1、东海科学技术学院本科毕业论文 目录 I 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于 patran 船体结构参数化建模初步研究 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 II 目 录 摘 要 . II ABSTRACT . III 前 言 . IV 1 绪论 . 2 1.1 有限元法基本简介 . 2 1.1.1 基本原理 . 2 1.1.2 有限元法基本思路 . 2 1.1.4 有限元模型建模准则 . 4 1.1.5 有限元模型性能指标 . 5 1.2MSC.PATRAN软件概述 . 6 1.3PCL 语言概述 .
2、7 1.4 PCL 功能概述 . 7 1.5 PCL 的语言结构及编译使用 . 8 1.6 课题研究的背景和内容 . 10 2 PCL 函数及语法规则 . 12 2.1 概 述 . 12 2.2 主要函数 . 12 2.3 与 C语言的交互性 . 18 2.5 数化建模与分析的实现 . 20 3 船体结构参数化建模程序的开发 . 21 3.1 预备知识 . 21 3.1.1 PCL 类（ CLASS）的结构 . 21 3.1.2 用户函数库 . 21 3.1.3 修改 init.pcl 文件 . 22 3.1.4 参数化表格 . 22 3.1.5 事件与响应 . 23 3.1.6 生成用户界面
3、 . 23 3.2 设置参数界面 . 23 总结 . 38 参考文献 . 39 致 谢 . 40 东海科学技术学院本科毕 业论文 摘要 II 基于 patran 船体结构参数化建模初步研究 摘 要 依据对 PCL 语言的语法学习，进行基于 patran 软件的对船舶结构进行参数化建模的初步研究。首先开发出简单板的参数化建模界面，了解和熟悉参数化建模的流程，了解船体双层底结构形式，建立船体几何模型参数化。其次有限元模型参数化的实现，建立双层底有限元模型，为船体结构整船参数化建模提供思路。最后，对现有的 patran 软件进行二次开发，开发船体结构建模模块 ,并最终实现参数化建模并且总结和分析设计
4、中存在的不足，并提出改进方案。 结论： 船体结构比较复杂，船体结构舱段建模是一项很繁琐的工作，对现有的 patran 软件进行二次开发，开发船体结构建模模块，可 以加速建模速度，缩减建模工作量，同时也为结构优化的改进作基础 。 关键词 船体结构；二次开发； PCL 语言；参数化建模 东海科学技术学院本科毕业论文 Abstract III The ship structure of parameterized modeling preliminary research based on msc.patran Abstract On the basis of the PCL language gr
5、ammar study, based on the software for patran of ship structure of parameterized modeling preliminary research. First developed a simple board of parameterized modeling interface, understanding and knowledge of parameterized modeling process, understand the hull double bottom structure form, build h
6、ull geometry model parameter. Next to the realization of the finite element model parameter, a double bottom finite element model, and the ship hull structure of parameterized modeling to provide ideas. Finally, the existing patran software second development, development hull structure modeling mod
7、ule, and finally realize of parameterized modeling and the summary and analysis of the shortcomings of the existing in the design, and put forward the improvement plan. Conclusion: hull structure is more complex, hull structure DuanJianMo cabin is a very complicated work, of existing patran software
8、 second development, development hull structure modeling module, can accelerate modeling speed, reduction modeling work load, but also for optimizing the structure of the improved as the foundation. Key Words hull structure; second-time development;PCL language; parameterized modelin东海科学技术学院本科毕业论文 前
9、言 IV 前 言 参数化 (Parametric)技术是最早是 CAD 在实际应用工作中提出的课题，它是该应用领域内的一个重要的、且正在蓬勃发展的研究课题。参数化是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来确定设计对象，参数与设计对象的控制尺寸有明显的对应关系，从而可使设计的结果受尺寸 的驱动。参数化设计是指参数化模型的尺寸对应关系的表示，而不是确定具体的数值，通过调准参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的精确造型。变化一个参数值，自动改变所有与它相关的模型尺寸，并遵守约束条件，这就是采用参数化的模型。参数化设计与传统方法相比，最大的不同在于它存储了设计的整个过程，能设计出一簇而不是单一
10、的产品模型。传统的人机交互式绘图一般要用精确的尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都必须有确定的位置，图形一旦确定，即使结构相似，但想改变图形大小尺寸，只能对图形进行编辑。而工程设计中，一方面，进行新产品的 设计不可避免地需要多次反复修改，需要进行零件结构和尺寸的综合协调、优化 ;另一方面，从大量机械、电子等系列产品的图纸中可以发现，同一基本结构形式的零部件，其图形结构具有一定的相似性，往往只是尺寸的大小不同，其图形尺寸随尺寸参数的变化而相应变化。特别是对于结构定型的产品设计，以便形成系列。因此希望有一种比较交互式绘图更方便、更高效、更适合结构相似图形绘制的方法。参数化设计方法比较好的解决了这一
11、问题，在实际工程中得到了非常广泛的应用。目前，参数化设计在几何造型领域的应用已逐渐走向成熟，大多数商业化造型软件都引入了 参数化设计的概念。但在有限元建模领域参数化技术的应用仍处于起步阶段。参数化有限元包括有限元前处理的几何模型参数化生成，有限元网格自动参数化划分，材料属性参数化定义，载荷和边界条件的自动添加，以及有限元后处理中计算结构大参数化提取、显示。 随着造船技术与航运市场的发展，船舶建造向大型化和经济化方向发展，越来越多的船舶超越了现行有关规范的规定，需要利用有限元直接计算的手段来评估船舶的安全性。这类计算有的选用国内自主开发的软件，有的采用各大船级社的结构计算软件。 MSC 公司的系
12、列软件在我国船舶结构计算中占据着非常广 泛的市场。然而，直接应用通用有限元软件分析船舶结构需要较高的有限元技巧和较长建模时间，这种方式不能满足现实船舶设计建造的要求，也不具备处理突发事件的能力。有些结构建模和分析在通用软件中实现也不是很方便。作者在研究船舶强梁腹板开孔问题时，由于需要考虑不同的开孔参数和载荷边界条件，建模与分析过程中有许多重复性的工作，耗费大量许多宝贵的时间。为解决这个问题，本文采用对通用有限元软件 MSC Patran 进行二次开发的方法，针对船舶行业的应用特点和特定的问题，开发适当的功能模块。 MSC Patran 具有齐全的前、后 处理功能，以 MSC Patran 为平
13、台，应用 PCL 语言并结合会话文件对 MSC Patran 进行二次开发实现结构建模与分析的参数化方法可行而且非常方便。东海科学技术学院本科毕 业论文 正文 2 1 绪论 1.1 有限元法基本简介 1.1.1 基本原理 在工程技术领域内，对于力学问题或其他场问题，己经得到了基本微分方程和相应的边界条件。但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单且几何边界相当规则的少数问题。因此，人们多年来一直在寻求另一种方法，即数值解法。 有限元法是一种新的现代数值方法。它将连续的求解域离散为由有限个单元组成的组合体。这样的组合 体能用来模拟和逼近求解域。因为单元本身可以有不同的几何形状，且单元间能够按
14、各种不同的联结方式组合在一起，所以这个组合体可以模型化几何形状非常复杂的求解域。有限元法另一重要步骤是利用在每一单元内假设的近似函数来表示全求解域上未知场函数。单元的近似函数通常由未知场函数在各个单元节点上的函数值以及单元插值函数表达，因此，在一个问题的有限元分析中，未知场函数的节点值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题化为离散的有限自由度问题。一经求出这些节点未知量，就可以利用插值函数确定单元组合体上的场函数。显然，随着 单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，解答的近似程度将不断改进。如果单元满足收敛条件，得到的近似解最后将收敛于精确解。 有限元法的应用已由求解弹性力学平面问题扩展到
15、空间问题、板壳问题；由求解静力平衡问题扩展到求解动力问题、稳定问题；从线性分析扩展到物理、几何和边界的非线性分析；分析的对象也从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他领域。 1.1.2 有限元法基本思路 有限元法的基本思路是通过连续体离散化的方法 14，寻求适应控制方程并满足边界条件和连续条件的数值方法。 它的具体做法是：先将物体假想地分割 (离散化 )成许多小单元，各个单元由节点联结起来。对于每个单元，用节点未知量通过插值函数近似地表征单元内部的各种物理量，并使它们在单元内部以积分的形式满足问题的控制方程，从而将每个单元对整体的影响和贡献，转化到各自单元的节点上。然后将这些单元总装成一
16、个整体，并使它们满足整个求解域的边界条件和连续条件，得到一组有关节点未知量的联立方程，方程解出后，再用插值函数和有关公式，求得物体内部各点所要求的各种物理量。 有限元分析是设计人员在计算机上调用有限元程序完成的。为此，必须了解所用程序的功能、限制以及支持软件运行的计 算机硬件环境。分析者的任务是建立有限元模型、进行有限元分析并解决分析出现的问题、以及计算后的数据处理。 有限元模型数据主要包括 : 1)主控数据，包括分析任务描述 (结构静力分析、模态分析、时程响应分析、非线性分析、东海科学技术学院本科毕 业论文 正文 3 接触分析、弹塑性分析等等 )以及输出控制数据； 2)材料性质数据，包括材料
17、的弹性常数、热膨胀系数、热传导系数、密度、极限强度等参数； 3)荷载数据，包括基本荷载模式、工况组合等； 4)有限元网格节点坐标数据； 5)单元类型及单元拓扑结构描述数据； 6)边界条件和连接条件数据等。 1.1.3 有限元法分 析流程 在有限元分析实际应用中，大量的工作是数据准备和整理计算结果。目前，许多软件都提供前后处理程序，自动生成有限元模型数据 (尤其是几何数据 )，自动处理分析结果数据并赋予图形显示。因此，有限元设计过程就是正确使用有限元分析软件的过程，典型的流程如图 东海科学技术学院本科毕 业论文 正文 4 图 1 1 1 有限元分析流程示意图 1.1.4 有限元模型建模准则 所谓
18、建模就是根据工程分析精度要求，建立合适的能模拟实际结构的有限元模型。在连续体离散化及用有限个参数表征无限个形态自由度过程中不可避 免地引入了近似。为使分析结果有足够的精度，所建立的有限元模型必须在能量上与原连续系统等价。具体地应满足下述准则 : 1)有限元模型应满足平衡条件，即结构的整体和任一单元在节点上都必须保持静力平衡； 2)变形协调条件。交汇于一点上的各元素在外力作用下，引起元素变形后必须仍保持交建立有限元模型，确定载荷，约束，边界和初始条件 确定物理参数取值 选择有限元分析软件 工程中的实际问题 确定问题的实质 熟悉用户界面和软件使用 人工准备数据、信息 前处理程序输入数据 有限元程序
19、输入数据 运行前处理程序 运行前处理程序 有限元输出分析结果 人工后处理程序信息 人工整理有限元结果 后处理程序输入数据 运行后处理程序 有限元结果显示输出 东海科学技术学院本科毕 业论文 正文 5 汇于一个节点。整个结构上的各个节点，也都应同时满足变形协调条件。若用协调元，元素边界上应满足相应的位移协调条件； 3)必须满足边界条件 (包括整个结构边界条件及单元间的边界条件 )和材料的本构关系； 4)刚度等价原则。有限元模型的抗弯、抗扭、 抗拉及抗剪刚度应尽可能等价； 5)认真选取单元，使之能较好地反映结构构件的传力特点，尤其是对主要受力构件，应做到尽可能地不失真。在单元内部所采用的应力和位移
20、函数必须是当单元大小递减时有限元解趋于连续系统的精确解。对于非收敛元，应避免使用，对于波动收敛元应慎用； 6)应根据结构特点、应力分布情况、单元性质、精度要求及计算量大小等仔细划分计算网格； 7)在几何上要尽可能地逼近真实的结构体，其中特别要注意曲线与曲面的逼近问题； 8)仔细地处理载荷模型，正确地生成节点力，同时载荷的简化不应跨越主要受力构件； 9)质 量的堆聚应满足质量质心、质心矩及惯性矩等效要求； 10)当量阻尼折算应符合能量等价要求； 11)超单元的划分尽可能单级化并使剩余结构最小。 1.1.5 有限元模型性能指标 有限元模型是借助计算机进行分析的离散近似的模型。对于线性静力问题，它包
21、括有限元网格的离散点组成的近似几何模型，由材料力学特性数据和单元刚度矩阵表达的变形应力平衡近似，以及外载荷近似和边界条件近似的总体。因此，即便理论模型是准确的，模型误差总是难免的。要控制和减小误差，有限元模型应满足下述性能指标。 1)可靠性：简化模型的变形和受力及力的传 递等应与实际结构一致。例如，有限元模型中的杆、梁、板 (壳 )、平面应力、平面应变以及连接条件和边界条件等，均应与实际结构相符合。确定模型的可靠性可用下列准则判断 :物理力学特性保持 ;相应的数学特性保持。 2)精确性：有限元解的近似误差与分片差值函数的逼近误差成正比。因此，在建立有限元模型时，应根据问题的性质和精度要求，选用
22、一阶精度元，二阶精度元和高阶精度元等不同类型的单元。 3)鲁棒性：其确切含义是指有限元方法对有限元模型的几何形状变化，对于材料参数的变化 (例如泊松比从接近不可压缩变成不可压缩 )以及对于从中厚度 板模型变成薄板的板厚变化的依赖性 :也是有限元法的可靠性对上述变化的敏感程度。 4)计算成本的经济性：计算经济性问题不仅与算法的复杂性、算法结构、程序的优化程序以及总的算术运算次数相关，而且在精度确定下，与有限元建模的质量有很大的关系。选用单元时，应尽量选取在顶点设置节点的单元。 除了节点自由度相对布置对计算效率的影响之外，单元剖分全局性的疏密配置更为重要。例如，在应力集中部位，为达到好的计算效果，
23、应该布置较密的网格，以刻画位移变化梯度较大的实际情况。自适应网格技术的应用可以很好地解决全局疏密合理配置问题。 东海科学技术学院本科毕 业论文 正文 6 1.2MSC.Patran 软件概述 MSC.Patran 软件是有限元分析前后处理软件，它可是用户通过图形交互界面方便完成网格划分、模型描述等工作，以保工程分析人员从繁重的数据准备工作中解脱出来 ;并且能将计算结果以多种方式提供给用户，以便用户在方便时获取信息并完成后处理。目前，该软件已广泛应用于航空航天、汽车、造船及国防等各大领域。 MSC.Nasrtna 以 MSC.Patran 为前后处理软件。通过 MSC.Patran 可以和多种
24、CAD 和 CAE 软件相连接。几何模型 (一维、二维和三维模型 )可以通过调入（ CAD)的模型 ，也可以在 MSC.Patran 里直接建立。 MSC.Partna 有强大的网格划分功能，包括曲线、曲面和实体的各种网格划分 ;对几何或单元的载荷 /边界条件的各种定义 ;材料模型定义 ;单元属性定义 ;在和工况定义 ;场定义 ;分析类型定义 ;分析结果显示 ;x， y 图示等。 MSC.Patran 是世界公认最佳的集合访问，有限元建模 ,分析求解及数据可视化于一体的新一代框架式软件系统，通过其全新的“并行工程概念”和无与伦比的工程应用模块，将世界所有著名 的 CAD/ CAE/ CAM/
25、CAT(测试 ) 软件系统及用户自编程序自然地融为一 体。 MSC. Patran独有的 SGM(单一几何模型 ) 技术可直接在几何模型一级访问各类 CAD 软件数据库系统 ,包括 UG、 Pro/ ENGI2NEER、 CATIA、 CADDSS、 Euclid、 SoildEdge 、 Solid2works 、 AutoDesk MDT 及 I2DEAS 等各类 CAD/ CAM 软件数据库。除了框架系统外 ,MSC. Patran 还拥有功能强大的各种专用分析应用模块 ,主要包括 : 1. MSC. Patran FEA(提供了静力、动力、热传导、非线型及优化灵敏度分析等功能 )； 2
26、. MSC. Patran THERMAL (专用工程自动热分析软件系统 ,可处理各种复杂的传递问题 ,并提供了丰富的与温度相关的材料库、对流关系库及与时间和温度相关的专业函数库 )； 3. MSC. Patran LAMINATEMODELER(集复合材料设计、分析、制造于一体的软件系统 )。 PCL (MSC. Patran Command Language)语言是 MSC. Patran 的一个高级的模块化结构的编程语言和用户自定义工具，类似于 C 语言和 FORTRAN 语言。 PCL 语言提供了丰富的表格和菜单库，供开发用户自编分析程序或者特定的 图形界面。同时， PCL 语言提供的
27、表格生成功能使得用户自编的 PCL 函数能够通过菜单选项来执行。 为了利用 MSC.Patran的前后处理功能，编写了一系列的 PCL函数，用来从 MSC.Patran的数据库中读取数据并生成计算时所需的数据输入文件，以及将结果文件的数据写入 MSC.Patran的数据库中，供 MSC.Patran进行前后处理。开发用户界面的目的是为了将这些自编译的函数集中起来，通过直观的图形界面进行交互，方便使用。 PCL语言随同 MSC.Patran一起发布，使用 它 可以创建新的或者改进 MSC.Patran功能，能为特定应用程序创建用户界面和数据库，能够调用 MSC.Patran内的所有函数和 MSC.Patran的二次开发技术。本文利用 PCL语言对MSC.Patran进行二次开发，编制了船体结构自动建模程序，实现船体结构自动建模，并通过将自编处理程序与具有外部工具调用功能编辑器集成，开发出了 MSC.Patran的集成环境，并对软件后处理系统集成化，有效地提高了工作效率。
