基于NX的船舶CAD/CAE模型预处理

    船舶的设计建造过程中不同的阶段根据需要将建多个模型。譬如，在整体设计阶段，为了设计型线、性能校核以及舱容计算等创建船壳模型；在工艺设计中，需创建包含建造详细信息的几何模型；在结构强度计算时，需创建FEM模型等。这种不同阶段的建模模式，导致大量重复劳动。当前所使用的几何造型软件，如CATIA，NX，PRO／E和有限元软件；如MSC．Patran／Nastran、ANSYS等虽然有广泛的通用性，但缺乏船舶行业针对性。因此，如果能将船舶领域所涉及到的应用模块集中到同一个平台上，那么用户只需要创建一个完整的三维船舶CAD通用模型，使得“一个模型，多个用途”。这样既可减少重复劳动，又可实现数据共享。

    此平台对船舶快速CAE建模有更加显著的意义。数据统计显示，有限元建模工作占到CAE分析的50％ 一80％ 。目前，船舶结构有限元建模大部分都采用手工建模的方式，即通过二维图纸获取位置信息和形状信息再手工输入，尤其是创建船体外壳时多是要借助外壳几何，数据量庞大、工作繁琐。平台可以借助Nx实现船舶模型由CAD到CAE的转换，为划分网格提供几何基础。除此之外，NX中CAD／CAE强大的更新功能给用户带来极大的便利，当对CAD几何模型进行修改，CAE模型包括网格也可以随之更新。这不仅可以保证精度，降低建模出错率，还可以保证CAD到CAE数据的稳定传输，为后期属性映射做准备，最终可大幅度提高有限元分析效率。为此，探讨基于NX的船舶模型的CAD到CAE模型预处理方案设计。

1 开发环境

    NX是一款功能强大的CAD／CAM／CAE软件，NX CAD以parasolid为内核提供强大的曲面造型功能，NX CAE提供快捷的有限元建模和模型处理功能，方便用户快速由设计切换到分析，真正做到设计分析一体化。NX不仅可以通过uI操作来控制各种功能，还提供了多种应用程序开发包(API)对NX内部对象进行访问。在这些API基础上，用户可以开发各种自动程序，定制NX功能，甚至可以在现有NX功能之上二次开发新的CAD／CAM／CAE软件产品。

    NX预处理平台体系将借助API使用C++语言进行开发，其体系结构见图1。

    图1 NX转换平台体系结构

    为了保证平台的稳定性，需保证开发模块数据能与NX有效流动，所以CAD与CAE相关功能的开发都以其基本功能为基础。

    为了保证平台的实用性，提高其兼容性，结合NX本身功能，设计平台的数据接口见图2。

    图2 系统数据接口

2 CAD／CAE模型预处理设计方案

2．1 CAD／CAE预处理思路

    因为船舶实际结构十分复杂，而且CAD模型要包含尽可能详细的形状信息，所以在划分网格之前需要忽略几何模型中不必要的细节特征，保证单元质量提高分析效率。

    NX自身模型层次为prt文件存储CAD模型，iprt文件(另一种形式的pn文件)存储几何理想化模型，FEM文件存储CAE模型。NX在CAD／CAE转换过程中已完成数据的转换，其内部将高精度描述的几何体(sheet body)转换为三角形描述的较低精度的多边形几何体(polygon body)。所以工作重心在模型简化处理方面，平台CAD／CAE的预处理系统的思路与结合NX模型层次设计见图3。

    图3 CAD／CAE的预处理思路

2．2 CADl／CAE预处理流程

    结合实际建模的需求和NX的功能特点，平台CAD／CAE的预处理流程见图4。

    图4 CAD／CAE预处理流程

    平台将通过简单的人机交互，辅助用户尽可能快速便捷地完成预处理的工作，为网格划分做准备。

2．2．1 创建船体分析模型

    创建船体几何模型和有限元模型往往是一个多方协作的过程，复杂的模型更是由不同的人员分段创建。为了帮助用户更灵活的建模，同时考虑了船舶分批审图流程特点设计此功能。

    创建分析模型结构见图5，用户选取需分析的结构并指定范围，程序内部将其切割提取并wave link到同一个prt中，同时记录筋与板、板与板的拓扑关系及属性，以便在CAE中重构组织关系。

    图5 船体分析模型结构

    NX可以同时管理同一个几何模型关联的多个FEM模型，所以用户可以创建多个分析模型，用来分析不同位置的结构。除此之外，还可以在几何模型只完成一部分的时候就开始创建有限元模型，譬如几何模型中间舱段创建完毕后即可开始创建中间舱段的有限元模型。同时，别的用户可以继续创建几何模型。最后通过NX更新，完成FEM模型与几何模型的兼容匹配。

2．2．2 CAD模型预处理

    CAD模型预处理包含一系列工具，帮助用户忽略几何模型不必要的细节特征。NX基础建模包含大量的创建和修改几何功能，但有些功能不能很方便地处理船舶模型，所以在NX现有功能基础上提出以下新功能。

    1)删除小板。根据面积和长度搜索面积较小的几何并删除，用户可用此功能删除尺寸远小于单元的片体，比如肘板。

    2)消除圆角。根据半径搜索圆角并删除。

    3)板趾端简化。搜索趾端结构并对其进行简化，简化包括将趾端截断和将其拉伸为四边形片体。