ANSYS-WORKBENCH全船结构有限元分析流程

一、建立有限元模型

与ANSYS经典版相比，WORKBENCH的操作界面更加美观，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手。但作为一个专注于有限元分析的软件，其日渐强大的建模模块(Geometry)对建立复杂的船体曲面仍显得力不从心。因此需要在其他建模软件(笔者使用了SolidWorks)中建立船体实体模型后导入WORKBENCH中，完成随后的建模和分析工作。

鉴于实体单元在计算中消耗过多的内存和计算时间，本文采用概念建模(Concept)的方法将船体板定义为无厚度的壳体(SurfaceBody)，将船体骨架定义为线体(Line Body)，壳体和线体划分的网格类似于经典版的壳单元(Shell)和梁单元(Beam)。

1.导入实体模型

可采用多种方法导入，如直接将模型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(项目概图)窗口，如图1所示。还可双击启动Geometry模块后，在其File菜单中选择导入命令，导入后的模型如图2所示。

模型已冻结，分为船体和上层建筑两部分，船首指向X轴正向，船体上方指向Z轴正向。坐标原点位于船体基平面、中站面和中线面的交点处。

图2导入后的模型

2.生成舷墙

(1)在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，进入绘制草图模式。点击“TreeOutline”→“Sketching”，沿甲板边线位置绘制一条曲线。返回模型模式，点击“Sketching”→“Modeling”→“Extrude”，生成一个SurfaceBody。

(2)沿甲板将船体分开，点击

“Create”→“Slice”，在“DetailView”窗口“SliceType”选项中选择“SlicebySurface”项，“TargetFace”选择上一步生成的SurfaceBody，“Slice Targets”选项中选“SelectedBodies”，点选船体结构→“Apply”→“Generate”，原来的船体分成两部分，上面是舷墙部分，下面是船舱部分，如图3所示。

图3船体分为两部分

这时生成的SurfaceBody已完成历史使命，可将其抑制(Suppress)掉了。注意不是把拉伸操作Extrude1、而是生成的面SurfaceBody抑制掉。

(3)生成舷墙：选择(2)中生成的舷墙部分进行抽壳，点击“Thin”→“Surface”，在“DetailView”窗口“Selection Type”选项中，选择“FacetoKeep”项，保留舷墙部分，设置厚度为0，然后点选“生成”。

3.生成船体外表面

本文使用的船舶钢板厚度都是一样的，可将上层建筑与船体一起定义。倘若船体各处钢板厚度不同，计算过程中可分别定义各钢板的厚度。

(1)布尔并运算：点击“Create”→“Boolean”，在“DetailView”窗口Operation选项中选择Unite项，“Tool Bodies”选择上层建筑生成的船舱部分，然后点选“生成”。

(2)生成船体表面：选中(1)中生成的体，然后抽壳，保留全部外表面，厚度设置为0。抽壳后将在图4所示的蓝色区域内产生甲板大开口状，需要补上去。

(3)补全甲板：点击“Concept”→“Surfaces From Edges”，选中图4所示蓝色线条位置处的4条边，然后生成1个面。

图4抽壳后甲板位置有开口

4.在船体骨架位置处生成边

船体是一个板架结构，除了钢板之外还应该有骨架。有限元模型中骨架必须位于船体板上，以免计算时骨架与板分离造成计算结果错误。为了保证模型的骨架位于船体板上，需要在船体板上添加边(edges)，以便在边上生成骨材(LineBody)。

(1)解冻：点击“Tools”→“Unfreeze”，选择上面生成的船体表面，解冻后如图5所示。本文采用印痕操作(Imprint)在船体板上添加边，只有非冻结体才能执行该操作。

图5解冻后的船体表面

(2)印痕：本文采用拉伸命令(Extrude)生成印痕，所以先在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(New Sketch)，在肋骨位置上绘制一组直线，如图6所示。然后“拉伸”，在“DetailView”窗口Operation选项中选择“ImprintFaces”项，Direction项选择“Both-Symmetric”，Extent选项选择“ThroughAll”，然后“生成”。原来光滑的船体表面将出现许多线条，如图7所示。

图6在肋骨位置绘制直线

图7印痕后的船体表面

(3)与(2)的操作相似，在基平面(XYPlane)建立草图(NewSketch)，沿甲板纵桁位置和龙骨位置绘制直线，完成拉伸和印痕操作。在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，沿舷侧纵桁位置绘制直线，完成拉伸和印痕操作。最终在船体表面生成纵横交错的网格线，如图8所示。注意：要等到所需的印痕操作全部完成后再添加Line Body，否则后面的印痕操作可能造成之前添加的Line Body脱离船体表面。

图8印痕后的船体表面

(4)冻结船体，解冻上面补充的甲板面。如图9所示，这里之所以要轮换冻结、解冻不同的面，是因为多个非冻结体会自动执行布尔并运算。倘若布尔运算结果不符合WORKBENCH的要求，模型将出现错误而无法继续建模。

图9印痕后的甲板面

5.生成舱壁

(1)生成首尖舱舱壁：点击“Concept”→“Surfaces From Edges”，选中图10中围成首尖舱的各条边(edges)，然后点选“生成”。

图10生成首尖舱舱壁

(2)生成其他横舱壁：与(1)中操作类似，选择围成舱壁所需的边，一一生成其余各横舱壁。各横舱壁生成后如图11所示。

图11生成其余横舱壁

(3)在横舱壁上印痕：在横舱壁上生成纵横交错的网格线，以便利用这些痕迹添加纵舱壁和船体骨架。印痕操作后如图12所示。

图12横舱壁上的印痕

(4)生成其他舱壁并在舱壁骨架位置印痕：与(1)、(2)中操作类似，选择围成舱壁所需的边，一一生成其余各舱壁，然后在各舱壁上印上纵横交错的痕迹。结果如图13所示。

图13船体各舱壁

6.生成骨架

为了减少工作量，本文着重分析除上层建筑外的船舶整体强度，不考虑上层建筑的受力情况，所以这里不为上层建筑添加骨架，也不关注上层建筑结构强度。

(1)生成甲板横梁：点击“Concept”→“Lines From Edges”，选择甲板上横向的印痕，如图14中绿色线条，在

“Detail View”窗口Operation选项中选择“AddFrozen”项，生成冻结状态的甲板横梁(LineBody)。

直接生成冻结体是为了避免它们与随后添加的甲板纵桁发生布尔并运算。冻结状态下各个梁拥有各自独立的横截面特征，布尔并运算后各个梁将合为一体，只能共同用一种横截面特征。