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一种六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法.pdf

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一种 六边形 集成 开口 船舶 上层建筑 快速 网格 划分 方法
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摘要
申请专利号:

CN201510566113.2

申请日:

2015.09.08

公开号:

太阳城集团CN105224722A

公开日:

2016.01.06

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情: 著录事项变更IPC(主分类):G06F 17/50变更事项:发明人变更前:王鹏博 王晓军 邱志平 朱静静变更后:邱志平 王鹏博 王晓军 朱静静|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20150908|||公开
IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
申请人: 北京航空航天大学
发明人: 王鹏博; 王晓军; 邱志平; 朱静静
地址: 100191 北京市海淀区学院路37号
优先权:
专利代理机构: 北京科迪生专利代理有限责任公司 11251 代理人: 成金玉;孟卜娟
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201510566113.2

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2016.05.04|||2016.02.03|||2016.01.06

法律状态类型:

著录事项变更|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法,该方法首先建立六边形集成式多开口船舶上层建筑的几何外形模型,然后通过切割各个平面的操作,将切割平面得到的直线作为骨材结构的几何模型,进而可以同时对切割得到的直线和所有切割后的平面划分有限元网格,得到六边形集成式多开口船舶上层建筑的网格模型。本方法可以快速得到不同上层建筑外形几何尺寸、不同开口数量、不同开口尺寸、不同开口位置下的有限元网格模型,提高了六边形集成式多开口船舶上层建筑的网格划分速度,便于在短太阳城集团内对多种不同参数下的设计方案展开快速网格划分,从而提高分析效率。

权利要求书

权利要求书
1.  一种六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法,其特征在于包括以下步骤:
第一步:首先建立没有开口的六边形集成式船舶上层建筑的几何外形模型;几何模型全部由平面组成;六边形集成式船舶上层建筑的结构区域包括各层甲板,前壁、后壁、侧壁、左前侧壁、右前侧壁、横舱壁、纵舱壁;真实的船舶结构是左右对称的,对右边一半的上层建筑进行分析,另一半结构采用镜像对称操作即可;
第二步:通过布尔减运算得到开口之后的上层建筑几何模型;集成式船舶上层建筑的开口为矩形,开口位置只位于外侧壁面上,即侧壁、前壁、后壁、左前侧壁、右前侧壁上;内部主承力结构的横舱壁、纵舱壁、各层甲板上则没有开口;
第三步:上层建筑几何模型全部由点、线、面组成,给所有的平面进行编号S1,S2,……SN;N是所有平面的个数;
第四步:真实船舶结构中,在板上增加骨材结构,起到加强筋的作用,反映到层建筑几何模型上即是板上的直线;船舶骨材布置方式采用纵骨架式;相邻骨材的间隔距离均相同,设为△d;各个平面是矩形或平行四边形,根据边长除以△d,小数部分舍去,得到每一个平面上布置骨材的个数K1,K2,……KN;
第五步:对于平面Si,根据平面具体形状,按照纵骨架式布局,依次进行平面切割,切割的间隔距离为△d,切割平面得到的直线作为骨材的几何模型;平面Si的切割次数为Ki,即有Ki根骨材;i从1循环至N;
第六步:所有通过切割平面得到的直线作为骨材结构;对所有切割平面得到的直线进行自动划分梁单元网格;
第七步:对所有平面自动划分壳单元网格,得到的壳单元二维网格和第六步得到的梁单元网格是相互匹配的;至此得到整个上层建筑右侧一半结构的有限元模型,上层建筑结构是左右镜像对称的;
第八步:把第七步得到的整个上层建筑右侧一半结构的有限元模型沿着整个上层建筑的对称平面进行镜像对称操作,至此,得到整个六边形集成式多开口船舶上层建筑的有限元模型。

2.  根据权利要求1所述的六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法,其 特征在于:所述第二步中,得到开口之后的上层建筑几何模型的具体操作是建立各个开口的几何模型,即一个矩形平面,然后通过布尔减运算,用整个上层建筑的几何模型减去该矩形平面,得到了一个开口结构;每个开口结构都进行类似操作,即得到开口之后的上层建筑几何模型。

说明书

说明书一种六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法
技术领域
本发明适用于六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分,用于在不同设计参数下,参数化生成几何模型,并且快速划分有限元网格。具体涉及到六边形集成式多开口船舶上层建筑的参数化生成几何模型以及多开口加筋板几何模型的参数化有限元网格划分。
背景技术
由于隐身技术可以有效降低水面舰船的可探测性,显著提高抗打击能力,因而愈发受到各国海军的高度重视。舰船上层建筑位于水面以上,其隐身特性很大程度上决定着整船的生存能力。进入21世纪,舰船上层建筑向着一体化集成化方向发展,典型代表是美国海军DDG-1000Zumwalt级驱逐舰,其上层建筑构造布局采用了六边形集成式多开口结构形式。
集成式上层建筑是水面舰船设计的一次重大变革,彻底改变了舰船上层建筑的面貌。传统上层建筑采用分散式布局,布局形式较为凌乱,不利于调整上层建筑的质心位置,雷达反射截面积也较大;集成式上层建筑将电子系统、天线和上层建筑结构进行共形设计,采用最新研制的复合隐身材料和涂料,将传统的散落布置于舰体各处的探测器、通信天线集中起来,使舰艇隐身性能获得显著提高,不仅降低了舰船的雷达反射截面,较好地解决了电磁兼容问题,还减了少上层建筑的质量,实现了水面舰船作战性能和隐身性能的综合。
采用集成式设计布局时,需要将很多原来安装在上层建筑外部的设备转移到上层建筑内部,需要在上层建筑上布置开口。上层建筑的外壁面倾角直接影响其雷达散射截面积的大小。为了综合分析,需要研究不同壁面倾角时,不同开口位置、开口大小、开口数量下的集成式上层建筑的结构特性。目前对于船舶上的多开口并且有骨材的结构的有限元模型,常规做法是人工手动建立几何模型,然后人工手动划分有限元网格。如果针对每一种情况建立一种有限元分析模型,网格划分的工作量会非常巨大和耗时,因此有必要考虑用参数化网格划分的方法研究多开口结构的集成式上层建筑。
通过对六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法,可以通过参数调整(例如外壁面倾角、甲板高度、开口个数、开口位置、开口尺寸等)实现不同设计方案下的快速有限元网格划分,便于在短太阳城集团内产生多套有限元模型进行结构特性分析;有限元模型可以全部参数化生成,可以把任意参数设置为设计变量,便于对结构特性和RCS隐身特性展开优 化分析;整个六边形集成式多开口船舶上层建筑有限元模型的网格划分过程不需要人工干预,提高了有限元网格划分速度,省去了人工的大量重复性网格划分操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法,为了实现上述目的,其内容包括:
第一步:首先建立没有开口的六边形集成式船舶上层建筑的几何外形模型。几何模型全部由平面组成,没有曲面。六边形集成式船舶上层建筑的结构区域包括各层甲板,前壁、后壁、侧壁、左前侧壁、右前侧壁、横舱壁、纵舱壁。真实的船舶结构一般都是左右对称的,因此只对右边一半的上层建筑进行分析,另一半结构采用镜像对称操作即可;
第二步:通过布尔减运算得到开口之后的上层建筑几何模型。由于集成式船舶上层建筑的开口多是矩形形状,这里规定开口形状均是矩形,开口位置只位于外侧壁面上,即侧壁、前壁、后壁、左前侧壁、右前侧壁上。内部主承力结构如横舱壁、纵舱壁、各层甲板上则没有开口。具体操作是建立各个开口的几何模型,即一个矩形平面,然后通过布尔减运算,用整个上层建筑的几何模型减去该矩形平面,这样就得到了一个开口结构。每个开口结构都进行类似操作;
第三步:这时的几何模型全部由点、线、面组成,为了便于后期的切割平面操作,给所有的平面进行编号S1,S2,……SN;N是所有平面的个数;
第四步:真实船舶结构中,为了提高板的承载能力,要在板上增加骨材,起到加强筋的作用,反映到几何模型上就是板上的直线。船舶骨材布置方式有纵骨架式和横骨架式,这里采用纵骨架式。相邻骨材的间隔距离均相同,设为Δd。各个平面一般是矩形或平行四边形,根据边长除以Δd,小数部分舍去,得到每一个平面上布置骨材的个数K1,K2,……KN;
第五步:对于平面Si,根据平面具体形状,按照纵骨架式布局,依次进行平面切割,切割的间隔距离为Δd,切割平面得到的直线作为骨材的几何模型。平面Si的切割次数为Ki,即有Ki根骨材。i从1循环至N;
第六步:所有通过切割平面得到的直线作为骨材结构。对所有切割平面得到的直线进行自动划分梁单元网格;
第七步:对所有平面自动划分壳单元网格。这时得到的壳单元二维网格和第六步得到的梁单元网格是相互匹配的。至此得到整个上层建筑右侧一半结构的有限元模型。上层建筑结构是左右镜像对称的;
第八步:把第七步得到的整个上层建筑右侧一半结构的有限元模型沿着整个上层建筑的 对称平面进行镜像对称操作,至此,得到整个六边形集成式多开口船舶上层建筑的有限元模型。
进一步的,所述第二步中,得到开口之后的上层建筑几何模型的具体操作是建立各个开口的几何模型,即一个矩形平面,然后通过布尔减运算,用整个上层建筑的几何模型减去该矩形平面,得到了一个开口结构;每个开口结构都进行类似操作,即得到开口之后的上层建筑几何模型。
本发明与现有技术相比的优点在于:目前对于船舶上的多开口并且有骨材的结构的有限元模型,常规做法是人工手动建立几何模型,然后人工手动划分有限元网格。这样操作的缺点在于,如果上层建筑的几何拓扑结构改变,网格必须重新划分。由于网格不能自动划分,网格划分的人工工作量非常巨大。本发明中,整个六边形集成式多开口船舶上层建筑有限元模型的网格划分过程不需要人工干预,提高了网格划分速度,省去了人工的大量重复性网格划分操作;而且有限元模型可以全部参数化生成,也便于对不同的结构特性展开优化分析。
附图说明
图1是本发明中六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分的流程;
图2是本发明中六边形集成式上层建筑外形俯视图和整体坐标系;
图3是本发明中上层建筑右侧一半对称结构的外形几何尺寸;
图4是本发明中上层建筑右前侧壁在水平面投影图;
图5是本发明中上层建筑各层甲板和横舱壁示意图;
图6是本发明中上层建筑外壁面倾角示意图;
图7是本发明中开口结构的示意图;
图8是本发明中对平面进行切割的示意图;
图9是本发明中船舶结构中T型骨材截面三维示意图;
图10是本发明中六边形集成式多开口船舶上层建筑镜像对称后的整体网格模型;
图11是本发明的实施例中,右侧一半对称结构的无开口几何外形模型;
图12是本发明的实施例中,建立开口结构之后的几何模型;
图13是本发明的实施例中,对各个平面按照骨材间距进行切割平面操作后的几何模型;
图14是本发明的实施例中,骨材几何模型进行梁单元网格划分后的示意图;
图15是本发明的实施例中,平面几何模型进行壳单元网格划分后的示意图;
图16是本发明的实施例中,右侧一半对称结构划分完网格后的有限元模型;
图17是本发明的实施例中,右侧一半对称结构的几何模型和网格进行镜像对称操作后的整体有限元模型。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法,为了实现上述目的,其具体实现步骤是:
第一步:首先建立没有开口的六边形集成式船舶上层建筑的几何外形模型。几何模型全部由平面组成,没有曲面。
六边形集成式上层建筑外形俯视图和整体坐标系见图2。真实的船舶结构一般都是左右对称的,因此只对右边一半的上层建筑进行分析,另一半结构采用镜像对称操作即可。上层建筑右侧一半对称结构的外形几何尺寸见图3。
上层建筑太阳城集团oxz平面对称,因此这里只分析图3中ox轴以下的部分。
在图3中,ABNOFA是底层甲板的边界,CDMO’EC是顶层甲板的边界。上层建筑的最大长度是L,最大宽度是W,侧壁的最大长度是a,前壁的最大宽度是b。上层建筑允许有多层甲板,最大高度H,示意图见图5。侧壁、右前侧壁、前壁、后壁的倾角定义为壁面和水平面的夹角,分别设为θ1、θ2、θ3和θ4,四个倾角的示意图见图6。
要建立上层建筑的几何模型,需要知道图3中的每个顶点的三维坐标:
点A:(xA,yA,zA)=(a,-W,0)
点B:(xB,yB,zB)=(L,-b,0)
点C:(xC,yC,zC)=(xC,-W+H/tanθ1,H)
点D:(xD,yD,zD)=(L-H/tanθ3,yD,H)
点E:(xE,yE,zE)=(H/tanθ4,-W+H/tanθ1,H)
点F:(xF,yF,zF)=(0,-W,0)
点M:(xM,yM,zM)=(L-H/tanθ3,0,H)
点N:(xN,yN,zN)=(L,0,0)
点O:(xO,yO,zO)=(0,0,0)
点O’:(xO',yO',zO')=(H/tanθ4,0,H)
可以看出,在图3的所有顶点中,只有C点横坐标xC和D点纵坐标yD是未知的。将C点和D点向oxy平面投影,投影点分别为C’和D’,示意图见图4。C’点和D’点的坐标分别为(xC',yC',0)和(xD',yD',0),由立体几何的知识可知:xC'=xC,yC'=yC;xD'=xD,yD'=yD。因此只要求出C’点和D’点的坐标即可。
在图4中,AC’、C’D’、D’B’分别是直线AC、CD、DB在oxy平面的投影。AB直线的 斜率设为k:
k=yB-yAxB-xA=W-bL-a---(1)]]>
AB直线的方程可以写为:
y-yAx-xA=k,]]>
y=kx+yA-kxA(2)
由于平面ABNOFA∥平面CDMO’EC,因此直线AB∥直线CD,即直线AB∥直线C’D’,因此直线C’D’的斜率也是k,只是截距和直线AB不同。直线AB和直线C’D’的距离d:
d=H/tanθ2(3)
直线AB和x轴的夹角θ=arctank,直线AB和直线C’D’在y轴上的截距之差为Δb:
Δb=d/cosθ=d·1+k2---(4)]]>
根据上面(2)式,直线C’D’的直线方程可以写为:
y=kx+(yA-kxA+Δb)(5)
已知点C’的纵坐标yC'=-W+H/tanθ1,根据上面(5)式得到点C’的横坐标xC'为:
xC=yC-(yA-kxA+Δb)k---(6)]]>
已知点D’的横坐标为xD'=L-H/tanθ3,根据上面(5)式得到点D’的纵坐标yD'为:
yD'=kxD'+(yA-kxA+Δb)(7)
由于xC'=xC,yD'=yD,即求出了C点和D点的坐标。
至此,确定六边形集成式上层建筑外形的顶点的坐标值就可以全部求出,可以建立如图3所示的几何外形模型。
第二步,通过布尔减运算得到开口之后的上层建筑几何模型。
这里规定开口形状均是矩形。由于开口会降低结构的刚度,因此开口位置只位于外侧壁面上,即侧壁、前壁、后壁、左前侧壁、右前侧壁上。内部主承力结构,如横舱壁、纵舱壁、各层甲板上,从保证刚度的角度考虑,则没有开口。
具体操作是建立各个开口的几何模型,即一个矩形平面,然后通过布尔减运算,用整个上层建筑的几何模型减去该矩形平面,这样就得到了一个开口结构。在图7中,ABCD是原来的平面,建立矩形平面PQRS,进行布尔平面相减运算,平面ABCD减去平面PQRS,即得到开口结构。每个开口结构都通过类似操作得到。
第三步:这时的几何模型全部由点、线、面组成,为了便于后期的切割平面操作,给所有的平面进行编号S1,S2,……SN;或者对全体平面进行分组,每个单独的平面作为一个独立的分组。
第四步:真实船舶结构中,为了提高板的承载能力,要在板上增加骨材,起到加强筋的作用,反映到几何模型上就是板上的直线。船舶骨材布置方式有纵骨架式和横骨架式,这里采用纵骨架式布局。
有限元分析中,板结构一般采用2维的壳单元,骨材一般采用1维的梁单元。加筋板结构在划分网格时的关键问题是要保证板的网格和骨材的网格协调,即板与骨材具有公共的节点。要实现这一目标,需要在骨材的位置对板进行切割操作,形成一个个“板格”结构,让板和骨材拥有共同的边界,从而在网格划分时形成匹配的节点和协调的单元。
一般同一艘船舶中,所有位置上相邻骨材的间隔距离均相同,这里设为Δd。各个平面一般是矩形或平行四边形,根据边长除以Δd,小数部分舍去,得到每一个平面上布置骨材的个数K1,K2,……KN。
图8中A0B0C0O是第i个平面区域Si,上面A1B1、A2B2……ANBN处布置有骨材,需要对平面A0B0C0O进行切割操作。板的长度d,相邻骨材的间距都是Δd,确定切割的次数Ki:
Ki=d-mod(d,Δd)Δd---(8)]]>
mod代表取余数操作,因为d/Δd一般情况下不是整数,因此d-mod(d,Δd)表示进行取整操作。
需要特别说明的是,要布置骨材的区域Si的形状不一定是规则的矩形,也可能是梯形、四边形或者其他形状,因为上层建筑的各个区域的外形是不规则的。这时,只需要把上面(8)式中d的长度换成垂直于骨材方向的最短边长即可。
第五步:对于平面Si,根据平面具体形状,按照纵骨架式布局,依次进行平面切割,切割的间隔距离为Δd,切割平面得到的直线作为骨材的几何模型。平面Si的切割次数为Ki,即有Ki根骨材。i从1循环至N。
对平面切割操作可以用工作平面切割,也可以用直线切割。
第六步:所有通过切割平面得到的直线作为骨材结构。对所有切割平面得到的直线进行自动划分梁单元网格。船舶结构中常用的骨材是T型截面骨材,示意图见图9。
第七步:对所有平面自动划分壳单元网格。这时得到的壳单元二维网格和第六步得到的梁单元网格是相互匹配的。加筋板结构网格划分时的网格划分基本尺寸一般选择为相邻骨材 的间距,或者是相邻骨材间距的一半。至此得到整个上层建筑右侧一半结构的有限元模型。上层建筑结构是左右镜像对称的。
第八步:把第七步得到的整个上层建筑右侧一半结构的有限元模型沿着整个上层建筑的对称平面,即整体坐标系中的xoz平面,进行镜像对称操作。至此,得到整个六边形集成式多开口船舶上层建筑的有限元模型,示意图见图10。
实施例:
为了更充分地了解该发明的特点及其对工程实际的适用性,本发明针对六边形集成式多开口船舶上层建筑,在右侧一半对称结构共计10个开口的情况下,(整体模型共计20个开口),使用ANSYS商业有限元软件进行快速网格划分,用以验证本方法的有效性和适用性。
参考图3,图5,图6,上层建筑基本参数选取如下:
最大长度:L=30m;
最大宽度(右侧一半对称结构):W=8.5m;
侧壁最大长度:a=25.5m;
前壁最大宽度(右侧一半对称结构):b=4m;
最大高度:H=12.5m;
上层建筑共计6层甲板,相邻甲板之间高度相等;
侧壁倾角:θ1=80°;
右前侧壁倾角:θ2=75°;
前壁倾角:θ3=75°;
后壁倾角:θ4=75°。
右侧一半对称结构上,共计开口10个,位置如下:
(1)侧壁开口数量:3个;
(2)右前侧壁开口数量:3个;
(3)前壁开口数量:2个
(4)后壁开口数量:2个
首先建立右侧一半对称结构的无开口几何外形模型,如图11;
然后建立开口结构,如图12;
对各个平面按照骨材间距进行切割平面操作,如图13;
对骨材几何模型进行梁单元网格划分,如图14;
对平面几何模型进行壳单元网格划分,如图15;
右侧一半对称结构划分完网格后的有限元模型如图16;
对右侧一半对称结构的几何模型和有限元模型进行镜像对称操作,得到整个六边形集成式多开口船舶上层建筑的网格模型如图10和图17。
整个网格划分过程完全自动生成,没有人工干预划分网格操作。
该实施例验证了本方法的有效性和适用性。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

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