一種六邊形集成式多開口船舶上層建筑的快速網(wǎng)格劃分方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明適用于六邊形集成式多開口船舶上層建筑的快速網(wǎng)格劃分，用于在不同設(shè) 計(jì)參數(shù)下，參數(shù)化生成幾何模型，并且快速劃分有限元網(wǎng)格。具體設(shè)及到六邊形集成式多開 口船舶上層建筑的參數(shù)化生成幾何模型W及多開口加筋板幾何模型的參數(shù)化有限元網(wǎng)格 劃分。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于隱身技術(shù)可W有效降低水面艦船的可探測性，顯著提高抗打擊能力，因而愈 發(fā)受到各國海軍的高度重視。艦船上層建筑位于水面W上，其隱身特性很大程度上決定著 整船的生存能力。進(jìn)入21世紀(jì)，艦船上層建筑向著一體化集成化方向發(fā)展，典型代表是美 國海軍DDG-1000Zumwalt級驅(qū)逐艦，其上層建筑構(gòu)造布局采用了六邊形集成式多開口結(jié)構(gòu) 形式。
[0003] 集成式上層建筑是水面艦船設(shè)計(jì)的一次重大變革，徹底改變了艦船上層建筑的面 貌。傳統(tǒng)上層建筑采用分散式布局，布局形式較為凌亂，不利于調(diào)整上層建筑的質(zhì)屯、位置， 雷達(dá)反射截面積也較大；集成式上層建筑將電子系統(tǒng)、天線和上層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行共形設(shè)計(jì)， 采用最新研制的復(fù)合隱身材料和涂料，將傳統(tǒng)的散落布置于艦體各處的探測器、通信天線 集中起來，使艦艇隱身性能獲得顯著提高，不僅降低了艦船的雷達(dá)反射截面，較好地解決了 電磁兼容問題，還減了少上層建筑的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了水面艦船作戰(zhàn)性能和隱身性能的綜合。
[0004] 采用集成式設(shè)計(jì)布局時，需要將很多原來安裝在上層建筑外部的設(shè)備轉(zhuǎn)移到上層 建筑內(nèi)部，需要在上層建筑上布置開口。上層建筑的外壁面傾角直接影響其雷達(dá)散射截面 積的大小。為了綜合分析，需要研究不同壁面傾角時，不同開口位置、開口大小、開口數(shù)量下 的集成式上層建筑的結(jié)構(gòu)特性。目前對于船舶上的多開口并且有骨材的結(jié)構(gòu)的有限元模 型，常規(guī)做法是人工手動建立幾何模型，然后人工手動劃分有限元網(wǎng)格。如果針對每一種情 況建立一種有限元分析模型，網(wǎng)格劃分的工作量會非常巨大和耗時，因此有必要考慮用參 數(shù)化網(wǎng)格劃分的方法研究多開口結(jié)構(gòu)的集成式上層建筑。 陽〇化]通過對六邊形集成式多開口船舶上層建筑的快速網(wǎng)格劃分方法，可W通過參數(shù)調(diào) 整（例如外壁面傾角、甲板高度、開口個數(shù)、開口位置、開口尺寸等）實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案下的 快速有限元網(wǎng)格劃分，便于在短時間內(nèi)產(chǎn)生多套有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性分析；有限元模 型可W全部參數(shù)化生成，可W把任意參數(shù)設(shè)置為設(shè)計(jì)變量，便于對結(jié)構(gòu)特性和RCS隱身特 性展開優(yōu)化分析；整個六邊形集成式多開口船舶上層建筑有限元模型的網(wǎng)格劃分過程不需 要人工干預(yù)，提高了有限元網(wǎng)格劃分速度，省去了人工的大量重復(fù)性網(wǎng)格劃分操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種六邊形集成式多開口船舶上層建筑的快速網(wǎng)格劃分 方法，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，其內(nèi)容包括：
[0007] 第一步：首先建立沒有開口的六邊形集成式船舶上層建筑的幾何外形模型。幾何 模型全部由平面組成，沒有曲面。六邊形集成式船舶上層建筑的結(jié)構(gòu)區(qū)域包括各層甲板，前 壁、后壁、側(cè)壁、左前側(cè)壁、右前側(cè)壁、橫艙壁、縱艙壁。真實(shí)的船舶結(jié)構(gòu)一般都是左右對稱 的，因此只對右邊一半的上層建筑進(jìn)行分析，另一半結(jié)構(gòu)采用鏡像對稱操作即可；
[0008] 第二步：通過布爾減運(yùn)算得到開口之后的上層建筑幾何模型。由于集成式船舶上 層建筑的開口多是矩形形狀，運(yùn)里規(guī)定開口形狀均是矩形，開口位置只位于外側(cè)壁面上，即 側(cè)壁、前壁、后壁、左前側(cè)壁、右前側(cè)壁上。內(nèi)部主承力結(jié)構(gòu)如橫艙壁、縱艙壁、各層甲板上則 沒有開口。具體操作是建立各個開口的幾何模型，即一個矩形平面，然后通過布爾減運(yùn)算， 用整個上層建筑的幾何模型減去該矩形平面，運(yùn)樣就得到了一個開口結(jié)構(gòu)。每個開口結(jié)構(gòu) 都進(jìn)行類似操作；
[0009] 第=步：運(yùn)時的幾何模型全部由點(diǎn)、線、面組成，為了便于后期的切割平面操作，給 所有的平面進(jìn)行編號Si，S2,……Sw;N是所有平面的個數(shù)；
[0010] 第四步：真實(shí)船舶結(jié)構(gòu)中，為了提高板的承載能力，要在板上增加骨材，起到加強(qiáng) 筋的作用，反映到幾何模型上就是板上的直線。船舶骨材布置方式有縱骨架式和橫骨架式， 運(yùn)里采用縱骨架式。相鄰骨材的間隔距離均相同，設(shè)為Ad。各個平面一般是矩形或平行 四邊形，根據(jù)邊長除WAd，小數(shù)部分舍去，得到每一個平面上布置骨材的個數(shù)Ki，K2,…… Kn;
[0011] 第五步：對于平面Si，根據(jù)平面具體形狀，按照縱骨架式布局，依次進(jìn)行平面切割， 切割的間隔距離為Ad，切割平面得到的直線作為骨材的幾何模型。平面Si的切割次數(shù)為 町，即有Ki根骨材。i從1循環(huán)至N;
[0012] 第六步：所有通過切割平面得到的直線作為骨材結(jié)構(gòu)。對所有切割平面得到的直 線進(jìn)行自動劃分梁單元網(wǎng)格；
[0013] 第屯步：對所有平面自動劃分殼單元網(wǎng)格。運(yùn)時得到的殼單元二維網(wǎng)格和第六步 得到的梁單元網(wǎng)格是相互匹配的。至此得到整個上層建筑右側(cè)一半結(jié)構(gòu)的有限元模型。上 層建筑結(jié)構(gòu)是左右鏡像對稱的；
[0014] 第八步：把第屯步得到的整個上層建筑右側(cè)一半結(jié)構(gòu)的有限元模型沿著整個上層 建筑的對稱平面進(jìn)行鏡像對稱操作，至此，得到整個六邊形集成式多開口船舶上層建筑的 有限元模型。
[0015] 進(jìn)一步的，所述第二步中，得到開口之后的上層建筑幾何模型的具體操作是建立 各個開口的幾何模型，即一個矩形平面，然后通過布爾減運(yùn)算，用整個上層建筑的幾何模型 減去該矩形平面，得到了一個開口結(jié)構(gòu)；每個開口結(jié)構(gòu)都進(jìn)行類似操作，即得到開口之后的 上層建筑幾何模型。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：目前對于船舶上的多開口并且有骨材的結(jié)構(gòu) 的有限元模型，常規(guī)做法是人工手動建立幾何模型，然后人工手動劃分有限元網(wǎng)格。運(yùn)樣操 作的缺點(diǎn)在于，如果上層建筑的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，網(wǎng)格必須重新劃分。由于網(wǎng)格不能自動 劃分，網(wǎng)格劃分的人工工作量非常巨大。本發(fā)明中，整個六邊形集成式多開口船舶上層建筑 有限元模型的網(wǎng)格劃分過程不需要人工干預(yù)，提高了網(wǎng)格劃分速度，省去了人工的大量重 復(fù)性網(wǎng)格劃分操作；而且有限元模型可W全部參數(shù)化生成，也便于對不同的結(jié)構(gòu)特性展開 優(yōu)化分析。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明中六邊形集成式多開口船舶上層建筑的快速網(wǎng)格劃分的流程；
[0018] 圖2是本發(fā)明中六邊形集成式上層建筑外形俯視圖和整體坐標(biāo)系；
[0019] 圖3是本發(fā)明中上層建筑右側(cè)一半對稱結(jié)構(gòu)的外形幾何尺寸；
[0020] 圖4是本發(fā)明中上層建筑右前側(cè)壁在水平面投影圖；
[0021] 圖5是本發(fā)明中上層建筑各層甲板和橫艙壁示意圖；
[0022] 圖6是本發(fā)明中上層建筑外壁面傾角示意圖；
[0023] 圖7是本發(fā)明中開口結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0024] 圖8是本發(fā)明中對平面進(jìn)行切割的示意圖；
[00巧]圖9是本發(fā)明中船舶結(jié)構(gòu)中T型骨材截面S維示意圖；
[00%]圖10是本發(fā)明中六邊形集成式多開口船舶上層建筑鏡像對稱后的整體網(wǎng)格模 型；
[0027] 圖11是本發(fā)明的實(shí)施例中，右側(cè)一半對稱結(jié)構(gòu)的無開口幾何外形模型；
[0028] 圖12是本發(fā)明的實(shí)施例中，建立開口結(jié)構(gòu)之后的幾何模型；
[0029] 圖13是本發(fā)明的實(shí)施例中，對各個平面按照骨材間距進(jìn)行切割平面操作后的幾 何模型；
[0030] 圖14是本發(fā)明的實(shí)施例中，骨材幾何模型進(jìn)行梁單元網(wǎng)格劃分后的示意圖；
[0031] 圖15是本發(fā)明的實(shí)施例中，平面幾何模型進(jìn)行殼單元網(wǎng)格劃分后的示意圖；
[0032]圖16是本發(fā)明的實(shí)施例中，右側(cè)一半對稱結(jié)構(gòu)劃分完網(wǎng)格后的有限元模型；
[0033] 圖17是本發(fā)明的實(shí)施例中，右側(cè)一半對稱結(jié)構(gòu)的幾何模型和網(wǎng)格進(jìn)行鏡像對稱 操作后的整體有限元模型。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本發(fā)明的目的在于提供一種六邊形集成式多開口船舶上層建筑的快速網(wǎng)格劃分 方法，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，其具體實(shí)現(xiàn)步驟是：
[0035] 第一步：首先建立沒有開口的六邊形集成式船舶上層建筑的幾何外形模型。幾何 模型全部由平面組成，沒有曲面。
[0036] 六邊形集成式上層建筑外形俯視圖和整體坐標(biāo)系見圖2。真實(shí)的船舶結(jié)構(gòu)一般都 是左右對稱的，因此只對右邊一半的上層建筑進(jìn)行分析，另一半結(jié)構(gòu)采用鏡像對稱操作即 可。上層建筑右側(cè)一半對稱結(jié)構(gòu)的外形幾何尺寸見圖3。
[0037] 上層建筑關(guān)于OXZ平面對稱，因此運(yùn)里只分析圖3中OX軸W下的部分。
[0038] 在圖3中，ABN0FA是底層甲板的邊界，CDM0'EC是頂層甲板的邊界。上層建筑的 最大長度是以最大寬度是W，側(cè)壁的最大長度是曰，前壁的最大寬度是b。上層建筑允許有 多層甲板，最大高度H，示意圖見圖5。側(cè)壁、右前側(cè)壁、前壁、后壁的傾角定義為壁面和水平 面的夾角，分別設(shè)為0 1、0 2、0 3和0 4,四個傾角的示意圖見圖6。
[0039] 要建立上層建筑的幾何模型，需要知道圖3中的每個頂點(diǎn)的S維坐標(biāo)：
[0040]點(diǎn)A : (Xa, y*，Za)=(曰，-W，0) 陽〇W點(diǎn)B:(而，ye,Zb) = (L, -b, 0)
[0042]點(diǎn) C : (X。yc，Zc) = (Xc，-W+H/tan白1，H)
[0043] 點(diǎn) D : (x〇, y〇, z〇)=化-H/tan白3,y〇,H)
[0044]點(diǎn) E :(而，Ye，Ze) = (H/tan白4, -W+H/tan白1, H)
[0045]點(diǎn) F :(卻，yp, Zf) = (；0, -W, 0) 陽046]點(diǎn)M: (Xm，yM，Zm) =(L-H/tan目3,0, H) 陽047]點(diǎn)N: (Xn,yN，Zn) =(L,0, 0)
[0048]點(diǎn) 0 : (X。，y。，z〇) = (；0, 0, 0)
[00例點(diǎn) 0, ：（x0,，y0'，z0'）=化/tan白4,0,H)
[0050] 可W看出，在圖3的所有頂點(diǎn)中，只有C點(diǎn)橫坐標(biāo)Xc和D點(diǎn)縱坐標(biāo)Yd是未知的。將 C點(diǎn)和D點(diǎn)向oxy平面投影，投影點(diǎn)分別為C'和D'，示意圖見圖4。C'點(diǎn)和D'點(diǎn)的坐標(biāo)分 別為（而'，yc'，0)和（而'，y。'，0)，由立體幾何的知識可知：而'=XC，yc' =yc;xD' =XD，y〇' = Yd。因此只要求出C'點(diǎn)和D'點(diǎn)的坐標(biāo)即可。 陽化U在圖4中，AC'、C'D'、D'B'分別是直線AC、CD、DB在o巧平面的投影。AB直線的 斜率設(shè)為k:
[0052]
(I) 陽05引 AB直線的方程可W寫為：
[0054]
[00巧]y = kx+