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
【技術領域】
[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 計參數(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】
[0002] 由于隱身技術可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。進入21世紀，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級驅逐艦，其上層建筑構造布局采用了六邊形集成式多開口結構 形式。
[0003] 集成式上層建筑是水面艦船設計的一次重大變革，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，不利于調整上層建筑的質屯、位置， 雷達反射截面積也較大；集成式上層建筑將電子系統(tǒng)、天線和上層建筑結構進行共形設計， 采用最新研制的復合隱身材料和涂料，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量，實現(xiàn)了水面艦船作戰(zhàn)性能和隱身性能的綜合。
[0004] 采用集成式設計布局時，需要將很多原來安裝在上層建筑外部的設備轉移到上層 建筑內部，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構特性。目前對于船舶上的多開口并且有骨材的結構的有限元模 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構的集成式上層建筑。 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 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）實現(xiàn)不同設計方案下的 快速有限元網(wǎng)格劃分，便于在短時間內產(chǎn)生多套有限元模型進行結構特性分析；有限元模 型可W全部參數(shù)化生成，可W把任意參數(shù)設置為設計變量，便于對結構特性和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，提高了有限元網(wǎng)格劃分速度，省去了人工的大量重復性網(wǎng)格劃分操作。

【發(fā)明內容】

[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，為了實現(xiàn)上述目的，其內容包括：
[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構區(qū)域包括各層甲板，前 壁、后壁、側壁、左前側壁、右前側壁、橫艙壁、縱艙壁。真實的船舶結構一般都是左右對稱 的，因此只對右邊一半的上層建筑進行分析，另一半結構采用鏡像對稱操作即可；
[0008] 第二步：通過布爾減運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，運里規(guī)定開口形狀均是矩形，開口位置只位于外側壁面上，即 側壁、前壁、后壁、左前側壁、右前側壁上。內部主承力結構如橫艙壁、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，然后通過布爾減運算， 用整個上層建筑的幾何模型減去該矩形平面，運樣就得到了一個開口結構。每個開口結構 都進行類似操作；
[0009] 第=步：運時的幾何模型全部由點、線、面組成，為了便于后期的切割平面操作，給 所有的平面進行編號Si，S2,……Sw;N是所有平面的個數(shù)；
[0010] 第四步：真實船舶結構中，為了提高板的承載能力，要在板上增加骨材，起到加強 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， 運里采用縱骨架式。相鄰骨材的間隔距離均相同，設為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構。對所有切割平面得到的直 線進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一半結構的有限元模型。上 層建筑結構是左右鏡像對稱的；
[0014] 第八步：把第屯步得到的整個上層建筑右側一半結構的有限元模型沿著整個上層 建筑的對稱平面進行鏡像對稱操作，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，得到了一個開口結構；每個開口結構都進行類似操作，即得到開口之后的 上層建筑幾何模型。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：目前對于船舶上的多開口并且有骨材的結構 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。運樣操 作的缺點在于，如果上層建筑的幾何拓撲結構改變，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，提高了網(wǎng)格劃分速度，省去了人工的大量重 復性網(wǎng)格劃分操作；而且有限元模型可W全部參數(shù)化生成，也便于對不同的結構特性展開 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系；
[0019] 圖3是本發(fā)明中上層建筑右側一半對稱結構的外形幾何尺寸；
[0020] 圖4是本發(fā)明中上層建筑右前側壁在水平面投影圖；
[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)明中開口結構的示意圖；
[0024] 圖8是本發(fā)明中對平面進行切割的示意圖；
[00巧]圖9是本發(fā)明中船舶結構中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)明的實施例中，右側一半對稱結構的無開口幾何外形模型；
[0028] 圖12是本發(fā)明的實施例中，建立開口結構之后的幾何模型；
[0029] 圖13是本發(fā)明的實施例中，對各個平面按照骨材間距進行切割平面操作后的幾 何模型；
[0030] 圖14是本發(fā)明的實施例中，骨材幾何模型進行梁單元網(wǎng)格劃分后的示意圖；
[0031] 圖15是本發(fā)明的實施例中，平面幾何模型進行殼單元網(wǎng)格劃分后的示意圖；
[0032]圖16是本發(fā)明的實施例中，右側一半對稱結構劃分完網(wǎng)格后的有限元模型；
[0033] 圖17是本發(fā)明的實施例中，右側一半對稱結構的幾何模型和網(wǎng)格進行鏡像對稱 操作后的整體有限元模型。
【具體實施方式】
[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，為了實現(xiàn)上述目的，其具體實現(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系見圖2。真實的船舶結構一般都 是左右對稱的，因此只對右邊一半的上層建筑進行分析，另一半結構采用鏡像對稱操作即 可。上層建筑右側一半對稱結構的外形幾何尺寸見圖3。
[0037] 上層建筑關于OXZ平面對稱，因此運里只分析圖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。側壁、右前側壁、前壁、后壁的傾角定義為壁面和水平 面的夾角，分別設為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中的每個頂點的S維坐標：
[0040]點A : (Xa, y*，Za)=(曰，-W，0) 陽〇W點B:(而，ye,Zb) = (L, -b, 0)
[0042]點 C : (X。yc，Zc) = (Xc，-W+H/tan白1，H)
[0043] 點 D : (x〇, y〇, z〇)=化-H/tan白3,y〇,H)
[0044]點 E :(而，Ye，Ze) = (H/tan白4, -W+H/tan白1, H)
[0045]點 F :(卻，yp, Zf) = (；0, -W, 0) 陽046]點M: (Xm，yM，Zm) =(L-H/tan目3,0, H) 陽047]點N: (Xn,yN，Zn) =(L,0, 0)
[0048]點 0 : (X。，y。，z〇) = (；0, 0, 0)
[00例點 0, ：（x0,，y0'，z0'）=化/tan白4,0,H)
[0050] 可W看出，在圖3的所有頂點中，只有C點橫坐標Xc和D點縱坐標Yd是未知的。將 C點和D點向oxy平面投影，投影點分別為C'和D'，示意圖見圖4。C'點和D'點的坐標分 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'點和D'點的坐標即可。 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 斜率設為k:
[0052]
(I) 陽05引 AB直線的方程可W寫為：
[0054]
[00巧]y = kx+