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| MSC.Patran与LR.ShipRight有限元建模技术的分析与比较 |
| 江南造船集团 朱彦 |
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摘要：本文基于散货船CSR 探讨使用MSC.Patran 与LR.ShipRight 两款软件在进行有限元分析中的建模技术，并比较两款软件的特点以及相互联系。
关键字：Patran、ShipRight、散货船、CSR、有限元建模
1. 前言
在船舶详细设计阶段，对船体结构进行应力集中以及疲劳强度评估的一个有效的手段就是采用有限元分析。有限元分析的一般方法为选择有限元分析软件、确定单元形式、建立几何模型、网格划分、确定边界条件、判断载荷工况等，具体又可归纳为四个步骤：
1) 建立有限元模型；
2) 确定载荷及边界条件；
3) 进行详细应力应变评估（例如细化网格以评估高应力区域）；
4) 对关键部位的结构进行疲劳强度评估。
在以上步骤中能否建立合理有效的有限元模型是前提条件，模型质量的好坏，特别是网格的类型与划分方法，直接影响后续的分析结果。目前常用的有限元分析软件主要有MSC.Patran\Nastran、LR.ShipRight、基于Patran 的CCS.TOOLS、DNV.Sesam 等，本文以散货船CSR 有限元建模为例，探讨Patran 与ShipRight 两种软件的建模技术和异同点。
2. Patran 与ShipRight 的简介
MSC.Patran 作为一个优秀的前后置处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性，模型处理智能化、自动有限元建模、分析的集成、用户自主开发新功能、分析结果的可视化处理等等是其典型的特征，它提供了功能全面、方便灵活的可满足各种精度要求的复杂有限元的建模功能，其综合全面先进的网格划分技术，为用户根据不同的几何模型提供了多种不同的生成和定义的有限元模型工具。
ShipRight 是LR 自主开发的一款基于CSR 的有限元分析应用软件，具有很强的针对性，其优势在于建立好模型后，进行加载计算分析较Patran 更为便利。但是ShipRight 在建模上会遇到一些技巧性的问题，这需要引起使用者的注意。
3. 建模分析的基本要求
3.1 模型范围
CSR 中要求有限元模型的纵向范围应该覆盖三个货舱及四个横舱壁，横舱壁需要连同各自壁凳；模型的两端均应形成垂直平面，任何位于断面位置的强框架应包括在模型中；所有的主要构件都应建模。
由于三舱段模型分析的是中间舱，而某些散货船会出现多种舱型，比如压载舱、重货舱、轻货舱等且基本为间隔布置，基于建模的方便建议建立五舱段模型，而在分析时只要调出所需的三舱段部分即可。
3.2 单元类型的选择准则
（1）有限元网格的边界应与实际结构的排列相一致，并能体现结构的真实几何形状；
（2）以适当的单元类型表示每个构件的刚度，例如扶强材应以梁单元或杆单元进行建模，主要支撑构件的腹板加强筋和面板可采用杆单元建模。对于梁单元与杆单元的特性比较，见表3-1。 表3-1 梁单元与杆单元的特性比较
（图片）（3）板单元一般应以具有面外弯曲刚度、双轴向刚度和面内刚度的壳单元进行建模，而对于不承受侧向压力的板可采用具有双轴向刚度、面内刚度的膜单元进行建模。对于膜单元和壳单元的类型则应采用线性四边形单元（长宽比≤4:1），同时尽量避免使用三角形单元，特别是在大开孔周围、肘板和折角连接处等高应力或者应力梯度较大的区域。
4. Patran 建模技术
4.1 建模准备
（1）充分熟悉船舶的基本结构图、横剖面图、总布置图以及相关的图纸资料，对内部结构布置有大致的了解；
（2）根据船体各区域的结构特点，充分运用Patran 的Group 的功能对船体进行组的划分；
（3）在CAD 图中绘制横剖面几何结构点。对于极小距离范围内的那些错开构件，可进行共节点的简化，并适当调整有关构件的布置；
（4）取肋距为有限单元的标准特征长度。
4.2 建模过程
（1）按照建模习惯定义船长方向为X 轴，型宽方向为Y 轴，型深方向为Z 轴。将CAD图中绘制的各网格节点导入Patran，用几何形式初步勾勒出结构的网格形式，依此绘制单元网格。同时，对于结构开孔可以用简化开孔尺寸或折减板厚的方法以保证网格划分的可靠性，见图4-1。（图片）
图4-1 横剖面网格划分示意图 （2）在横剖面结构的基础上，以点、线、面3 个级别的基本元素，绘制船舶外板、甲板、纵桁、龙骨等主要纵向板材的形状。其中，根据船舶线型和构件的具体情况，可采用的操作方法主要有以下几种：
① 大多数船舶均为关于中纵剖面对称的结构，因此只需对左舷结构进行建模，右舷部分可采用Group/Transform/Mirror 操作进行镜像；
② 对于船体中一组相同的构件，可采用Elements/Transform 进行偏移；
③ 对于直线型外板或构件，可确定其方向后采用Elements/Sweep 进行拉伸。
值得注意的是，对于那些船体型线过渡较大的区域（例如球鼻艏），应将每个肋位的型线绘制出来，以保证模型外部轮廓与真实形状相接近，见图4-2。（图片）
图4-2 艏部模型示意图 （3）有限元模型建立起来以后，需对模型进行必要的检查
首先，一定要检查单元是否连接好，采用消除重复节点(Equivalence/All/Tolerance Cube)和重复单元(Verify/Element/Duplicates)、检查结构模型的自由边界(Verify/Element/Boundaries)等方式。在对肋骨、横梁、甲板纵骨、船底纵骨以及舷侧纵骨等划分网格时，必须与相接的板材的网格节点相对应。若节点发生小范围内的错位，则需要进行Modify/Node/Move 的操作；
其次，检查单元的质量。可以通过检查四边形单元的翘曲度(wrap)、歪斜度(skew)、锥度(taper)等单元几何特征，三角形单元则检查锥度和最大特征角，来判断单元质量的优劣。对于不满足给定要求的单元区域应进行再次网格划分。
另外，由于船舶外板或型材的网格划分一般是通过细分为各个分块进行的，所以Shell 单元的法向量难免会出现不一致的现象，因此通过Verify/Element/Normals 的操作可将法向量统一，以提高模型的可靠性。
最后，通过Delete/Node/All Nodes 将建模过程中的残余节点删除，然后采用Renumber/Node和Renumber/Element 对模型的节点和单元进行重新排列，以减小模型矩阵运算的规模。
（4）单元特性定义与失效准则
板材的材料特性(Materials)以及尺寸的定义务必做到准确无误，例如船用低碳钢的材料特性的定义见图4-3。（图片）
图4-3 材料特性的输入 在Materials 定义好之后，在Properties 选项中定义船舶的各个构件的物理特性。首先定义属性名称，然后在Input Properties 中输入Material Name 和Thickness。接着，Select Members中选中单元。最后，Apply 进行提交。对于梁单元结构尺寸的定义，由于单元位置的不同，需要定义单元结构的偏移量，此时可以通过显示3D 效果图，以检查所定义的梁单元位置是否正确。
5. ShipRight 建模介绍
5.1 建模准备
（1）充分熟悉船舶的基本结构图、横剖面图、总布置图以及相关的图纸资料，对内部结构布置有大致的了解；
（2）ShipRight 软件界面内容丰富，需输入船舶名称、主尺度等信息，图5-1。（图片）
图5-1 输入船舶有关信息 5.2 建模过程
（1）定义材料库（图5-2），包括材料特性、结构尺寸。对于有母型船的船舶材料库，可以直接导入，也可以随时添加新材料。（图片）
图5-2 ShipRight 材料库界面 （2）定义船舶外壳尺寸即Hull Form，包括Shell 和Main deck。在定义Gunwale 时，考虑到后期自动生成网格的规整，一般可以不定义，而直接将Shell 与Main Deck 相交，详见图5-3。（图片）
图5-3 船体横剖面的定义 （3）依次定义纵/横向结构及舱壁的名称、位置和结构尺寸，值得注意的是：
① 五舱段模型首尾应增加1 个肋位的结构；
② 如果船舶结构左右舷是对称的，可以先定义好左舷的结构；
③ 结构名称的定义尽量规范，以方便后期定义材料属性及结构尺寸；
④ 对于Opening 可以考虑不建，以便后期生成网格的规整；
⑤ 对于某些特殊复杂的局部结构，只能采取描点的形式去定义，此时应明确所填数据的含义，尽量简化结构形式、保证节点的统一，见图5-4、5-5。（图片）
图5-4 描点形式示意图 （图片）
图5-5 描点录入数据库 ⑥ 对于不合乎规范名称的横向结构，可自行定义为General Transverse Structure，并在其中定义结构名称、位置和尺寸。
（4）定义典型舱壁的结构尺寸，具体包括舱壁的名称、位置，槽、卸货板、上下底凳以及凳子隔板的位置及尺寸。值得注意的是定义下底凳高度时，测量点的位置应在底凳顶板中点处，而对于隔板开孔可考虑不开。
（5）所有结构尺寸定义好后，接着确定结构的材料属性，包括板厚、板缝以及扶强材的尺寸，此时应该注意：
① 未按要求开孔的结构的板厚应该折减，对于甲板大开孔处应定义0 板厚；
② ShipRight 后期自动生成网格的边界是以结构轮廓、板缝、扶强材位置为基础的，所以对于扶强材的建立应具有预见性，适当地简化结构位置。对于肋骨，应该沿其与顶边舱、底边舱、外板交点处分板；对于舱壁和纵向结构交叉处，可以在纵向结构上沿相交线处多分几块板，同时尽可能保证板缝沿纵骨方向布置。总之，在ShipRight 中分板和人为干涉扶强材的位置是优化网格的有效手段之一；
③ ShipRight 中要控制后期自动生成的网格的质量，除了分板缝和调整结构，还有一个有效的方法就是改变Element Size；
（6）定义好典型横向结构的材料属性后，就可以Copy 所有结构。此时应判断船舶结构是否完全对称，若是，则维持左舷结构不变；若不完全对称，则应分别将纵横向结构、舱壁结构Reflect。
（7）所有结构都建好后可以直接生成网格，对于只有左舷结构的模型此时可以选择ReflectFull Model，见图5-6。其次，建立一个Result 文件夹目录，将生成的.lrb 文件进行第一步的运算，检验Message 是否有Error，并检查LRSDA.OUT 文件中Error 信息；接着导入组的信息并检查自由边，查看是否有重复单元；同时对各个组的网格进行检查，判断是否有畸形单元生成。针对所出现的问题，都应该重新回到前面的几何定义中去修改，见图5-7。（图片）
图5-6 网格生成 （图片）
图5-7 网格检查界面 6. Patran 与ShipRight 建模的方法比较
6.1 网格形成过程
⑴ Patran 是由个别网格继而生成众多网格，所有的结构初期都是用单元来表示的，所以这需要使用者首先定义好结构节点，并以此建立整个模型的网格；
⑵ ShipRight 首先要建立几何结构尺寸以及材料特性，其次由软件自动生成网格。对于复杂结构例如突变较大、构件交叉处的网格应检查是否满足要求。
6.2 网格检查方法
⑴ Patran 生成的网格可以随时进行检查和修改；
⑵ ShipRight 在生成网格模型后，需进行第一步运算，然后导入组的信息，再检查单元网格的质量。
6.3 材料属性的定义及修改方式
⑴ Patran 中材料的定义要重点注意以下几点
① 对于一维构件单元，应首先判断其采用为Rod 或Beam 的结构形式；
② 对于梁单元的端面尺寸和位置建议用3D 效果来检查是否准确；
③ 如果要修改相应结构的材料属性，可以直接Overwrite 先前的定义。
⑵ ShipRight 中的材料定义注意以下几点
① 对于一维构件单元，都是统一的Stiffener 形式；
② 对于Stiffener 不需要做特别处理，只需在材料库中给出Stiffener 的厚度及端面尺寸，给出具体位置即可；
③ 如果要修改相应结构的材料属性，则首先要在材料库中创建新的属性，其次要对相应的结构进行修改，此点与Patran 相似；但是，如果要对已经定义好的结构需要整体改动材料时，则需要对选结构进行重新选择。例如，将FB150³12 改为FB150³14，则需要对FB150³12 的Stiffener进行一一修改，直到在材料库中的FB150³12 可以删除，才说明所有的Stiffener已经更新完毕。
6.4 结构的改变对于模型的影响
⑴ Patran 中对于已经建好的模型，如果结构发生局部改动，则需要对该部分重新进行网格的划分，并保证与四周网格节点相协调；
⑵ ShipRight 中若更改结构形式，则应对几何模型进行修改，同时保证单元节点的协调性；
6.5 两种软件之间的联系
由于ShipRight 支持.lrb 与.bdf 两种格式间的转换，所以可以充分借助Patran 和ShipRight各自的优势进行数据交换，以提高对于模型检查的效率。值得注意的是，模型的单元在两个软件中的ID 是相同的，但是不能随意更改，否则容易出错。
另外，Patran 是一款比较成熟的前置处理器，因此用户需要额外开发相应的端口软件来增加应用范围；而ShipRight 本身就是一款高度集成的专业有限元分析软件，在分舱和加载等方面，具有独特的优势。
7. 结论
鉴于有限元建模在整个船舶有限元分析中的重要性，使用者能否熟练运用建模软件和掌握建模技巧已经变得至关重要。建模技术的提高，对于改善模型质量、优化后期结果，同时缩短有限元分析周期、提高设计效率，都具有积极地促进意义。具体来说，充分挖掘Patran与ShipRight 两款软件的优势、提高两者间的互性补，可作为船舶设计人员以后工作的一个发展方向。
参考文献
[1] CSR_for_Bulk_Carriers, July_2007.pdf
[2] LR.ShipRight for CSR Bulk Carrier Designers 2007
[3] 刘兵山等. Paran 从入门到精通.北京：中国水力水电出版社. 2003
9/2/2011
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