一种六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法
【技术领域】
[0001] 本发明适用于六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分，用于在不同设 计参数下，参数化生成几何模型，并且快速划分有限元网格。具体设及到六边形集成式多开 口船舶上层建筑的参数化生成几何模型W及多开口加筋板几何模型的参数化有限元网格 划分。
【背景技术】
[0002] 由于隐身技术可W有效降低水面舰船的可探测性，显著提高抗打击能力，因而愈 发受到各国海军的高度重视。舰船上层建筑位于水面W上，其隐身特性很大程度上决定着 整船的生存能力。进入21世纪，舰船上层建筑向着一体化集成化方向发展，典型代表是美 国海军DDG-1000Zumwalt级驱逐舰，其上层建筑构造布局采用了六边形集成式多开口结构 形式。
[0003] 集成式上层建筑是水面舰船设计的一次重大变革，彻底改变了舰船上层建筑的面 貌。传统上层建筑采用分散式布局，布局形式较为凌乱，不利于调整上层建筑的质屯、位置， 雷达反射截面积也较大；集成式上层建筑将电子系统、天线和上层建筑结构进行共形设计， 采用最新研制的复合隐身材料和涂料，将传统的散落布置于舰体各处的探测器、通信天线 集中起来，使舰艇隐身性能获得显著提高，不仅降低了舰船的雷达反射截面，较好地解决了 电磁兼容问题，还减了少上层建筑的质量，实现了水面舰船作战性能和隐身性能的综合。
[0004] 采用集成式设计布局时，需要将很多原来安装在上层建筑外部的设备转移到上层 建筑内部，需要在上层建筑上布置开口。上层建筑的外壁面倾角直接影响其雷达散射截面 积的大小。为了综合分析，需要研究不同壁面倾角时，不同开口位置、开口大小、开口数量下 的集成式上层建筑的结构特性。目前对于船舶上的多开口并且有骨材的结构的有限元模 型，常规做法是人工手动建立几何模型，然后人工手动划分有限元网格。如果针对每一种情 况建立一种有限元分析模型，网格划分的工作量会非常巨大和耗时，因此有必要考虑用参 数化网格划分的方法研究多开口结构的集成式上层建筑。 阳〇化]通过对六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分方法，可W通过参数调 整（例如外壁面倾角、甲板高度、开口个数、开口位置、开口尺寸等）实现不同设计方案下的 快速有限元网格划分，便于在短时间内产生多套有限元模型进行结构特性分析；有限元模 型可W全部参数化生成，可W把任意参数设置为设计变量，便于对结构特性和RCS隐身特 性展开优化分析；整个六边形集成式多开口船舶上层建筑有限元模型的网格划分过程不需 要人工干预，提高了有限元网格划分速度，省去了人工的大量重复性网格划分操作。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分 方法，为了实现上述目的，其内容包括：
[0007] 第一步：首先建立没有开口的六边形集成式船舶上层建筑的几何外形模型。几何 模型全部由平面组成，没有曲面。六边形集成式船舶上层建筑的结构区域包括各层甲板，前 壁、后壁、侧壁、左前侧壁、右前侧壁、横舱壁、纵舱壁。真实的船舶结构一般都是左右对称 的，因此只对右边一半的上层建筑进行分析，另一半结构采用镜像对称操作即可；
[0008] 第二步：通过布尔减运算得到开口之后的上层建筑几何模型。由于集成式船舶上 层建筑的开口多是矩形形状，运里规定开口形状均是矩形，开口位置只位于外侧壁面上，即 侧壁、前壁、后壁、左前侧壁、右前侧壁上。内部主承力结构如横舱壁、纵舱壁、各层甲板上则 没有开口。具体操作是建立各个开口的几何模型，即一个矩形平面，然后通过布尔减运算， 用整个上层建筑的几何模型减去该矩形平面，运样就得到了一个开口结构。每个开口结构 都进行类似操作；
[0009] 第=步：运时的几何模型全部由点、线、面组成，为了便于后期的切割平面操作，给 所有的平面进行编号Si，S2,……Sw;N是所有平面的个数；
[0010] 第四步：真实船舶结构中，为了提高板的承载能力，要在板上增加骨材，起到加强 筋的作用，反映到几何模型上就是板上的直线。船舶骨材布置方式有纵骨架式和横骨架式， 运里采用纵骨架式。相邻骨材的间隔距离均相同，设为Ad。各个平面一般是矩形或平行 四边形，根据边长除WAd，小数部分舍去，得到每一个平面上布置骨材的个数Ki，K2,…… Kn;
[0011] 第五步：对于平面Si，根据平面具体形状，按照纵骨架式布局，依次进行平面切割， 切割的间隔距离为Ad，切割平面得到的直线作为骨材的几何模型。平面Si的切割次数为 町，即有Ki根骨材。i从1循环至N;
[0012] 第六步：所有通过切割平面得到的直线作为骨材结构。对所有切割平面得到的直 线进行自动划分梁单元网格；
[0013] 第屯步：对所有平面自动划分壳单元网格。运时得到的壳单元二维网格和第六步 得到的梁单元网格是相互匹配的。至此得到整个上层建筑右侧一半结构的有限元模型。上 层建筑结构是左右镜像对称的；
[0014] 第八步：把第屯步得到的整个上层建筑右侧一半结构的有限元模型沿着整个上层 建筑的对称平面进行镜像对称操作，至此，得到整个六边形集成式多开口船舶上层建筑的 有限元模型。
[0015] 进一步的，所述第二步中，得到开口之后的上层建筑几何模型的具体操作是建立 各个开口的几何模型，即一个矩形平面，然后通过布尔减运算，用整个上层建筑的几何模型 减去该矩形平面，得到了一个开口结构；每个开口结构都进行类似操作，即得到开口之后的 上层建筑几何模型。
[0016]本发明与现有技术相比的优点在于：目前对于船舶上的多开口并且有骨材的结构 的有限元模型，常规做法是人工手动建立几何模型，然后人工手动划分有限元网格。运样操 作的缺点在于，如果上层建筑的几何拓扑结构改变，网格必须重新划分。由于网格不能自动 划分，网格划分的人工工作量非常巨大。本发明中，整个六边形集成式多开口船舶上层建筑 有限元模型的网格划分过程不需要人工干预，提高了网格划分速度，省去了人工的大量重 复性网格划分操作；而且有限元模型可W全部参数化生成，也便于对不同的结构特性展开 优化分析。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明中六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分的流程；
[0018] 图2是本发明中六边形集成式上层建筑外形俯视图和整体坐标系；
[0019] 图3是本发明中上层建筑右侧一半对称结构的外形几何尺寸；
[0020] 图4是本发明中上层建筑右前侧壁在水平面投影图；
[0021] 图5是本发明中上层建筑各层甲板和横舱壁示意图；
[0022] 图6是本发明中上层建筑外壁面倾角示意图；
[0023] 图7是本发明中开口结构的示意图；
[0024] 图8是本发明中对平面进行切割的示意图；
[00巧]图9是本发明中船舶结构中T型骨材截面S维示意图；
[00%]图10是本发明中六边形集成式多开口船舶上层建筑镜像对称后的整体网格模 型；
[0027] 图11是本发明的实施例中，右侧一半对称结构的无开口几何外形模型；
[0028] 图12是本发明的实施例中，建立开口结构之后的几何模型；
[0029] 图13是本发明的实施例中，对各个平面按照骨材间距进行切割平面操作后的几 何模型；
[0030] 图14是本发明的实施例中，骨材几何模型进行梁单元网格划分后的示意图；
[0031] 图15是本发明的实施例中，平面几何模型进行壳单元网格划分后的示意图；
[0032]图16是本发明的实施例中，右侧一半对称结构划分完网格后的有限元模型；
[0033] 图17是本发明的实施例中，右侧一半对称结构的几何模型和网格进行镜像对称 操作后的整体有限元模型。
【具体实施方式】
[0034] 本发明的目的在于提供一种六边形集成式多开口船舶上层建筑的快速网格划分 方法，为了实现上述目的，其具体实现步骤是：
[0035] 第一步：首先建立没有开口的六边形集成式船舶上层建筑的几何外形模型。几何 模型全部由平面组成，没有曲面。
[0036] 六边形集成式上层建筑外形俯视图和整体坐标系见图2。真实的船舶结构一般都 是左右对称的，因此只对右边一半的上层建筑进行分析，另一半结构采用镜像对称操作即 可。上层建筑右侧一半对称结构的外形几何尺寸见图3。
[0037] 上层建筑关于OXZ平面对称，因此运里只分析图3中OX轴W下的部分。
[0038] 在图3中，ABN0FA是底层甲板的边界，CDM0'EC是顶层甲板的边界。上层建筑的 最大长度是以最大宽度是W，侧壁的最大长度是曰，前壁的最大宽度是b。上层建筑允许有 多层甲板，最大高度H，示意图见图5。侧壁、右前侧壁、前壁、后壁的倾角定义为壁面和水平 面的夹角，分别设为0 1、0 2、0 3和0 4,四个倾角的示意图见图6。
[0039] 要建立上层建筑的几何模型，需要知道图3中的每个顶点的S维坐标：
[0040]点A : (Xa, y*，Za)=(曰，-W，0) 阳〇W点B:(而，ye,Zb) = (L, -b, 0)
[0042]点 C : (X。yc，Zc) = (Xc，-W+H/tan白1，H)
[0043] 点 D : (x〇, y〇, z〇)=化-H/tan白3,y〇,H)
[0044]点 E :(而，Ye，Ze) = (H/tan白4, -W+H/tan白1, H)
[0045]点 F :(却，yp, Zf) = (；0, -W, 0) 阳046]点M: (Xm，yM，Zm) =(L-H/tan目3,0, H) 阳047]点N: (Xn,yN，Zn) =(L,0, 0)
[0048]点 0 : (X。，y。，z〇) = (；0, 0, 0)
[00例点 0, ：（x0,，y0'，z0'）=化/tan白4,0,H)
[0050] 可W看出，在图3的所有顶点中，只有C点横坐标Xc和D点纵坐标Yd是未知的。将 C点和D点向oxy平面投影，投影点分别为C'和D'，示意图见图4。C'点和D'点的坐标分 别为（而'，yc'，0)和（而'，y。'，0)，由立体几何的知识可知：而'=XC，yc' =yc;xD' =XD，y〇' = Yd。因此只要求出C'点和D'点的坐标即可。 阳化U在图4中，AC'、C'D'、D'B'分别是直线AC、CD、DB在o巧平面的投影。AB直线的 斜率设为k:
[0052]
(I) 阳05引 AB直线的方程可W写为：
[0054]
[00巧]y = kx+