整體設(shè)計(jì)階段，為了設(shè)計(jì)型線、性能校核以及艙容計(jì)算等創(chuàng)建船殼模型；在工藝設(shè)計(jì)中，需創(chuàng)建包含建造詳細(xì)信息的幾何模型；在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，需創(chuàng)建FEM模型等。這種不同階段的建模模式，導(dǎo)致大量重復(fù)勞動(dòng)。當(dāng)前所使用的幾何造型軟件，如CATIA，NX，PRO／E和有限元軟件；如MSC．Patran／Nastran、ANSYS等雖然有廣泛的通用性，但缺乏船舶行業(yè)針對(duì)性。因此，如果能將船舶領(lǐng)域所涉及到的應(yīng)用模塊集中到同一個(gè)平臺(tái)上，那么用戶只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)完整的三維船舶CAD通用模型，使得“一個(gè)模型，多個(gè)用途”。這樣既可減少重復(fù)勞動(dòng)，又可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
此平臺(tái)對(duì)船舶快速CAE建模有更加顯著的意義。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，有限元建模工作占到CAE分析的50％ 一80％ 。目前，船舶結(jié)構(gòu)有限元建模大部分都采用手工建模的方式，即通過二維圖紙獲取位置信息和形狀信息再手工輸入，尤其是創(chuàng)建船體外殼時(shí)多是要借助外殼幾何，數(shù)據(jù)量龐大、工作繁瑣。平臺(tái)可以借助Nx實(shí)現(xiàn)船舶模型由CAD到CAE的轉(zhuǎn)換，為劃分網(wǎng)格提供幾何基礎(chǔ)。除此之外，NX中CAD／CAE強(qiáng)大的更新功能給用戶帶來極大的便利，當(dāng)對(duì)CAD幾何模型進(jìn)行修改，CAE模型包括網(wǎng)格也可以隨之更新。這不僅可以保證精度，降低建模出錯(cuò)率，還可以保證CAD到CAE數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，為后期屬性映射做準(zhǔn)備，最終可大幅度提高有限元分析效率。為此，探討基于NX的船舶模型的CAD到CAE模型預(yù)處理方案設(shè)計(jì)。
1 開發(fā)環(huán)境
NX是一款功能強(qiáng)大的CAD／CAM／CAE軟件，NX CAD以parasolid為內(nèi)核提供強(qiáng)大的曲面造型功能，NX CAE提供快捷的有限元建模和模型處理功能，方便用戶快速由設(shè)計(jì)切換到分析，真正做到設(shè)計(jì)分析一體化。NX不僅可以通過uI操作來控制各種功能，還提供了多種應(yīng)用程序開發(fā)包(API)對(duì)NX內(nèi)部對(duì)象進(jìn)行訪問。在這些API基礎(chǔ)上，用戶可以開發(fā)各種自動(dòng)程序，定制NX功能，甚至可以在現(xiàn)有NX功能之上二次開發(fā)新的CAD／CAM／CAE軟件產(chǎn)品。
NX預(yù)處理平臺(tái)體系將借助API使用C++語言進(jìn)行開發(fā)，其體系結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 NX轉(zhuǎn)換平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)
為了保證平臺(tái)的穩(wěn)定性，需保證開發(fā)模塊數(shù)據(jù)能與NX有效流動(dòng)，所以CAD與CAE相關(guān)功能的開發(fā)都以其基本功能為基礎(chǔ)。
為了保證平臺(tái)的實(shí)用性，提高其兼容性，結(jié)合NX本身功能，設(shè)計(jì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)接口見圖2。
圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口
2 CAD／CAE模型預(yù)處理設(shè)計(jì)方案
2．1 CAD／CAE預(yù)處理思路
因?yàn)榇皩?shí)際結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，而且CAD模型要包含盡可能詳細(xì)的形狀信息，所以在劃分網(wǎng)格之前需要忽略幾何模型中不必要的細(xì)節(jié)特征，保證單元質(zhì)量提高分析效率。
NX自身模型層次為prt文件存儲(chǔ)CAD模型，iprt文件(另一種形式的pn文件)存儲(chǔ)幾何理想化模型，F(xiàn)EM文件存儲(chǔ)CAE模型。NX在CAD／CAE轉(zhuǎn)換過程中已完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其內(nèi)部將高精度描述的幾何體(sheet body)轉(zhuǎn)換為三角形描述的較低精度的多邊形幾何體(polygon body)。所以工作重心在模型簡(jiǎn)化處理方面，平臺(tái)CAD／CAE的預(yù)處理系統(tǒng)的思路與結(jié)合NX模型層次設(shè)計(jì)見圖3。
圖3 CAD／CAE的預(yù)處理思路
2．2 CADl／CAE預(yù)處理流程
結(jié)合實(shí)際建模的需求和NX的功能特點(diǎn)，平臺(tái)CAD／CAE的預(yù)處理流程見圖4。
圖4 CAD／CAE預(yù)處理流程
平臺(tái)將通過簡(jiǎn)單的人機(jī)交互，輔助用戶盡可能快速便捷地完成預(yù)處理的工作，為網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備。
2．2．1 創(chuàng)建船體分析模型
創(chuàng)建船體幾何模型和有限元模型往往是一個(gè)多方協(xié)作的過程，復(fù)雜的模型更是由不同的人員分段創(chuàng)建。為了幫助用戶更靈活的建模，同時(shí)考慮了船舶分批審圖流程特點(diǎn)設(shè)計(jì)此功能。
創(chuàng)建分析模型結(jié)構(gòu)見圖5，用戶選取需分析的結(jié)構(gòu)并指定范圍，程序內(nèi)部將其切割提取并wave link到同一個(gè)prt中，同時(shí)記錄筋與板、板與板的拓?fù)潢P(guān)系及屬性，以便在CAE中重構(gòu)組織關(guān)系。
圖5 船體分析模型結(jié)構(gòu)
NX可以同時(shí)管理同一個(gè)幾何模型關(guān)聯(lián)的多個(gè)FEM模型，所以用戶可以創(chuàng)建多個(gè)分析模型，用來分析不同位置的結(jié)構(gòu)。除此之外，還可以在幾何模型只完成一部分的時(shí)候就開始創(chuàng)建有限元模型，譬如幾何模型中間艙段創(chuàng)建完畢后即可開始創(chuàng)建中間艙段的有限元模型。同時(shí)，別的用戶可以繼續(xù)創(chuàng)建幾何模型。最后通過NX更新，完成FEM模型與幾何模型的兼容匹配。
2．2．2 CAD模型預(yù)處理
CAD模型預(yù)處理包含一系列工具，幫助用戶忽略幾何模型不必要的細(xì)節(jié)特征。NX基礎(chǔ)建模包含大量的創(chuàng)建和修改幾何功能，但有些功能不能很方便地處理船舶模型，所以在NX現(xiàn)有功能基礎(chǔ)上提出以下新功能。
1)刪除小板。根據(jù)面積和長(zhǎng)度搜索面積較小的幾何并刪除，用戶可用此功能刪除尺寸遠(yuǎn)小于單元的片體，比如肘板。
2)消除圓角。根據(jù)半徑搜索圓角并刪除。
3)板趾端簡(jiǎn)化。搜索趾端結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化包括將趾端截?cái)嗪蛯⑵淅鞛樗倪呅纹w。
4)刪除小筋。搜索長(zhǎng)度較小的加強(qiáng)筋并刪除，以免影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量。
5)加強(qiáng)筋調(diào)整。因CAD模型中加強(qiáng)筋按照真實(shí)理論線布置，往往不能滿足網(wǎng)格劃分要求，所以提供手動(dòng)調(diào)整加強(qiáng)筋的工具。用戶可調(diào)整加強(qiáng)筋理論線的起點(diǎn)或終點(diǎn)，程序保證加強(qiáng)筋的屬性及拓?fù)潢P(guān)系不變。
6)腰圓孔等效。創(chuàng)建粗網(wǎng)格模型時(shí)，腰圓孔有時(shí)可直接簡(jiǎn)化成矩形孔。腰圓孔等效工具提供2種等效方式，即按面積、長(zhǎng)寬比保持一致等效和保持最大長(zhǎng)寬比等效。
7)刪除小孔。搜索面積或等效直徑在指定范圍內(nèi)的孔(可自行選擇是否剔除人孔)，將其刪除。同時(shí)孔緣幾何線可以根據(jù)用戶的需要選擇是否提取保留，以便進(jìn)一步簡(jiǎn)化。
2．2．3 板格切割
在船舶幾何模型清理完畢后，就進(jìn)入到板格切割的階段。板格切割是預(yù)處理過程中極其重要的一步，若構(gòu)件相交處未切割，在該幾何面上劃分出的網(wǎng)格就無法匹配，見圖6。
圖6 相交板未切割導(dǎo)致網(wǎng)格不匹配
板格切割時(shí)，程序遍歷所有的板和筋，根據(jù)先前記錄的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行筋與板、板與板的切割。同時(shí)輸出切割后面(face)的屬性、邊(edge)的屬性、以及相交板處的邊對(duì)(edge pair)信息(板與板交線被多個(gè)edge共享，但edge屬于不同的face)，為屬性繼承做準(zhǔn)備，并且在進(jìn)入CAE環(huán)境下自動(dòng)消除自由邊。
2．2．4 CAE模型預(yù)處理
在板格切割后，就進(jìn)人到CAE環(huán)境中，繼續(xù)CAE模型預(yù)處理。
1)消除板縫與分片縫。在CAD模型中，板縫只有被切割才能對(duì)片體賦不同的屬性，另外在創(chuàng)建外殼時(shí)，在曲率變化較大的地方需分片擬合，這就導(dǎo)致出現(xiàn)板縫和分片縫。但在劃分網(wǎng)格時(shí)，板縫與分片縫會(huì)影響網(wǎng)格的質(zhì)量，必須消除。該工具提供了快速消除板縫與分片縫的功能。在CAD建模時(shí)，對(duì)板縫和分片縫賦予了相應(yīng)的屬性，使用該工具，程序?qū)⒆詣?dòng)搜索板縫和分片縫并消除，將面合并。
2)刪除孔周小板。若開孑L面積很大，則開孑L周圍單元?jiǎng)荼貢?huì)很小甚至畸形。故提供此功能，通過開孔面積占其板格比例進(jìn)行搜索，比例過大則可刪除板格。
3 預(yù)處理功能的實(shí)現(xiàn)
以某船模型為例，模型創(chuàng)建到預(yù)處理各個(gè)階段見圖7～l0。
圖7為剛建好外殼與甲板的模型。在這個(gè)階段，模型中只有外殼與甲板，作為其他結(jié)構(gòu)的建�；A(chǔ)，外殼和甲板形狀須表達(dá)準(zhǔn)確，位置須精準(zhǔn)。注意箭頭所指處為建模導(dǎo)致的分片縫。
圖7 船殼與甲板
圖8為船體結(jié)構(gòu)創(chuàng)建完畢的模型，為了真實(shí)模擬船體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的小孔、圓角、趾端等細(xì)節(jié)特征須按照?qǐng)D紙創(chuàng)建，并且為了后續(xù)預(yù)處理，所有結(jié)構(gòu)都需有相應(yīng)屬性。接下來將全船模型作為分析模型，進(jìn)行預(yù)處理。
圖8 船體結(jié)構(gòu)
圖9為經(jīng)過CAD預(yù)處理的簡(jiǎn)化模型。圖8中箭頭所指的小孔被刪除，圓角被消除。經(jīng)過幾何清理后，進(jìn)行板格切割，如圖9所示，模型已被切割成板格。CAD預(yù)處理完成，進(jìn)入CAE預(yù)處理。
圖9 CAD預(yù)處理后的簡(jiǎn)化模型
進(jìn)入CAE環(huán)境，首先就要處理板縫與分片縫。在建模過程巾已經(jīng)對(duì)板縫和分片縫賦予了對(duì)應(yīng)的屬性，故使用“消除板縫與分片縫”工具即可一鍵消除，如圖l0所示。
圖l0 分片縫消除
至此，該模型預(yù)處理部分完成，可直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
4 結(jié)論
本文充分考慮船舶結(jié)構(gòu)的建模特點(diǎn)，基于NX開發(fā)創(chuàng)建分析模型、CAD模型預(yù)處理、板格切割、CAE模型預(yù)處理等船舶特色功能，完成CAD模型到CAE的轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)。該平臺(tái)致力于輔助用戶快速完成CAD／CAE建模，功能力求操作便捷，滿足船舶專業(yè)人員的需求。通過測(cè)試證明，設(shè)計(jì)方案可行，工具實(shí)用。
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本文標(biāo)題：基于NX的船舶CAD/CAE模型預(yù)處理
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