1、浙江海洋学院本科文 目录 - 1 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于 patran 板架参数化建模研究 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： 浙江海洋学院本科文 目录 - 2 - 目 录 第一章 绪 论 . 3 1.1 有限元建模概述 . 3 1.2 船体结构有限元建模技术的发展与现状 . 5 1.3 本文的主要工作 . 6 1.4 本章小结 . 7 第二章 PATRAN 开发平台及 PCL语言介绍 . 8 2 .1 MSC. PATRAN简介 . 8 2. 2 PCL二次开发介绍 . 9 2.2.1 PCL二次开发的功能 . 9 2
2、.2.2 PCL二次开发的现状 . 10 2.2.3 PCL二次开发方法 .11 2.2.4 PCL程序的译和运编行 .11 2.3 PCL函数及语法规则 . 12 2.2.1 PCL的语言结构 . 12 2.2.2 与 C 语言的交互性 . 14 2.2.3 PCL语言的变量和常量 . 15 第三章 模型的建立和界面的生成 . 17 3.1 模型的建立 . 17 3.2 中文界面的生成 . 19 3.3 编写的语言 . 23 总 结 . 38 参考文献 . 39 致 谢 . 40 浙江海洋学院本科文 摘要 - 1 - 基于 patran板架参数化建模研究 摘要 建立一个有限元分析模型一般要经
3、过节点建立、单元生成、属性赋予、位移边界条件确定以及荷载施加这样几个步骤，其中又以前二个步骤的工作量最大，手续也最繁琐。针对这二个步骤，本文研究了船舶双层底结 构进行快速有限元建模的方法。 本文基于 MSC.Patran 内置的 PCL 语言，开发了双层底板架的有限元建模系统，实现了基于 patran 的双层底参数化建模，开发了中文参数系统界面，大大提高了模型的建立效率。程序一开始获取双层底肋板间距、双层底高度的参数值 ,设置参数界面 ,设置高度、长度方向的种子数，自动生成双层底参数化模型。 根据研究的方法，开发了相应的程序。实际应用说明 :研究的方法是可行的，开发的程序具有一定的实用性。 关
4、键词 PCL；双层底 ；二次开发；参数化建模； patran 浙江海洋学院本科文 摘要 - 2 - Patran based on board planes of parameterized modeling study Abstract To create a FEA(Finite Element Analysis) model usually undergoes these steps as follow:node creation, element generation, property entrusting, loads and boundary conditions adding,
5、with the preceding two steps more strenuous and arduous among them. To counter the twosteps, the thesis studies a method to create the FEM (Finite Element Model) of double bottom. This paper develops the finite element modeling system of the double bottom frame based onthe MSC. Patrans built-in PCL
6、language, which realize Patrans double bottom parameterized modeling.It develops the Chinese parameter system interface, greatly improves the models efficiency. The procedures first get the double bottom floors spacing and the parameter of the double bottoms height, then set the parameters interface
7、 and the seed number of the height and length direction, and automatically generating the double bottom parametric model. Corresponding program can be developed according to the research. The practical applicationshows that the method of the study is available and the program has some practical valu
8、e. Key words PCL; Double bottom; the second develop; Parameterized modeling； patran 浙江海洋学院本科论文 正文 - 3 - 第一章 绪 论 1.1 有限元建模概述 有限元模型是产品或工程对象的 几何和物理特性及所处状态的离散化的数学描述。有限元分析模型由以下几大类数据及其关系组成 : (1)域 域是产品或工程总体模型以几何或材料特性为依据划分而来的相对独立的子区域。总体模型和空模型是域的特例。 (2)节点 节点是有限元网格的基础，每一个节点应有一个全局唯一的且大于 1 的整数作为节点的标识，我们称该整数为节点的
9、标识号。 (3)单元 单元是节点的拓扑连接，每一个单元有一个全局唯一且大于 1 的整数作为单元的标识，我们称该整数为单元的标识号。按单元的拓 扑类型划分，可将单元划分为 6 大类 : 点元 (Point)、线元 (Line)、三角元 (Tri)、四边形元 (Quad4)、八节点块元 (Bricks), 梁元 (Beam)。但拓扑类型并不能代表单元的全部品质，还应该按力学模型为准则进行细分。例如，拓扑类型为 Quad4 的单元有四点平面应力膜单元、四点平面应变膜单元、任意四边形板单元和任意四边形板壳单元等。 (4)属性 单元属性包括单元材料特性和单元几何特性。单元材料特性说明了构成单元的材料的力
10、学与物理特性，如弹性模量、泊松比、导热系数等。单元几何特 性主要是指单元的截面几何尺寸及空间位置向量特性。 (5)边界条件 边界条件有很多种类，包括位移边界条件、热传导边界条件和电磁边界条件等，不同的分析类型之间的差异很大。 (6)荷载 荷载类型也很繁多，如节点力、节点加速度、梁上荷载、重力、离心力、单元表面压力和单元表面任意力等。荷载的集合称为荷载集。一个荷载总是属于某个荷载集。分析模块可浙江海洋学院本科论文 正文 - 4 - 以有选择地将荷载集组合成所需荷载工况。 总体上，有限元模型的建立一般经过以下三个过程： (1)几何建模 在建立有限元模型前，首先要建立几何模型 。几何建模有线框造型、
11、曲面造型和实体造型等三种主要方法。线框造型是 CAD/CAE 技术发展过程中最早应用的三维模型，这种模型表示的是物体的棱边。线框模型由物体上的点、直线和曲线组成，在计算机内部是以边表和点表表达和存储的，实际物体是边表和点表相应的三维映像，计算机可以自动实现视图变换和空间尺寸协调。线框模型具有数据结构简单，对硬件要求不高，易于掌握等特点。这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局，管道敷设、运动机构的模拟干涉检查。但线框模型存在着严重的缺陷，如图形含义不确切，不能进行物体几何特性 (体积、面积、重量和 惯性矩等 )计算，不便于消除隐藏线等。曲面造型又叫表面造型。表面模型是通过在线框模型的基础上添加了面的
12、信息，利用表面模型，就可以对物体作剖面、消隐获得网格生成所需的表面信息等。实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体和环状体等多种基本体素为单元元素，通过集合运算 (拼合或布尔运算 )，生成所需要的几何形体。这些形体具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。所以，实体造型包括两部分内容，即体素定义和描述以及体素之间的布尔元算 (并、交、差 )。布尔运算是构造复杂实体的有效工具。目前常用的实体造型方法主要有边界表示法、构 造实体集合法和扫描法。 (2)网格生成 有限元法的基本思想就是将连续体划分为有限个单元的组合。单元的质量就是影响有限元计算结果精度和可靠性的关键因素，所以在网格自动生成的算法中，
13、必须保证网格单元的质量。网格自动生成算法一般用基本功能实现、健壮性、生成网格的质量、剖分速度、用户参与程度和可控制性等几个标准来评价。 (3)物理建模 物理建模主要完成单元材料特性与几何特性建立、位移边界条件确定、荷载信息提供等几项工作。物理建模过程应在交互式图形界面下实现。材料特性、几何特性、边界条件和荷载信息应分组归类用交互 式方式输入，再赋给选中的单元或节点。对于不同材料属性或几何属性的单元，可用不同的颜色显示。有约束的节点应以节点为中心加上约束符号，符号形式可以任意选定。对于施加荷载的单元和节点，也应用常用符号如带箭头的直线等显示出来。 浙江海洋学院本科论文 正文 - 5 - 1.2
14、船体结构有限元建模技术的发展与现状 有限元法在船舶结构领域的应用最早始于 20 世纪 60 年代。在有限元法应用之初，有限元法并未与计算机结合起来，有限元建模工作必须由人工来完成，这样做不仅效率低下、手续繁琐，而且极容易出错，要分析一个复杂的结构需要许多人进行长时间的工作。据统计，进行网格准备 工作占用了整个有限元分析工作的 70%的时间和工作量。 从 20 世纪 60 年代中期起，随着计算机技术的发展及其在有限元分析领域的逐步应用，有限元法也成为船舶与海洋结构强度设计领域中流行的一种数值方法。早在 1969 年国际船舶结构会议 (ISSC)上， Roren 就做了关于有限元法对船舶结构设计的
15、影响的论述。随着计算机技术的快速发展，一些通用有限元软件也相继投入使用。但当时的有限元软件还主要是针对有限元计算分析阶段的，关于有限元前处理的软件还很少，有限元建模的工作还主要是靠手工完成。 20 世纪 80 年代末，船舶工业的新技术 竞争日益加剧，市场竞争迫使新船设计的周期要求越来越短，对用分析法进行设计的效率要求越来越高。当时，船舶行业上用有限元分析软件的前后处理器，基本上都需要花费大量的时间建立复杂船体的详细有限元分析模型。一般来讲，完成一条整船 3D 分析计算通常需要 3-4 周时间，加上整理结果和编写递交给船级社的计算报告，一条船的分析设计需要花费 2-3 个月的时间。而另一方面，船
16、级社也面临在短期内完成设计评审的沉重压力。从船舶设计、制造和认证等各个部门，都迫切需要能够在短期内完成有效的船体结构分析的 CAE 前后处理系统。 1989 年，日本船 级社发起一个 CAE 系统开发项目，项目的目标是开发出能够在 1-2 周内完成船体分析的 CAE 集成系统。该系统的输入数据必须简单，使用人员不需具备太多详细的结构分析知识，计算结果能以设计人员和评审人员都能接受的方式输出。到 1994 年，这套名为 NASTASS 的软件系统发布，由数据生成部分、有限元分析部分和设计评定部分组成，其中的有限元分析系统为 MSC. NASTRAN，前后处理系统采用自编软件。这套系统由于具备参数
17、化建模和革命性的自动识别结构部件位置和连接关系的结构编辑定位技术，加上 MSC. NASTRAN 快速可靠的 分析，成为非常先进和高效的船体结构分析支持系统。 20 世纪 90 年代初， MSC 公司推出了新一代 CAE 并行框架系统 MSC. PATRANoMSC. PATRAN 凭借先进的前后处理界面技术、与各种 CAD 软件的开放数据接口、强大的 CAD/CAE集成能力和系统扩展性，受到各船级社和船舶公司的青睐，逐渐取代自编和其他商用 CAE 前后处理系统。 MSC. PATRAN 基于 PCL 的强大的二次开发功能，在建立客户化的船舶有限元建浙江海洋学院本科论文 正文 - 6 - 模分
18、析系统，提高需要多次校核的船舶结构分析效率方面发挥出独特优势。例如，韩国现代重工利用 MSC. PATRAN 的 PCL 语言，开发出船体结构排水沟开孔分析的专用分析建模界面系统。该建模系统通过参数化建模，内置各种开孔几何选择菜单，加强筋连接方式及相应参数选择和全自动的有限元网格生成，易于建立有参数驱动的开孔几何模型与有限元分析模型。 在我国造船界，有限元技术的发展始于 20 世纪 70 年代，经过近 30 年时间的应用、开发与研究，在船舶有限元建模方面取得了一些成果。 近年来，随着有限元方法在船舶设计领域中的广泛应用，对船体结构有限元建模速度的要求越来越高，关于船体结构有限元快速建模方面的研
19、究也渐渐地多了起来，并已经取得 了一些研究成果，如 DNV 船级社利用船体三维设计软件工 NTELLISHIP 完成了平行舶体范围内的货舱段的有限元模型生成 ;还有，一些高校的硕士、博士研究生也在这方面进行了一些有益的研究与探索。但是，由于船体结构的极其复杂性，在全船有限元快速建模方面还未取得突破性进展，目前仍是摆在所有船舶设计工作者面前的一道难题。 1.3 本文的主要工作 本文的主要工作是以大型有限元软件 Patran 为开发平台，利用其强大的二次开发工具，以船体双层底结构有限元建模为对象，研究快速有限元建模的方法，并编写相应的软件程序。研究的主要工作 包括以下几个方面 : 1.熟悉在 Pa
20、tran 中进行有限元建模的方法和过程，清楚建立有限元模型所需要的数据以及有限元模型中各元素 (节点、单元、属性 )之间的关系。 2.在船体二维图纸上对目标结构进行网格划分，并针对图纸中曲线种类繁多、形式多样、表示复杂的问题，对网格划分线进行处理，建立统一曲线表达，以方便有限元模型数据的计算与生成。 3.利用 Patran 的二次开发语言 PCL 编写数据接口程序，将有限元模型数据文件转化为Patran 中的有限元分析模型。 浙江海洋学院本科论文 正文 - 7 - 1.4 本章小结 本章首先简单介绍了有限元模型的概念、有 限元分析模型的组成以及有限元建模的基本过程等一些关于有限元建模的基本知识
21、，接着介绍了船体结构有限元建模技术的发展与现状，最后详细介绍了本文的主要工作。 浙江海洋学院本科论文 正文 - 8 - 第二章 Patran开发平台及 PCL语言介绍 2 .1 MSC. Patran简介 MSC. Patran 软件诞生于 1980 年前后，是在美国国家宇航局 NASA的资助下，随着计算机及其交互技术的发展，蕴育而生并日益完善的新一代计算机辅助工程分析 (MCAE)前后处理系统，它率先把工程分析人员从繁重的数据准备工作中摆脱出来， 并且提供漂亮的计算结果仿真。目前，己广泛应用于航空、航天、造船、汽车、国防等各大领域。 MSC.Patran 作为一个优秀的前后处理器，具有高度的
22、集成能力和良好的适用性，主要具有以下特点 ： （ 1)模型处理智能化 :MSC.Patran 使用直接几何访问技术 (DGA)，能够使 8 用户直接从其他的 CAD/CAM 系统中获取几何模型，甚至参数和特征，而减少重复建模，为用户节约宝贵的时间。此外， MSC. Patran 还提供了完善的独立几何建模和编辑工具，以使用户更灵活地完成模型准备。 MSC.Patran 允许用户直接在几何模型 上设定载荷、边界条件、材料和单元特性，并将这些信息自动地转换成相关的有限元信息，以最大限度地减少设计过程的时间消耗。所有的分析结果均可视化。 (2)自动有限元建模 :MSC.Patran 的新产品中增加了
23、很多更灵活更方便的智能化工具，同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能，使用户快速完成他们想做的工作。同时也提供手动和其他有限元建模方法，以满足不同的要求。 （ 3)分析的集成 :MSC.Patran 提供了众多的软件接口，将世界上大部分著名的不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供了一个公共的环境。这 样可以使用户不必担心不同软件之间的兼容问题 在其他软件中建立的模型，在 MSC.Patran 中仍然可以正常使用，非常灵活。用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断，进行相应的改进，这就大大地提高了工作效率。 (4)用户可自主开发新的功能 :用户可将 MSC.Patran 作为自己的前后置处理器，并利用其强大的 PCL(patran command language)语言和编程函数库把自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入 MSC.Patran 的框架系统，或单独使用，或与其他系统联 合使用。这样， MSC.Patran 又成为用户二次开发的一个良好平台，可以为用户提供更强大和更专业的功能。 (5)分析结果的可视化处理 :MSC. Patran 丰富的结果后处理功能可以使用户直观地显示所
