基于ANSYS的船舶结构有限元计算模板的研究与应用
摘要
有限元方法是一种求解连续介质力学问题的通用数值方法。它广泛应用于航空航天、船舶、土木水利、机械、石油、电子等工业领域。随着计算机在软、硬件上的快速发展，有限元分析无论是在理论，还是在计算技术方面都已取得巨大的进步，一些大型通用的有限元软件也相继投入实际应用，如ANSYS、MSC／NASTRAN、ABAQUS、ADINA、ALGOR等，它们已成为计算机辅助设计系统的重要组成部分。
在船舶结构设计和结构强度的校核过程中，往往需要反复进行“设计—建模—分析—修改设计—再建模—再分析”的过程，但当前有限元分析软件系统都存在前后处理过程复杂、烦琐、易出错、费时费力、对软件使用者要求高等问题。如果按照现有有限元分析软件所规定的步骤，逐一对每次修改重新建模分析，在有限元建模和处理结果时存在着大量的重复性工作，而且出错机率也会相应增加，影响到设计分析的效率和质量。
针对有限元软件在船舶结构直接计算的应用要求，本文基于ANSYS平台开发了参数化的船体结构有限元计算系统。该计算系统将参数化技术引入船舶结构的有限元计算，初步实现了船体结构有限元建模、计算和后处理的全程参数化；借助功能强大的软件开发工具Visual C++，利用Windows的进程通信机制，建立了基于消息的控制中心，完成程序与ANSYS间的数据传递，实现了对ANSYS的封装，从而形成专业化、参数化的有限元计算系统。
全文共分七章，第一章介绍了本文所涉及的研究领域，通过分析领域中存在的问题，揭示了本文研究的应用背景和意义。第二章介绍了实现系统所依赖的平台和开发工具。第三章主要介绍了作者在船体结构有限元计算的参数化方面的工作。第四章介绍了基于APDL语言的LPG船体舱段有限元计算模块LPGFEA的实现过程。第五章介绍了计算模板的程序实现。第六章结合工程实例介绍了该模板的使用方法。在第七章，作者对全文进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。
Finite element method is a popular numerical analysis method, which is widely applied in many industrial fields such as aviation, architecture, mechanics, electronics and chemistry. With the development of compute technology in soft and hard, the FEM has made great advances. Some finite element analysis(FEA) soft such as ANSYS MSC/NASTRAN ABAQUS ADINA ALGOR have been inputted into the practical projects. These FEA soft have become the most important part of CAD and CAE.
During the design and strength calculating of ship structure, the process "preliminary design-modeling-analysis-revision-re-design-re-modeling-re-analysis" will be carried out repeatedly, and there are some defects in the apply of FEA soft, such as the preprocessor and the postprocessor of these FEA soft are operated complex, the requirement to users is too much, and the user be apt to make mistake during the processing. If each scheme is analyzed completely according to the requirement of FEA, much time are wasted on the duplicated operation, and the ratio of error rises.
To solve the problems mentioned above, the author studies the problems carefully and gives some solutions.
A template for ship structure strength calculating and analysis based on ANSYS is built. The system possesses the following features: 1) a method of parametric finite element analysis for ship structure is presented in this system, the FEA model is droved by the parameters. 2) Through proceeding communication mechanism of Windows, the centre of control based on passages is formed. It can use the ANSYS as a subprogram.
The thesis consists of seven chapters: in chapter one, the author introduces background and significance of this study. Chapter two is introduction about the platforms and tools dependent on by the system. In chapter three, the parametric technology and its application in the FEM has been elaborated explicitly. In chapter
four, the program block of parametric FEA on LPG ship hull hold is built. In chapter five, the template of strength calculating based on the Visual C++ is built. In chapter six, the author introduces the usage of the FEA template through a 2000M3 LPG ship. Chapter seven summarizes the research work, point out the main achievement of this thesis and the further work.
在船舶结构设计和结构强度的校核过程中，往往需要反复进行“设计—建模—分析—修改设计—再建模—再分析”的过程，但当前有限元分析软件系统都存在前后处理过程复杂、烦琐、易出错、费时费力、对软件使用者要求高等问题。如果按照现有有限元分析软件所规定的步骤，逐一对每次修改重新建模分析，在有限元建模和处理结果时存在着大量的重复性工作，而且出错机率也会相应增加，影响到设计分析的效率和质量。
针对有限元软件在船舶结构直接计算的应用要求，本文基于ANSYS平台开发了参数化的船体结构有限元计算系统。该计算系统将参数化技术引入船舶结构的有限元计算，初步实现了船体结构有限元建模、计算和后处理的全程参数化；借助功能强大的软件开发工具Visual C++，利用Windows的进程通信机制，建立了基于消息的控制中心，完成程序与ANSYS间的数据传递，实现了对ANSYS的封装，从而形成专业化、参数化的有限元计算系统。
全文共分七章，第一章介绍了本文所涉及的研究领域，通过分析领域中存在的问题，揭示了本文研究的应用背景和意义。第二章介绍了实现系统所依赖的平台和开发工具。第三章主要介绍了作者在船体结构有限元计算的参数化方面的工作。第四章介绍了基于APDL语言的LPG船体舱段有限元计算模块LPGFEA的实现过程。第五章介绍了计算模板的程序实现。第六章结合工程实例介绍了该模板的使用方法。在第七章，作者对全文进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。
Finite element method is a popular numerical analysis method, which is widely applied in many industrial fields such as aviation, architecture, mechanics, electronics and chemistry. With the development of compute technology in soft and hard, the FEM has made great advances. Some finite element analysis(FEA) soft such as ANSYS MSC/NASTRAN ABAQUS ADINA ALGOR have been inputted into the practical projects. These FEA soft have become the most important part of CAD and CAE.
During the design and strength calculating of ship structure, the process "preliminary design-modeling-analysis-revision-re-design-re-modeling-re-analysis" will be carried out repeatedly, and there are some defects in the apply of FEA soft, such as the preprocessor and the postprocessor of these FEA soft are operated complex, the requirement to users is too much, and the user be apt to make mistake during the processing. If each scheme is analyzed completely according to the requirement of FEA, much time are wasted on the duplicated operation, and the ratio of error rises.
To solve the problems mentioned above, the author studies the problems carefully and gives some solutions.
A template for ship structure strength calculating and analysis based on ANSYS is built. The system possesses the following features: 1) a method of parametric finite element analysis for ship structure is presented in this system, the FEA model is droved by the parameters. 2) Through proceeding communication mechanism of Windows, the centre of control based on passages is formed. It can use the ANSYS as a subprogram.
The thesis consists of seven chapters: in chapter one, the author introduces background and significance of this study. Chapter two is introduction about the platforms and tools dependent on by the system. In chapter three, the parametric technology and its application in the FEM has been elaborated explicitly. In chapter
four, the program block of parametric FEA on LPG ship hull hold is built. In chapter five, the template of strength calculating based on the Visual C++ is built. In chapter six, the author introduces the usage of the FEA template through a 2000M3 LPG ship. Chapter seven summarizes the research work, point out the main achievement of this thesis and the further work.
引文
[1] 施丽娟，崔维成．船舶结构强度有限元法分析的质量控制研究综述．船舶，2002，10(5)：31-39
[2] 赵耕贤．船舶与海洋结构物设计中的关键技术之一 (结构强度)．船舶，2000，12(6)：22-35
[3] Dawe D. I. A Finite Element Approach to Plate Vi-bration Problems. Journal of Mechanical Engineering in Science, Vol. 7, No.1, 1965
[4] Roren E.M.Q. Impact of Finite Element Techniques on Practical Design of Ship Structures. Proceedings of the ISD/ISSCsymp. On Finite Element Techniques, University of Stuttgart, Germany, 1969
[5] 陈伯真，胡毓仁．船舶结构若干研究方向的现状及发展．上海造船．1998，(2)：36-39
[6] 朱胜昌，陈庆强，郭列，江南．船舶强度直接计算中的有限元分析模块和在整船分析中的应用．船舶力学，1998，8(4)
[7] 白勇，徐向东，崔维成．船体结构极限强度的影响参数与敏感度探讨．船舶力学，1998，2(5)：35-43
[8] UedaY, YaoT. The Plastic Node Methods: A New Method of Plastic analysis. Comupt. Meths. Appl. Mech. Engng, 1982, 34:1089-1104
[9] 夏利娟，吴卫国，翁长俭，金咸定．高速船垂向振动的流固耦合分析．上海交通大学学报，2000，(12)：1713-1716
[10] 郑云龙．大型船舶结构有限元静动力分析方法及软件系统．船舶工程，1998，(3)．
[11] 王福花，肖熙，阙配文．船舶结构分析的前后处理系统．上海交通大学学报．1996，(8)．
[12] 关振群，顾元宪，李长余．基于Windows的有限元建模程序GEFEM．计算结构力学及其应用．1996，(8)
[13] 管义锋等．船舶大开口结构有限元分析专用前后处理软件的设计．船舶工程，2001，(6)
[14] 王小宁．亚太船舶行业MSC软件应用状况．中国造船，2001，3(1)
[15] 关云，罗宏志，李世其．船舶结构有限元模型及分析结果可视化系统的研究与开发．船舶设计通讯[J]．1998，(1-2)
[16] 齐彗，杨屹，蒋玉明．基于ANSYS软件二次开发的铸造充型和凝固耦合过程数值模拟研究，四川大学学报(工程科学版)，2000，(5)
[17] 陈泽中，包忠诩，柳和生．ANSYS二次开发在铝材挤压中的应用．锻压技术，2002，(4)：14-16
[18] 程纬，孙利民，范立础．ANSYS二次开发功能及其在双层高架桥墩地震倒塌仿真分析中的应用．计算机工程与应用，2002，(13)：208-209
[19] 谢配良，薛海，盛伟．ANSYS软件的二次开发及其在大容量缓冲器模锻件上的应用．微机应用，2000，(12)：26-41
[20] 陈卫军，崔勤，宁佐利．基于ANSYS深基坑工程增量发计算的二次开发技术研究．中国市政工程，2002，(6)：31-33
[21] 段志东，张克华．ANSYS图形用户界面二次开发．兰州铁道学院学报(自然科学版)．2002，(2)
[22] 黄菊花．材料成形计算机模拟中的参数化有限元法．中国机械工程．2003，(1)：14．147
[23] 梅林涛，杨国义等．ANSYS在压力容器分析优化设计中的应用．2000ANSYS中国用户年会论文集．2000，11：537-543
[24] 刘海笑等．基于ANSYS软件平台的两例二次开发．2000ANSYS中国用户年会论文集．2000，11：555-560
[25] 张标标等．基于ANSYS平台开发曲轴振动分析软件．车辆与动力技术．2001，(4)
[26] 陈力．基于ANSYS和实例的结构智能设计模板研究与应用．武汉理工大学硕士学位论文．2001．3
[27] Botkin M. E. Shape design modeling using fully automatic tree dimension mesh generation. Finite Element in Analysis and Design, 1991, 10:165-188
[28] Bennett J. A. and Botkin M. E. Shape optimization of 2-D structure with geometric problem description and adaptive mesh refinement. AIAA J.,1985, 23(3):258-464
[29] Edwin Hardee.CAD-based design parameterization for shape optimization of elastic solid. Advances in Engineering Software, 1999,30:185-199
[30] 王国强．实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践．西北工业大学出版社．1999
[31] 吕凤翥．C++语言基础教程．清华大学出版社．2000，11
[32] Jon Bates，Tim Tompkins．(著)．何建辉等，(译)．实用Visual C++教程．清华大学出版社．2000，8
[33] 纪丰伟，陈恳，张根保．二维参数化技术的发展现状及趋势分析．2000，(4)：38-40
[34] Javie Monedero, Parametric design: a review and some experiences. Automation Construction, 2000, 9: 369-377
[35] 陈德人．参数化设计模型与方法．浙江大学学报(自然科学版)，1995，29(2)：170-182
[36] 孙家广．计算机辅助设计技术基础．第二版．北京：清华大学出版社，2000，9
[37] 张峰等．参数化设计的研究现状与发展趋势．机械工程师．2002(1)：13-15
[38] 隋小峰．基于几何造型的参数化有限元建模和曲面网格生成方法及实现．大连理工大学硕士学位论文．2002，6
[39] 张伟东等．基于构造过程的船舶节点参数化设计．计算机辅助工程．2000，(2)：26-31
[40] 陈伟等．基于结构参数化的有限元分析方法．机械科学与技术．2003，(6)：948-950
[41] 巴斯诺夫，B．A．(苏联)．有限元法在船舶结构计算中的应用．北京：国防工业出版社，1977
[42] 白建伟，李润培，顾永宁．集装箱船整船有限元素结构分析．船舶，2000，(5)：8．11
[43] 谢柞水，施丽娟．潜艇耐压结构有限元应力分析．船舶工程，2002，(2)：13-15
[44] 章向明，王向稳．梁板结构弹塑性大变形有限元分析．中国造船，2001(1)：19-24
[45] 顾晔昕，詹志鹄，汤明文，孙久龙．集装箱船整船结构三维有限元强度分析方法研究．中国造船．2001，(3)
[46] 丁伯明，蔡仁良．压力容器设计原理及工程应用．北京：中国石化出版社．1992．7
[47] 杨永谦．2000m~3 LPG运输船总纵强度与扭转强度及鞍座局部强度计算．武汉：长江船舶设计院．1997，6
[48] 徐晓刚等．Visul C++入门与提高．北京清华大学出版社．2000，12
[49] 马永其，冯伟．面向对象有限元程序研究综述．计算机应用研究．2000，(10)：7-9
[50] 陈庆强等．2万2千方液化气船整船和舱段三维有限元强度分析．船舶力学．1999，(5)：55-61
[51] Technical Committee. 1 .Quasi-static Load Effects. Proc. 11th ISSC, Vol. 1, 1991, pp. 214-218
[52] Amati L., Di Anselmo A., Margheriti C., Kenny J. M. Numerical Simulation Reliability; Quality As-surancein Finite Element Analysis-A Review. Com-putational Methods and Experimental Measurements, p207, May 1993
[53] Nikolaidis, E., Kaplan, P. Uncertainties in Stress Analyses on Marine Structures, PartⅠ.Int. Ship-building Progr.,1992; 39: 417, 19-53
[54] Nikolaidis, E., Kaplan, P. Uncertaintiesin Stress Analyses on Marine Structures, PartⅡ, Int. Ship-building Progr., 1992; 39:418, 99-133
[55] Muhanna, R. L., Ayyub, B.M., Bruchman, D.D.Uncertainty Analysis of Structural Strength of Stiff-ened Panels. Naval Engineers Journal, 1996; 108:3,399-418
[56] Wilhelm, T.W.Evaluation of Molding Process' Im-pacton Finite Element structural Analysis. Annual Technical Conference-ANTEC, Conference Proceedings Ⅴ 3 May 5-10 1996
[57] Basu, R. I. ,Kirkhope, K., Sirnivasan, J. Guideline for Evaluation of Finite Element and Results. Ship Structure Committee Reports, 1996, SSC-387
[58] Ziliotto F., Ebert J., Hakala M., Hong D.P., IvanovL. D., PeggN.G., SakatoT., SenjanoviI., Wang W. H. Comparison of Different Finite Element Analysis of the Transverse Frame of a 350000TDW Tanker. Marine Strctures, 1991;4:231-255p
[2] 赵耕贤．船舶与海洋结构物设计中的关键技术之一 (结构强度)．船舶，2000，12(6)：22-35
[3] Dawe D. I. A Finite Element Approach to Plate Vi-bration Problems. Journal of Mechanical Engineering in Science, Vol. 7, No.1, 1965
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[16] 齐彗，杨屹，蒋玉明．基于ANSYS软件二次开发的铸造充型和凝固耦合过程数值模拟研究，四川大学学报(工程科学版)，2000，(5)
[17] 陈泽中，包忠诩，柳和生．ANSYS二次开发在铝材挤压中的应用．锻压技术，2002，(4)：14-16
[18] 程纬，孙利民，范立础．ANSYS二次开发功能及其在双层高架桥墩地震倒塌仿真分析中的应用．计算机工程与应用，2002，(13)：208-209
[19] 谢配良，薛海，盛伟．ANSYS软件的二次开发及其在大容量缓冲器模锻件上的应用．微机应用，2000，(12)：26-41
[20] 陈卫军，崔勤，宁佐利．基于ANSYS深基坑工程增量发计算的二次开发技术研究．中国市政工程，2002，(6)：31-33
[21] 段志东，张克华．ANSYS图形用户界面二次开发．兰州铁道学院学报(自然科学版)．2002，(2)
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[32] Jon Bates，Tim Tompkins．(著)．何建辉等，(译)．实用Visual C++教程．清华大学出版社．2000，8
[33] 纪丰伟，陈恳，张根保．二维参数化技术的发展现状及趋势分析．2000，(4)：38-40
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[35] 陈德人．参数化设计模型与方法．浙江大学学报(自然科学版)，1995，29(2)：170-182
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[45] 顾晔昕，詹志鹄，汤明文，孙久龙．集装箱船整船结构三维有限元强度分析方法研究．中国造船．2001，(3)
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