哈船---MSC.Patran 船舶结构建模中的一些实用技巧

MSC.Patran 船舶结构建模中的一些实用技巧

陈国龙

哈尔滨工程大学船舶工程学院

MSC.Patran 船舶结构建模中的一些实用技巧Applied Skills in Modeling a Whole Ship Using MSC.Patran

陈国龙

(哈尔滨工程大学船舶工程学院)

摘要：结合本人的实际建模与分析经验，本文就采用大型有限元软件MSC.Patran进行船舶全船建模过程中的一些实用技巧进行了总结，指出了软件的Group、List等功能在建模中起到的事半功倍的作用，并对Tools工具集下的有关工具的使用进行了介绍。

关键词：船舶，结构分析，MSC.Partan，有限元建模

Abstract: According to practical experiences in modeling and analysis using MSC.Patran, some skills in modeling whole ship structure using MSC.Patran are proposed in this paper, the important role the Group function and List function playing in modeling a whole ship structure are pointed out, and the uses of tools in Tools menu are introduced Keywords: s hip，structure analysis, MSC.Patran，FEM model

1. 概述

随着当今船舶工业的发展，船舶向着大型化和专业化发展。为了满足不同用途船舶的不同需求，不同种类的船舶都有其各自的结构特点。各国的船级社都针对船舶结构设计开发了自己的结构设计软件，这些软件具备从结构的初步设计到强度校核的比较完备的功能。但这些软件都是针对各种成熟船型，不能完全满足针对特殊用途的特殊船型船舶（例如双体船、小水线面船舶等）的设计与强度校核的需要。因此在对这些特殊船型船舶进行结构强度计算和动态特性分析时，往往求助于比较成熟的、结果能够得到专家认可的通用有限元分析软件。MSC.Patran因其方便快捷的前后处理功能，与其相连的有限元解算器MSC.Nastran功能的全面性、求解问题结果的准确性，得到了许多设计单位的青睐，成为进行船舶结构设计与强度校核的有力的辅助工具。

采用MSC.Patran系列软件进行船舶结构的设计与强度校核时，首要问题是对目标结构的合理的有限元模型化。船舶结构是大型的板－梁复合结构，为了保证船舶的特别是特殊用途船舶的整体性能，许多船舶具有比较特殊的外观结构；同时，船舶结构内部因为装载、稳性和人员工作等需要，划分了许多舱室，每个舱室都有可能在一些局部因特殊目的而具有特殊结构特点。这些结构上的复杂性使船舶整船建模繁琐而困难。其次，船舶工作时所处的环境复杂，本身装载条件也是不断变化，造成进行船舶结构强度校核时对于结构载荷与边界条件处理上的困难。MSC.Patran本身具有的几何建模与有限元网格划分、边界条件的处理、载荷的定义与组合功能可以较好地解决这些难题，但要求建模的操作者对于MSC.Patran建模环境与软件提供的一些工具有一定的了解，具有一定的实际建

模经验。在本文中，结合本人对一艘穿浪双全船全船建模的过程，总结了一些建模中的经验，希望与有经验的人士互相交流，并能对初学MSC.Patran的人士有所帮助。

2. 船体几何模型的建立

许多常规商用船舶（散货船、集装箱船和油轮）在船体纵向中部具有很长的一段平行中体，在平行中体的范围内，其外部轮廓没有变化。此时。可以通过建立一个舱段的几何模型，将此舱段的几何模型通过平移（Geometry\Transform）功能，来得到整个平行中体范围内的几何模型。但对于船舶的艏部与艉部，由于球鼻艏和螺旋桨艉轴架结构的存在，使线型变化比较剧烈，此时必须按照型值进行逐渐的建模。对于穿浪双体船来说，船长较短，无论从纵向还是从横向来看，线型变化都较大，无法象常规船舶一样通过建立局部结构并将其平移来得到全船大部分的结构模型，必须按照结构的型值表分步进行建模。

常规船舶大部分几何结构可以视作简单的平面或曲面（代表船体外板）与曲线（代表船体桁材、梁、各种支骨）的组合。但对于穿浪双体船等具有非常规外形的船舶来说，其几何结构多为较为复杂的曲面与曲线的组合。在形成这些曲面时，多采用Geometry\create\curve\spline方法先确定线型比较复杂的两个相对的边，再通过Geometry\create\surface\curve方法形成曲面。在形成包含于此曲面上的骨材时，可采用先确定骨材在曲面边界上的端点，采用Geometry\create\curve\point方法形成直线，再采用Geometry\create\curve\project方法将直线投影到此曲面上形成曲线，以保证满足曲面与曲线间的关系。

船舶是复杂的三维空间板架结构，在建立其几何模型时，常出现板与板的连接处出现缝隙的情况，尤其是曲面与曲面的连接，或两个面空间立体连接时。为避免此现象的发生，在构成相连接的面时，形成第二个面时尽量采用Geometry\create\surface\curve方法，在选取starting curve list或ending curve list时，将curve的类型预设为edge（即与其相连的已形成的面上的边），以保证两个面共用同一条边，最大限度的减小出现面间缝隙的可能。

3. 有限元网格的划分

在正确建立全船几何结构模型的基础上，在进行强度分析前必须对结构进行有限元离散划分。MSC.Patran软件提供了灵活的网格划分工具，可以对有限元网格的质量、密度进行控制。

对于船舶的全船有限元分析，其目的主要是校核整船结构的强度，得到船舶在外加波浪载荷与装载载荷作用下的整体应力分布，因此一般采用满足计算精度要求的均匀网格。这种网格可以通过在原有的几何模型基础上对几何对象进行网格划分来实现（Element\create\mesh）。对于需要控制网格密度在同一几何对象中变化的问题，可以在网格密度变化位置利用Element\create\Mesh Seed功能预