有限元模型建立

船体模型包含许多比较复杂的曲面，Workbench中的建模板块“Geometry”不能满足船体模型快速建模的要求，因此处理比较复杂的船体几何模型通常用Solid Works，UG，Pro E、犀牛等三维建模软件，但用它们建立起的船体几何模型需保存成IGS文件或者STP文件才能够导入ANSYS的“Ggeometry”模块中使用。

在开发“海狼号”的过程中发现，使用三维软件建立的船体模型如果是实体单元，在ANSYS分析计算过程中要耗费很多内存，计算时间也比较长。本节分析采用概念建模的方法将船体板定义为无厚度的壳体，将骨架定义为线体，其壳体和线体在划分网格的时候类似于ANSYS经典版本的壳单元和梁单元。

本节分析模型不包括上层建筑，仅是对船体模型的静结构强度进行分析校核。分析的重点是除上层建筑外的船体结构强度，并不考虑上层建筑的受力情况，所以本节的分析不涉及上层建筑的三维模型，也不关注上层建筑结构强度。

1）导入船体几何模型

（1）导入船体模型的方法。

①直接将几何模型文件拖入Workbench的“项目图表”窗口，将自动建立“Geometry”模块。

②鼠标双击“Component System”中的“Geometry”板块，右击“A2”中的“Geometry”，在其“Import Geometry”中选择“Browse”导入船体模型（见图6-10）。

图6-10 浏览文件导入船体模型

（2）选择船体模型在“Geometry”中显示的单位，如图6-11所示。

图6-11 G犲狅m犲try中的单位选择

（3）单击“Generate”生成几何模型（见图6-12）。

图6-12 “G犲n犲rat犲”按钮位置

船体模型以X方向为船长方向，Y方向为型宽方向，Z方向为型深方向。本节下述分析过程使用的船体模型是基于IPS推进系统时，初步设计的骨架形式（见图6-13）。

注意：龙骨和船底板、舷侧板都是没有厚度的壳体。

图6-13 导入“G犲狅m犲try”的模型

2）建立船体肋骨

（1）在XY平面建立生成肋骨的线。

①选中XY平面，点击“Sketching”进入绘图工具栏界面（见图6-14）。

②绘制一条直线（Line）。

③通过“Modify”中的“Offset”命令阵列绘制直线，最终得到21条直线。

④标注相邻两条直线之间的尺寸（按肋骨在船体上的排列尺寸数据修改肋骨间距尺寸值，见图6-15）。

修改完成后如图6-16所示。

图6-14 绘图工具栏界面

图6-15 肋骨间距尺寸

图6-16 “G犲狅m犲try”中绘制的“Lin犲”

（2）从平面图生成线体（Line Body）。

①从“Concept”中选择命令（见图6-17）；

②选中XY平面的所画线；

③点击“Apply”（见图6-18）；

④单击“Generate”生成线体。

图6-17 “C狅nc犲pt”命令栏

图6-18 生成线体的“D犲tailVi犲w”栏

（3）舷侧板面合并。在研发“海狼号”游艇的过程中发现，在对整船进行静结构强度分析时，舷侧板上建立窗特征时分割的面经常导致网格划分失败，因此需将舷侧板面合并成一个面。

①选中要合并的面（见图6-19中颜色较深的部分）；

②单击“Tool”下拉菜单中的“Merge”命令（见图6-19）；

③点击“Apply”命令（见图6-20）；

④单击“Generate”按钮，完成合并。

合并前后对比情况如图6-21和图6-22所示。

图6-19 合并工作窗口

图6-20 面合并“D犲tail”栏

图6-21 合并前舷侧板

图6-22 合并后舷侧板

（4）将生成的线（Line）投影到船底板和舷侧板上。

①选择“Tool”中的“Projection”命令（见图6-23）；

②选中生成的线（Line），在“Detail View”栏中的“Edges”后单击“Apply”；

③单击“Type”下拉菜单，选择“Edges On Body”（见图6-24）；

④单击“Target”，选中船体，点击“Apply”（见图6-25）；

图6-23 “T狅狅l”命令栏

图6-24 投影“D犲tailVi犲w”栏1

图6-25 投影“D犲tailVi犲w”栏2

图6-26 投影调整方向“D犲tailVi犲w”栏

⑤单击“Direction Vector”并选中图示的面，点击两个箭头，调整方向指向甲板，点击“Apply”（见图6-26）；

⑥单击“Generate”生成投影。

（5）将线（Line）生成线体（Line Body）。

①单击“Concept”中的“Line From Edges”命令（见图6-27）；

②在“Edges”下选择所有投影到船底板和舷侧板上的线，点击“Apply”（见图6-28）；

③点击“Generate”生成线体（见图6-29）。

图6-27 “C狅nc犲pt”命令栏

图6-28 生成线体“D犲tailVi犲w”栏1

图6-29 生成线体“D犲tailVi犲w”栏2

（6）合并船底板和舷侧板被投影线分割的面，共合并8个面（见图6-30）。将被分割的面合并，有利于网格划分的效果。

3）建立甲板

（1）建立3D直线。

①从“Concept”下选择“3DCurve”命令（见图6-31）；

图6-30 合并面项目

图6-31 “C狅nc犲pt”命令栏

②选中船体模型尾部两点；

③点击建立3D直线“Detail View”栏中的“Apply”（见图6-32）；

④点击“Generate”生成船艉的3D直线。

图6-32 建立3D直线“D犲tailVi犲w”栏

（2）合并甲板边线。投影到舷侧板上的线把甲板边线分割成许多小段，这些小段需要合并成完整的甲板边线。船体其他部位也要检查有没有需要合并的线，例如龙骨的面合并完成后，还要对龙骨两侧的边线进行合并。合并线命令和合并面的命令基本相同。

①“Merge Ttype”下拉菜单中选择“Edges”（见图6-33）；

②选中甲板边线，点击“Apply”（见图6-34）；

③单击“Generate”生成合并的完整甲板边线。

图6-33 合并甲板边线“D犲tailVi犲w”栏

图6-34 甲板边线

（3）建立甲板面。

①从“Concept”中选择“Surfaces From Edges”命令（见图6-35）；

②选中图6-36中的三条线，点击“Apply”；

③点击“Generate”生成甲板面。

图6-35 “C狅nc犲pt”命令栏

图6-36 生成甲板面的三条线

4）建立甲板横梁

（1）将XY平面生成的线体投影到甲板面上。

①选择“Tool”中的“Projection”命令（见图6-37）；

②选中要投影的线体（Line Body），选择“Detail View”栏中的“Edges”后点击“Apply”（见图6-38）；

③点击“Type”后下拉菜单，选择“Points On Face”（见图6-39）；

④点击“Target”，选中甲板面，点击“Apply”（见图6-40）；

⑤单击“Direction Vector”并选中图示的面，点击两个箭头，调整方向指向甲板，点击“Apply”（见图6-40）；

⑥单击“Generate”生成投影线。

（2）将投影到甲板上的线（Line）生成线体（Line Body）。

①点击“Concept”中的“Line From Edges”命令（见图6-41）；

②在生成线体“Detail View”栏的“Edges”下选择甲板上投影的线，点击“Apply”（见图6-42）；

图6-37 “T狅狅l”命令栏

图6-38 甲板投影“D犲tailVi犲w”栏1

图6-39 甲板投影“D犲tailVi犲w”栏2

图6-40 甲板投影“D犲tailVi犲w”栏方向选择

图6-41 “C狅nc犲pt”命令栏

图6-42 生成线体“D犲tailVi犲w”栏

③单击“Generate”生成线体（Line Body）（见图6-43）。

图6-43 甲板投影线

（3）合并甲板上被分割的22个面（见图6-44）。

图6-44 合并甲板上被分割的面

5）新建梁的截面

（1）截面形状。

①在“Concept”中的“Cross Section”中选“Rectangular”命令（见图6-45）；②修改截面的B，H尺寸（见图6-46）。

（2）合并部分（Part）。“Form New Part”命令可以使该“Part”中的各个个体单元（Body）连接起来，使这个“Part”中的线、面网格都协调一致。

①将分析用不到的体（Body）在“Tree Outline”中选中（右击），点击“Form New Part”（见图6-47）；

②将新建的“Part”抑制（Suppress Part），对于抑制的体，在划分网格和分析的时候将不会对其进行操作（见图6-48）；

图6-45 “C狅nc犲pt”命令栏

图6-46 截面草图修改尺寸“D犲tailVi犲w”栏

图6-47 新建“Part”

图6-48 抑制“Part”

③按照上述介绍方法将所有的壳体新建一个“Part”（见图6-49）；

④按照上述介绍方法将所有的线体新建一个“Part”（见图6-50）。

图6-49 新建壳“Part”

图6-50 新建线“Part”

（3）选中一个线体，在其“Details View”中的“Cross Section”中选择“Rect2”作为线体表示的梁的截面（见图6-51）。用同样的方法将线体“Part”中所有线体（3-DCurve除外）表示成梁。

图6-51 截面选择“D犲tailVi犲w”栏

（4）定义截面和线的相对位置（见图6-52）。选择“User Define”，在Y方向输入“－0．315”，表示截面与线的位置关系（见图6-53）。

注意：每条线体都要按照上述方法定义。

6）“Joint”（连接）命令

“Joint”命令用于将各个面连接起来。连接后的板有一条相邻的边，相邻板之间的网格协调一致。甲板面与舷侧板面、龙骨板面与船底板面之间需要使用“Joint”命令连接。

（1）在“Tool”中选择“Joint”命令（见图6-54）。

图6-52 截面位置“D犲tailVi犲w”栏1

图6-53 截面位置“D犲tailVi犲w”栏2

图6-54 “T狅狅l”命令栏

（2）选中要合并的面点击“Apply”（见图6-55）。

（3）单击“Generate”生成“Joint”。

图6-55 “J狅intD犲tailVi犲w”栏