船舶的設計建造過程中不同的階段根據需要將建多個模型。譬如，在整體設計階段，為了設計型線、性能校核以及艙容計算等創建船殼模型；在工藝設計中，需創建包含建造詳細信息的幾何模型；在結構強度計算時，需創建FEM模型等。這種不同階段的建模模式，導致大量重復勞動。當前所使用的幾何造型軟件，如CATIA，NX，PRO／E和有限元軟件；如MSC．Patran／Nastran、ANSYS等雖然有廣泛的通用性，但缺乏船舶行業針對性。因此，如果能將船舶領域所涉及到的應用模塊集中到同一個平臺上，那么用戶只需要創建一個完整的三維船舶CAD通用模型，使得“一個模型，多個用途”。這樣既可減少重復勞動，又可實現數據共享。
此平臺對船舶快速CAE建模有更加顯著的意義。數據統計顯示，有限元建模工作占到CAE分析的50％ 一80％ 。目前，船舶結構有限元建模大部分都采用手工建模的方式，即通過二維圖紙獲取位置信息和形狀信息再手工輸入，尤其是創建船體外殼時多是要借助外殼幾何，數據量龐大、工作繁瑣。平臺可以借助Nx實現船舶模型由CAD到CAE的轉換，為劃分網格提供幾何基礎。除此之外，NX中CAD／CAE強大的更新功能給用戶帶來極大的便利，當對CAD幾何模型進行修改，CAE模型包括網格也可以隨之更新。這不僅可以保證精度，降低建模出錯率，還可以保證CAD到CAE數據的穩定傳輸，為后期屬性映射做準備，最終可大幅度提高有限元分析效率。為此，探討基于NX的船舶模型的CAD到CAE模型預處理方案設計。
1 開發環境
NX是一款功能強大的CAD／CAM／CAE軟件，NX CAD以parasolid為內核提供強大的曲面造型功能，NX CAE提供快捷的有限元建模和模型處理功能，方便用戶快速由設計切換到分析，真正做到設計分析一體化。NX不僅可以通過uI操作來控制各種功能，還提供了多種應用程序開發包(API)對NX內部對象進行訪問。在這些API基礎上，用戶可以開發各種自動程序，定制NX功能，甚至可以在現有NX功能之上二次開發新的CAD／CAM／CAE軟件產品。
NX預處理平臺體系將借助API使用C++語言進行開發，其體系結構見圖1。
圖1 NX轉換平臺體系結構
為了保證平臺的穩定性，需保證開發模塊數據能與NX有效流動，所以CAD與CAE相關功能的開發都以其基本功能為基礎。
為了保證平臺的實用性，提高其兼容性，結合NX本身功能，設計平臺的數據接口見圖2。
圖2 系統數據接口
2 CAD／CAE模型預處理設計方案
2．1 CAD／CAE預處理思路
因為船舶實際結構十分復雜，而且CAD模型要包含盡可能詳細的形狀信息，所以在劃分網格之前需要忽略幾何模型中不必要的細節特征，保證單元質量提高分析效率。
NX自身模型層次為prt文件存儲CAD模型，iprt文件(另一種形式的pn文件)存儲幾何理想化模型，FEM文件存儲CAE模型。NX在CAD／CAE轉換過程中已完成數據的轉換，其內部將高精度描述的幾何體(sheet body)轉換為三角形描述的較低精度的多邊形幾何體(polygon body)。所以工作重心在模型簡化處理方面，平臺CAD／CAE的預處理系統的思路與結合NX模型層次設計見圖3。
圖3 CAD／CAE的預處理思路
2．2 CADl／CAE預處理流程
結合實際建模的需求和NX的功能特點，平臺CAD／CAE的預處理流程見圖4。
圖4 CAD／CAE預處理流程
平臺將通過簡單的人機交互，輔助用戶盡可能快速便捷地完成預處理的工作，為網格劃分做準備。
2．2．1 創建船體分析模型
創建船體幾何模型和有限元模型往往是一個多方協作的過程，復雜的模型更是由不同的人員分段創建。為了幫助用戶更靈活的建模，同時考慮了船舶分批審圖流程特點設計此功能。
創建分析模型結構見圖5，用戶選取需分析的結構并指定范圍，程序內部將其切割提取并wave link到同一個prt中，同時記錄筋與板、板與板的拓撲關系及屬性，以便在CAE中重構組織關系。
圖5 船體分析模型結構
NX可以同時管理同一個幾何模型關聯的多個FEM模型，所以用戶可以創建多個分析模型，用來分析不同位置的結構。除此之外，還可以在幾何模型只完成一部分的時候就開始創建有限元模型，譬如幾何模型中間艙段創建完畢后即可開始創建中間艙段的有限元模型。同時，別的用戶可以繼續創建幾何模型。最后通過NX更新，完成FEM模型與幾何模型的兼容匹配。
2．2．2 CAD模型預處理
CAD模型預處理包含一系列工具，幫助用戶忽略幾何模型不必要的細節特征。NX基礎建模包含大量的創建和修改幾何功能，但有些功能不能很方便地處理船舶模型，所以在NX現有功能基礎上提出以下新功能。
1)刪除小板。根據面積和長度搜索面積較小的幾何并刪除，用戶可用此功能刪除尺寸遠小于單元的片體，比如肘板。
2)消除圓角。根據半徑搜索圓角并刪除。
3)板趾端簡化。搜索趾端結構并對其進行簡化，簡化包括將趾端截斷和將其拉伸為四邊形片體。
4)刪除小筋。搜索長度較小的加強筋并刪除，以免影響網格劃分質量。
5)加強筋調整。因CAD模型中加強筋按照真實理論線布置，往往不能滿足網格劃分要求，所以提供手動調整加強筋的工具。用戶可調整加強筋理論線的起點或終點，程序保證加強筋的屬性及拓撲關系不變。
6)腰圓孔等效。創建粗網格模型時，腰圓孔有時可直接簡化成矩形孔。腰圓孔等效工具提供2種等效方式，即按面積、長寬比保持一致等效和保持最大長寬比等效。
7)刪除小孔。搜索面積或等效直徑在指定范圍內的孔(可自行選擇是否剔除人孔)，將其刪除。同時孔緣幾何線可以根據用戶的需要選擇是否提取保留，以便進一步簡化。
2．2．3 板格切割
在船舶幾何模型清理完畢后，就進入到板格切割的階段。板格切割是預處理過程中極其重要的一步，若構件相交處未切割，在該幾何面上劃分出的網格就無法匹配，見圖6。
圖6 相交板未切割導致網格不匹配
板格切割時，程序遍歷所有的板和筋，根據先前記錄的拓撲關系進行筋與板、板與板的切割。同時輸出切割后面(face)的屬性、邊(edge)的屬性、以及相交板處的邊對(edge pair)信息(板與板交線被多個edge共享，但edge屬于不同的face)，為屬性繼承做準備，并且在進入CAE環境下自動消除自由邊。
2．2．4 CAE模型預處理
在板格切割后，就進人到CAE環境中，繼續CAE模型預處理。
1)消除板縫與分片縫。在CAD模型中，板縫只有被切割才能對片體賦不同的屬性，另外在創建外殼時，在曲率變化較大的地方需分片擬合，這就導致出現板縫和分片縫。但在劃分網格時，板縫與分片縫會影響網格的質量，必須消除。該工具提供了快速消除板縫與分片縫的功能。在CAD建模時，對板縫和分片縫賦予了相應的屬性，使用該工具，程序將自動搜索板縫和分片縫并消除，將面合并。
2)刪除孔周小板。若開孑L面積很大，則開孑L周圍單元勢必會很小甚至畸形。故提供此功能，通過開孔面積占其板格比例進行搜索，比例過大則可刪除板格。
3 預處理功能的實現
以某船模型為例，模型創建到預處理各個階段見圖7～l0。
圖7為剛建好外殼與甲板的模型。在這個階段，模型中只有外殼與甲板，作為其他結構的建模基礎，外殼和甲板形狀須表達準確，位置須精準。注意箭頭所指處為建模導致的分片縫。
圖7 船殼與甲板
圖8為船體結構創建完畢的模型，為了真實模擬船體結構，結構中的小孔、圓角、趾端等細節特征須按照圖紙創建，并且為了后續預處理，所有結構都需有相應屬性。接下來將全船模型作為分析模型，進行預處理。
圖8 船體結構
圖9為經過CAD預處理的簡化模型。圖8中箭頭所指的小孔被刪除，圓角被消除。經過幾何清理后，進行板格切割，如圖9所示，模型已被切割成板格。CAD預處理完成，進入CAE預處理。
圖9 CAD預處理后的簡化模型
進入CAE環境，首先就要處理板縫與分片縫。在建模過程巾已經對板縫和分片縫賦予了對應的屬性，故使用“消除板縫與分片縫”工具即可一鍵消除，如圖l0所示。
圖l0 分片縫消除
至此，該模型預處理部分完成，可直接進行網格劃分。
4 結論
本文充分考慮船舶結構的建模特點，基于NX開發創建分析模型、CAD模型預處理、板格切割、CAE模型預處理等船舶特色功能，完成CAD模型到CAE的轉換方案設計。該平臺致力于輔助用戶快速完成CAD／CAE建模，功能力求操作便捷，滿足船舶專業人員的需求。通過測試證明，設計方案可行，工具實用。
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本文標題：基于NX的船舶CAD/CAE模型預處理
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