一种平面域几何划分算法在船体结构自动建模中的应用研究

摘要

随着计算机性能和有限元技术的迅猛发展，用有限元方法辅助船舶设计与船舶结构计算已成为现代船舶工程领域中一个强有力的手段。并且，随着船舶的尺度越来越大、结构形式越来越复杂，参数化建模的方法越来越受到各国的重视。随之而来，网格划分逐渐成为约束参数法建模方法在船舶工程中应用的一个瓶颈，因此，提出一种新的网格划分算法显得意义重大。在尽量合理利用现有的有限元通用软件的功能的基础上，使用本算法来实现船体有限元模型的自动建模，能显著地缩短船体有限元分析的周期、提高有限元工作者的效率。
　　 本文在一种新铺设算法的基础上，引入了闭室判断问题的拓扑算法，比较好的解决了船体横向结构建模中加强筋的布置问题，并对该算法在三维船体舱段有限元参数化建模的应用进行了研究。课题研究所应用的工具是大型通用有限元软件MSC．Patran及其供用户进行二次开发的PCL（MSC．Patran Command Language）语言。
　　 本文把三维船体舱段的有限元网格分为纵向网格与横向网格，旨在解决横向网格的问题。对于横向网格，用以四边形单元为主的有限元网格剖分船体横向构件是一个合理的选择。尽管如今平面内的网格划分已经相当成熟，但非常适合船舶结构网格划分的算法还不多。因为整个船舶是一个薄壁梁结构，为了保证船舶的局部强度每块板上都分布有大量的加强筋，而且强框架上面有许多的大大小小的开孔。于是，在总结现有的有限元网格技术发展的基础上，本文介绍了一种新的平面区域闭室判断问题的拓扑算法，再结合一种成熟的新的铺设算法就能很好的生成船舶结构的横向网格。该算法不仅生成的网格质量较好，还能照顾到加强筋的布置。使得船舶横向结构的模型能与船舶实际结构很好的吻合，用这种方法对船体横向构件进行网格剖分可以得到良好的结果，保证了计算的精度。
　　 船体的参数化建模有广阔的发展空间，不仅值得理论研究的深入而且有巨大的实用价值。本论文也对三维船体舱段的横向结构的参数化建模做了些尝试，整个工作的完成和完善还有待后续的研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1. 引言

1.2. 船体结构有限元建模的发展及研究现状

1.3. 有限元网格算法发展现状的概述

1.3.1 有限元网格的类型

1.3.2 现有网格划分的方法

1.4. 课题研究的意义

1.5. 课题研究所采用的二次开发平台

1.5.1 MSC.Patran简介

1.5.2 Patran二次开发语言PCL介绍

1.6. 课题研究的思路

1.7. 本章小结

第二章 基于闭室判断问题的新铺设算法

2.1. 引言

2.2. 与几何分区有关的基本概念

2.2.1. 基本概念

2.2.2. 点与直线的位置关系

2.2.3. 边界的分类

2.2.4. 错切变换

2.3. 节点、单元的数据结构

2.3.1. 节点的数据结构

2.3.2. 有向线段的数据结构

2.3.3. 三角形单元的数据结构

2.3.4. 四边形单元的数据结构

2.4. 算法流程

2.5. 网格生成算法

2.5.1. 内外边界环方向的确定

2.5.2. 内外边界的打断

2.5.3. 内外边界的离散

2.5.4. 边界内硬线的正确性检验

2.5.5. 内部硬线的离散

2.5.6. 封闭区域的搜索

2.5.7. 网格生成

2.6. 实例

2.6.1 对简单区域所生成的网格的比较

2.6.2 对区域内有开孔和大量硬线情况下所生成的网格的比较

2.7. 本章小结

第三章 船体横向结构自动建模方法的应用

3.1. 引言

3.2. 船舶结构分析

3.3. 结构分析的网格要求

3.4. 数据结构介绍

3.5. 程序流程图

3.6. 程序流程

3.6.1 基本船舶结构信息的输入

3.6.2 几何信息的读取和分类

3.6.3 各组的内外边界的预处理

3.6.4 结构的简化和内部加强筋的离散

3.6.5 各组内封闭区域的生成

3.6.6 各组内网格的生成

3.6.7 赋属性和实例

3.7. 本章小结

结论与展望

全文总结

课题的展望与设想

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢