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1、Patran船舶结构有限元建模的实用技巧-机械制造论文Patran船舶结构有限元建模的实用技巧撰文/中船重工(武汉)船舶与海洋工程装备设计有限公司何勇目前，市面上主流的通用结构有限元分析前处理器种类众多，包括 Patran、Ansys、Abaqus、HyperMesh 和 Femap 等。这五款软件在国内船 舶行业均有应用，其中Patran的用户数量很多。本文结合笔者多年运用Patran 进行船舶结构有限元建模积累的经验，为广大同行介绍一些建模方面的技巧，以 期对读者有一些帮助。一、网格划分与编辑技巧1. 根据现有的节点撒种子对于具有曲线边界的面，例如首尾区域垂向加强的横舱壁，横舱壁与外板 交
2、线上的网格种子并不是等间距的，此时可先在横舱壁与甲板的交线上生成等间 距的节点然后将这些节点投射到横舱壁与外板的交线上，最后用CreateMesh SeedTabular 方法(Coordinate Type 选 Node and Point)根据投射得到的 节点生成网格种子，这样得到的网格种子可以保证横向对齐。2. 径向扫略由低阶单元变换得到高阶单元时，SweepElementExtrude是一种经常 使用的方法，此方法为线性扫略。但径向扫略的作用也不容忽视，图1所示的 立柱环筋的创建就是一个典型的例子。径向扫略通过SweepElementRadial Cyl.方法实现。扫略时Axis填 写
3、扫略平面的法向，Radial Distance填写扫略距离，为正时背离原点扫略，为 负时指向原点扫略。3. 跨越边界的单元的修改通过扫略创建甲板边板壳单元时，在非平行中体区域，会出现最外侧的一 行单元跨越甲板边线的情况，此时需移动节点将其拉回到甲板边线上。有些用户 习惯使用ModifyNodeMove方法实现这个目标，但这种方法要求输入节点 要移动到的新位置，而这个位置的坐标通常是未知的，因此需先通过求交点的方 法找到这个位置。更快捷的做法是使用 ModifyNodeProject方法，Project onto选 Surface , Direction选Define Vector，即将节点沿指
4、定的方向投射到指定的 面上。为此，先用CreateSurfaceExtrude方法将甲板边线沿垂向扫略成一个 面，然后将节点沿横向投射到这个面上，这样可一次性完成所有节点的移动。4. 单元切割手工修改网格时,经常需要对单元进行切割,可通过ModifyTria|QuadSplit方法进行，该方法提供了多种切割模式。例如，对于 四边形单元，有图2(a)所示的6种模式。可以看到，这6种切割模式还是不 够丰富的，作为补充，UtilitiesFEM-ElementsBreak Elements菜单命令提供 了更全面的切割模式，如图2(b )所示，用户可按需选用。二、单元赋属性技巧ib Utilities
5、切割模式图3四边形单元切割篠式在Patran中，单元赋属性是一项很繁重的工作，因为与其他前处理器不同，Patran中没有当前材料、板厚和梁截面的概念，因此所有单元必须指定属 性。此外，船舶结构包含大量的加强筋，用梁单元模拟这些加强筋时，赋属性需 指定方向矢量和偏置矢量，比较耗时。因此掌握一些单元赋属性的技巧非常有必 要。1. 自动赋属性使用CreateElementEdit方法手工创建单元时，可单击操作面板上的 Select Existing Prop按钮，在弹出的Property Sets面板中选择适当的单元属 性集，将新创建的单元添加到所选择属性集的作用区域中，从而实现自动赋属性 的功能。
6、2. 在单元坐标系中填写梁单元的偏置矢量默认情况下，梁单元的偏置矢量以梁端节点的分析坐标系（默认情况下为 全局坐标系）为参考进行填写。这种填法的不便之处在于用户需要随时判断偏置 矢量的非零分量及其正负。例如，甲板纵骨的偏置矢量是Z分量非零且为负； 左舷舷侧纵骨和右舷舷侧纵骨的偏置矢量虽然都是Y分量非零，但前者为负， 而后者为正。当加强筋腹板不与某个主坐标平面平行时，偏置矢量的三个分量可 能均为非零，填写尤其麻烦。那么是否有一种更高效且不易出错的填写方法，使 偏置矢量不随加强筋的类型和方向而变呢？答案是肯定的，那就是在单元坐标系 中填写偏置矢量。图3为底边舱斜板（与水平面成45。）纵骨（左舷，规
7、格为L125x80x8） 的偏置矢量在全局坐标系和单元坐标系中的填写方法，两种方法产生的实际效果 都如图4所示，可以看出在单元坐标系中填写更为方便。将参考坐标系切换为单元坐标系的方法为向右拖动Input Properties面 板中的水平滚动条，将Offset Node1/2文本框最右侧的下拉列表选项切换 为Element （默认为Analysis ）。切换后便可在单元坐标系中填写偏置矢量。为 方便读者参考，图5列出了三种常用加强筋截面（单元类型为CBEAM ）的单 元坐标系。3. 使用局部坐标系作为梁单元的方向矢量默认情况下，梁单元的方向矢量以第一个节点的分析坐标系（默认为全局 坐标系）为参
8、考进行填写。在某些情况下，这种填法非常麻烦，图6所示的起 重机立柱垂向加强筋就是一个典型的例子。图6中各垂向加强筋每隔45。均匀分布。很显然，在全局坐标系中，各 加强筋的方向矢量各不相同，这就意味着要为每根加强筋分别定义一个属性集。 事实上，Patran支持在用户自己定义的局部坐标系中填写方向矢量，方法为在 填写Bar Orientation时，先输入方向矢量，然后空一格再输入“Coord n”（ n 为局部坐标系的编号），这样就表示方向矢量以编号为n的局部坐标系为参考。对于上例，可以以立柱的中心为原点创建一个柱坐标系(假设为Coord 2),这样加强筋的方向矢量均沿该柱坐标系的径向并指向原点
9、很卩方向矢量可填为“-1 0 0 Coord 2”。三、其他常用技巧1. 组的导出与导入计算书送审或者在不同版本的Patran之间传递有限元模型时，通常会用 到bdf文件，但是bdf文件中并无模型分组的信息，当导入bdf文件重新构 建模型时，读入的节点和单元将位于一个组中。如果模型比较复杂，不分组时模 型操作是非常不便的，因此有必要重新生成原数据库文件中的组，步骤如下。(1)执行 UtilitiesGroupGroups To Session File 菜单命令，将创建组 的命令写入一个对话文件。(2 )导入bdf文件后，执行FileSessionPlay菜单命令播放上一步生成 的对话文件。2
10、. Region工具的使用有时我们希望把某些节点或单元归到一起，供后续的某些操作使用，但是 为避免分组过多，且不希望把节点或单元放到一个组里，此时可以借助Regions 工具。创建Region的菜单命令为ToolsRegions,创建好的Region可以作为 载荷/边界条件和单元属性集的作用区域，使用方法为在Select Application Region面板中将Select切换为Region。3. PCL表达式的应用有时我们在Patran中输入的数据可能需要通过计算才能得到，此时大多 数用户的做法是先用计算器等外部工具算好再填入Patran，利用PCL表达式可 以省略这个中间过程。以图a)偏置矢量的填写为例,用户可以输入“0121*cosd(45)、-121*sind(45)”，单击 Apply 按钮后 Patran 将自动将表 达式替换为其结果。用户需特别注意表达式两侧的撇号，此符号位于键盘左上角， 与“”占据同一个键。表1和表2列出了 PCL的算术运算符和一些常用的数学函数。喪弋L数学运算轩算朮运負符十-/fa &鹽2二匚龍用数学函数函数函数函数返回值min最小值mas：石Lbdcftsd金竊值and正切值正號值tagjr正切值说明：表中以d结尾的三角函数以角度为单位，以r结尾的三角函数以 弧度为单位。
