一种适用于船舶结构有限元分析的板缝预处理方法与流程

1.本发明涉及船体板缝预处理技术领域，具体涉及一种适用于船舶结构有限元分析的板缝预处理方法。


背景技术：

2.船舶设计建造过程中的不同阶段对船舶三维模型有着不同的要求。具体如下：在结构设计阶段，主要使用cad模型精确表达船舶结构的几何信息和属性信息；而在结构强度验证阶段，必须使用cae模型进行有限元分析计算。船舶结构cae模型的建立主要有两类方法，一类是在cae系统中完成船舶几何结构的建模与有限元网格的划分；另一类是直接对cad模型进行网格划分以生成cae模型。对于第一类方法，由于cae系统的建模功能并不完善，导致船舶结构建模的效率特别低，但其在建模过程中可以充分考虑后续的网格划分环节，因而生成的网格质量相对较好，畸形网格占比低。对于第二类方法，虽能极大地缩短建模工时，但生成的cae模型中存在较多三角形或畸形网格，不能满足有限元计算的规范要求，还需进行大量的人工干预。随着cad/cae一体化的发展，基于单一数字模型的船舶设计建造成为一个重要的研究方向，它的优势在于能够减少重复建模，提高船舶设计建造的效率，其中，快速准确地由cad模型转换生成cae模型是极为关键的一步。
3.船体由许多块钢板焊接而成，并形成了大量板缝。在利用船舶cad模型生成船舶cae模型时，板缝的简化处理是一项非常重要的工作，它直接影响网格划分质量。目前对板缝的简化处理主要由人工完成，需耗费大量时间且质量难以保证。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于船舶结构有限元分析的板缝预处理方法，以解决现有人工简化板缝耗时长的技术问题。
5.本发明所采用的技术方案为：一种适用于船舶结构有限元分析的板缝预处理方法，该方法包括：
6.s40：从三维cad模型中获取船体板缝信息，并创建船体板缝的数据模型；
7.s50：根据所述船体板缝的数据模型的参数筛选出需预处理的船体板缝；
8.s60：选用与所述船体板缝相适配的简化方法对筛选出的船体板缝进行简化处理。
9.优选的，所述s40包括：
10.s41：以船舶三维cad模型中的船体板缝信息为索引，为船体板缝创建数据模型；
11.s42，从船舶三维cad模型中查找船体板缝所连接的两个板材，获取两个板材的名称pn和厚度pt；
12.s43，获取两个板材的夹角ag，获取两个板材的边界计算板缝线的起点scv1和终点scv2，计算板缝线到板材边界的最小距离sl，获取两个板材中与板缝线平行的加强筋和支撑板结构，分别确定两个板材中的邻近理论线并提取它们的起点ocv1、tcv1和终点ocv2、tcv2；
13.s44，利用s42和s43中获得的数据完成船体板缝的数据模型的赋值。
14.优选的，所述s50包括：
15.s51：依据船体板缝的数据模型，获取船体板缝所连接两板材的夹角ag；
16.s52，判断夹角ag的值；
17.s53，若ag＝0
°
，则将所述船体板缝存入待预处理板缝集；
18.s54，若ag≠0
°
，且板缝线到两板材边界的最小距离sl1和sl2中至少有一个小于阈值td2，则将所述船体板缝存入待预处理板缝集。
19.优选的，所述s60包括：
20.s61，从所述待预处理板缝集中提取出船体板缝，根据船体板缝所对应的两板材的厚度pt、及两板材之间的夹角ag，确定船体板缝的类型；
21.s62，根据船体板缝的类型采取对应的简化方法对船体板缝进行简化处理。
22.优选的，所述s62中的简化方法包括：
23.当船体板缝为水平连接且板厚相同的船体板缝时，判断板缝线到两板材的邻近理论线的距离st1、st2和阈值td1的大小关系；若阈值td1最小则无需简化；否则调整板缝线位置，使板缝线与st1和st2中较小值对应的邻近理论线对齐；
24.当船体板缝为水平连接且板厚不同的船体板缝时，判断板缝线到两板材的邻近理论线的距离st1、st2和阈值td1的大小关系；若阈值td1最小则无需简化；否则调整板缝线位置，使板缝线与st1和st2中较小值对应的邻近理论线对齐，并比较两板材厚度pt1和pt2的大小，将两板材的两条邻近理论线之间的板材的厚度替换为pt1和pt2中的较小值；
25.当船体板缝为非水平连接的留余板缝，判断板缝线到两板材边界的最小距离sl1、sl2和阈值td2的大小关系；若小于阈值td2，则将板缝线与相应边界之间的板材进行隔离处理，以便于后续划分网格时将其忽略。
26.优选的，还包括：
27.s10：获取需预处理船体板缝的共性元素，并依据共性元素对船体板缝进行分类；
28.s20：依据获取的船体板缝的共性元素构建船体板缝的通用数据结构；
29.s30：建立各类船体板缝的预处理方法。
30.优选的，所述s10包括：
31.s11，共性元素的获取：获取船体板缝所连接两板材的名称参数pn；获取船体板缝所连接两板材的板厚参数pt；获取船体板缝所连接两板材的角度参数ag；获取船体板缝到板材边界的长度参数sl；获取船体板缝到邻近理论线的长度参数st；
32.s12，板缝线的获取：板缝线为船体板缝的二维几何表示，每个板缝线需根据对应船体板缝所连接两板材的三维模型进行抽取；
33.s13，邻近理论线获取：邻近理论线为船体板缝所连接两板材中加强筋和支撑板走势的二维轨迹线，获取两板材中分别离板缝线最近的邻近理论线。
34.s14，船体板缝的分类：以船体板缝所连接两板材的空间位置关系ag和板厚pt为依据，将需预处理的船体板缝分为水平连接且板厚相同的板缝、水平连接且板厚不同的板缝和非水平连接的留余板缝；
35.优选的，所述s20包括：
36.s21：通用数据结构包含的共性元素包括：船体板缝所连接两板材中第一板材的名
称pn1；船体板缝所连接两板材中第二板材的名称pn2；船体板缝所连接两板材中第一板材的厚度pt1；船体板缝所连接两板材中第二板材的厚度pt2；船体板缝所连接两板材间的夹角ag；板缝线到第一板材边界的最小距离sl1；板缝线到第二板材边界的最小距离sl2；板缝线到第一板材的邻近理论线的距离st1；板缝线到第二板材的邻近理论线的距离st2；
37.通用数据结构包含的板缝线参数包括：板缝线的起点和终点的空间坐标值scv1和scv2；
38.通用数据结构包含的邻近理论线参数包括：第一板材的邻近理论线的起点和终点的空间坐标值ocv1和ocv2；第二板材的邻近理论线的起点和终点的空间坐标值tcv1和tcv2；
39.s22，在通用数据结构下定义共性元素、板缝线、及邻近理论线的数据类型；
40.其中共性元素、板缝线、及邻近理论线的名称为字符串型；船体板缝所连接的第一板材和第二板材的名称为字符串型；船体板缝所连接的第一板材和第二板材的厚度为实数型；船体板缝所连接的第一板材和第二板材的夹角为实数型；板缝线到第一板材和第二板材边界的最小距离为实数型；板缝线到第一板材和第二板材的邻近理论线的距离为实数型；板缝线的起点和终点的空间坐标值为实数型；第一板材和第二板材的邻近理论线的起点和终点的空间坐标值为实数型。
41.优选的，所述s30包括：
42.s31，对于水平连接且板厚相同的船体板缝，判断板缝线到两板材的邻近理论线的距离st1、st2和阈值td1的大小关系，若阈值td1最小则无需简化，否则调整板缝线位置，使板缝线与st1和st2中较小值对应的邻近理论线对齐；
43.s32，对于水平连接且板厚不同的板缝，判断板缝线到两板材的邻近理论线的距离st1、st2和阈值td1的大小关系，若阈值td1最小则无需简化，否则调整板缝线位置，使板缝线与st1和st2中较小值对应的邻近理论线对齐，并比较pt1和pt2的大小，将第一板材和第二板材的两条邻近理论线之间的板材的厚度替换为pt1和pt2中的较小值；
44.s33，对于非水平连接的留余板缝，判断板缝线到两板材边界的最小距离sl1、sl2和阈值td2的大小关系，若小于阈值td2则将板缝线与相应边界之间的板材进行隔离处理。
45.优选的，还包括s70，采用人工检查或借助第三方工具对预处理后的船舶简化模型进行检查，然后保存。
46.本发明的有益效果：
47.本发明先通过对船体板缝共性元素的分类识别，实现了船体板缝的分类，再通过归纳总结的简化方法对各类船体板缝进行自动简化处理，减轻了设计人员的工作量，提高了设计分析工作的效率和可靠性，缩短了设计周期。
附图说明
48.图1为本发明的流程示意图；
49.图2本发明实施例中的三类船体板缝。
50.图中附图标记说明：
51.10
‑
板缝线；11
‑
第一板材；12
‑
第二板材；
52.20
‑
邻近理论线；21
‑
加强筋；22
‑
支撑板。
具体实施方式
53.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
54.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
55.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
56.此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
57.实施例，如图1、图2所示，一种适用于船舶结构有限元分析的板缝预处理方法，该方法用于船体板缝的自动化预处理，以提高工作效率和保证板缝预处理质量。该预处理方法包括：
58.s10：获取需预处理船体板缝的共性元素，并依据共性元素对船体板缝进行分类。
59.具体的，s10包括：
60.s11，共性元素的获取：获取船体板缝所连接两板材的名称参数pn；获取船体板缝所连接两板材的板厚参数pt；获取船体板缝所连接两板材的角度参数ag；获取船体板缝到板材边界的长度参数sl；获取船体板缝到邻近理论线20的长度参数st。
61.s12，板缝线10的获取：板缝线10为船体板缝的二维几何表示，每个板缝线10需根据对应船体板缝所连接两板材的三维模型进行抽取。
62.s13，邻近理论线20获取：邻近理论线20为船体板缝所连接两板材中加强筋21和支撑板22走势的二维轨迹线，获取两板材上离板缝线10最近的邻近理论线20。
63.s14，船体板缝的分类：如图2所示，以船体板缝所连接两板材的空间位置关系ag和板厚pt为依据，将需预处理的船体板缝分为水平连接且板厚相同的板缝、水平连接且板厚不同的板缝和非水平连接的留余板缝三类；
64.s20：依据获取的船体板缝的共性元素构建船体板缝的通用数据结构。
65.具体的，s20包括：
66.s21：通用数据结构包含的共性元素包括：船体板缝所连接两板材中第一板材11的名称pn1；船体板缝所连接两板材中第二板材12的名称pn2；船体板缝所连接两板材中第一板材11的厚度pt1；船体板缝所连接两板材中第二板材12的厚度pt2；船体板缝所连接两板材间的夹角ag；板缝线10到第一板材11边界的最小距离sl1；板缝线10到第二板材12边界的最小距离sl2；板缝线10到第一板材11的邻近理论线20的距离st1；板缝线10到第二板材12的邻近理论线20的距离st2；
67.通用数据结构包含的板缝线10参数包括：板缝线10的起点和终点的空间坐标值
scv1和scv2；
68.通用数据结构包含的邻近理论线20参数包括：第一板材11的邻近理论线20的起点和终点的空间坐标值ocv1和ocv2；第二板材12的邻近理论线20的起点和终点的空间坐标值tcv1和tcv2；
69.s22，在通用数据结构下定义共性元素、板缝线10、及邻近理论线20的数据类型；
70.其中共性元素、板缝线10、及邻近理论线20的名称为字符串型；船体板缝所连接的第一板材11和第二板材12的名称为字符串型；船体板缝所连接的第一板材11和第二板材12的厚度为实数型；船体板缝所连接的第一板材11和第二板材12的夹角为实数型；板缝线10到第一板材11和第二板材12边界的最小距离为实数型；板缝线10到第一板材11和第二板材12的邻近理论线20的距离为实数型；板缝线10的起点和终点的空间坐标值为实数型；第一板材11和第二板材12的邻近理论线20的起点和终点的空间坐标值为实数型。
71.s30：建立各类船体板缝的预处理规则与简化方法。
72.具体的，s30包括：
73.s31，对于水平连接且板厚相同的船体板缝，判断st1、st2和阈值td1的大小关系；若阈值td1最小则无需简化，否则调整板缝线10位置，使板缝线10与st1和st2中较小值对应的邻近理论线20对齐。
74.s32，对于水平连接且板厚不同的船体板缝，判断st1、st2和阈值td1的大小关系；若阈值td1最小则无需简化，否则调整板缝线10位置，使板缝线10与st1和st2中较小值对应的邻近理论线20对齐，同时比较pt1和pt2的大小，并将第一板材11和第二板材12的两条邻近理论线20之间的板材的厚度替换为pt1和pt2中的较小值。
75.s33，对于非水平连接的留余板缝，判断sl1、sl2和阈值td2间的大小关系；若小于阈值td2则将板缝线10与相应边界之间的板材进行隔离处理，以使后续划分网格时将其忽略，也就是，在有限元分析时，不对留余板缝进行网格划分；若大于等于阈值td2则无需简化，也就是，在有限元分析时，直接对留余板缝进行网格划分。
76.s40：从三维cad模型中获取船体板缝信息，并创建船体板缝的数据模型。
77.具体的，s40包括：
78.s41：以船舶三维cad模型中的船体板缝信息为索引，为船体板缝创建数据模型；
79.s42，从船舶三维cad模型中查找船体板缝所连接的两个板材，获取两个板材的名称pn和厚度pt；
80.s43，获取两个板材的夹角ag，获取两个板材的边界计算板缝线10的起点scv1和终点scv2，计算板缝线10到板材边界的最小距离sl，获取两个板材中与板缝线10平行的加强筋11和支撑板12结构，分别确定两个板材的邻近理论线20并提取它们的起点ocv1、tcv1和终点ocv2、tcv2；
81.s44，利用s42和s43中获得的数据完成船体板缝的数据模型的赋值。
82.s50：根据船体板缝的数据模型的参数筛选出需预处理的船体板缝。
83.具体的，s50包括：
84.s51：依据船体板缝的数据模型，获取船体板缝所连接两板材的夹角ag；
85.s52，判断夹角ag的值；
86.s53，若ag＝0
°
，则将船体板缝存入待预处理板缝集；
87.s54，若ag≠0
°
，且板缝线10到两板材边界的最小距离sl1和sl2中至少有一个小于阈值td2，则将船体板缝存入待预处理板缝集。
88.s60：选用与船体板缝相适配的简化方法对筛选出的船体板缝进行简化处理。
89.具体的，s60包括：
90.s61，从待预处理板缝集中提取出船体板缝，根据船体板缝所对应的两板材的厚度、及两板材之间的夹角，确定船体板缝的类型；
91.s62，根据船体板缝的类型选取s30中建立的简化方法对船体板缝进行简化处理。
92.其中：
93.当船体板缝为水平连接且板厚相同的船体板缝时，判断板缝线10到两板材的邻近理论线20的距离st1、st2和阈值td1的大小关系；若阈值td1最小则无需简化；否则调整板缝线10位置，使板缝线10与st1和st2中较小值对应的邻近理论线20对齐；
94.当船体板缝为水平连接且板厚不同的船体板缝时，判断板缝线10到两板材的邻近理论线20的距离st1、st2和阈值td1的大小关系；若阈值td1最小则无需简化；否则调整板缝线10位置，使板缝线10与st1和st2中较小值对应的邻近理论线20对齐，并比较两板材厚度pt1和pt2的大小，将两板材的两条邻近理论线20之间的板材的厚度替换为pt1和pt2中的较小值；
95.当船体板缝为非水平连接的留余板缝，判断板缝线10到两板材边界的最小距离sl1、sl2和阈值td2间的大小关系；若小于阈值td2，则将板缝线10与相应边界之间的板材进行隔离处理，以便于后续划分网格时将其忽略；若大于等于阈值td2则无需简化。
96.s70，采用人工检查或借助第三方工具对预处理后的船舶简化模型进行检查，然后保存，以用于后续有限元网格划分。
97.与现有技术相比，本技术至少具有以下又以技术效果：
98.本技术通过梳理需预处理船体板缝的共性元素、构建描述船体板缝的通用数据结构、建立船体板缝预处理规则与简化方法、对每个船体板缝创建数据模型、筛选出需预处理的船体板缝和自动选用对应的预处理方法并完成船体板缝的简化处理，实现了船体板缝的自动简化，并得到符合有限元网格划分要求的船舶cad简化模型，使得在船舶结构强度验证时，可以利用预处理后的船舶cad简化模型进行有限元网格划分，实现船舶有限元模型的快速生成，减少中间过程重复建模，提高设计效率和设计准确性，缩短设计周期。
99.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。