一种用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法与流程

本发明涉及船舶结构有限元，具体涉及一种用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法。

背景技术：

1、在船舶结构有限元领域，msc nastran是进行强度计算广泛使用的有限元商用软件，abaqus是进行振动噪声和冲击计算常用的有限元商用软件。bdf模型是msc nastran求解器的计算输入文件，是一种拓展名为bdf的文本式模型文件，包含了有限元模型的全部信息如节点、单元、材料、载荷工况等，可通过有限元前处理软件或者文本编辑来建立该模型文件。inp模型是abaqus求解器的计算输入文件，是拓展名为inp的文本式模型文件，同样包含了有限元模型的全部数据信息。为避免重复建模，实现一模多用，进而缩短船舶结构设计周期，同时保证模型数据源一致，常需要将建好的bdf模型转换成inp模型。

2、船舶结构有限元模型主要由壳单元和梁单元组成，在bdf模型向inp模型的转换过程中，壳单元等单元的转换通常是顺利的，但由于两种模型中梁单元属性以及梁截面方向等的定义方式不同，现有的软件接口和工具均无法很好地解决梁单元转换的问题。具体问题如下：

3、

4、其中，针对于技术问题2：梁单元方向bar orientation，典型的梁单元局部坐标系如图1所示，从节点a到节点b的连线构成xe轴，与梁截面方向ye和梁截面方向ze，三根轴的方向遵守右手定则。梁截面惯性矩ixx和iyy以及扭转常数j是相对于局部坐标系来定义的。bdf模型与inp模型中梁单元的局部坐标系均由图1三个方向组成，但是局部坐标系的生成方式不同。

5、如图2所示，bdf模型中在创建梁单元局部坐标系时，先定义一个参考向量v，通过向量x先叉乘向量v得到向量z，然后向量z叉乘向量x得到向量y，从而确定两个梁截面方向；而inp模型中在创建梁单元局部坐标系时，先输入一个近似n1向量，通过向量t叉乘近似n1可确定向量n2，进而通过向量n2叉乘向量t确定实际的n1向量。简言之，bdf模型中的梁截面方向数据为向量v，而inp模型需要的数据为向量n1，这就需要进行向量运算才能将梁截面方向正确对应。

6、此外，两种模型中梁截面方向数据存储位置不同，bdf模型中梁截面方向赋予了梁单元本身(即在cbar、cbeam等数据卡片中)，与梁属性(pbarl、pbeaml数据卡片)无关，而inp模型中，梁截面方向数据储存于梁属性中(beam section)，见图3，其中图3中的(a)为bdf格式文件中梁单元与梁属性数据，图3中的(b)为inp格式文件中梁单元与梁属性数据。带来的情况是，bdf模型中的梁属性无法与inp模型中的梁属性一一对应，后者的属性将多于前者。基于上述两个现实，bdf模型中的梁单元方向数据不能直接用于inp模型。

7、针对于技术问题3：梁单元偏置offset，除了梁截面方向之外，梁单元的偏置也是确定梁截面惯性矩的重要参数。bdf模型中梁单元偏置可在单元中通过全局坐标系定义(cbar、cbeam等关键字的参数)，而inp模型中常用的l型、矩形等梁截面不具备偏置参数，仅梯形、工字型梁截面可通过局部坐标系定义偏置。因此模型转换后将导致l型、矩形等常用梁截面偏置数据丢失，对计算结果有很大影响。以l型梁为例，梁单元有无偏置情况如图4所示。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是：patran所创建的bdf模型转换为abaqus计算所用的inp模型过程中出现的梁单元方向和偏置问题。

2、本发明的技术方案是提供了一种用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，包括以下步骤：

3、获取bdf模型中关键字数据，关键字数据包括节点a和节点b的空间坐标、单元截面方向向量、梁截面类型、截面形状参数、原属性编号以及偏置；

4、根据节点a和节点b的空间坐标以及按从节点a到b的方向，获取梁单元轴向向量xe；

5、根据梁单元轴向方向向量xe与梁截面方向向量ye，获取梁截面的方向向量ze；

6、将向量ze定义为inp模型中的方向向量n1，获取inp模型中的截面梁方向，在截面梁上定义系列点指定截面形状；

7、将截面形状相对应的截面等效成多个片段组成的局部截面梁，定义截面形状参数相对应的厚度；

8、根据bdf模型中关键字数据的原属性编号和ze向量，以bdf模型中原属性编号相对应的属性相同，但原属性编号相对应的属性具有不同截面方向的梁单元将被赋予不同的属性，将方向数据补充进属性中，生成inp模型的新属性，并对相对应的梁单元赋予新属性。

9、优选地，所述梁单元轴向向量xe的公式如下：

10、xe＝b-a。

11、优选地，所述梁截面的方向向量ze的公式如下：

12、

13、优选地，在所述截面梁上定义系列点，并由直线段连接，组成指定截面形状。

14、优选地，所述截面形状中每个片段均具有相对应厚度。

15、优选地，所述等效维持了原截面的物理特性，保留了偏置信息。

16、优选地，所述物理特性为截面积和惯性矩。

17、优选地，所述原截面为l型截面。

18、优选地，所述截面形状参数包括腹板高、面板宽度、腹板厚度以及面板厚度。

19、优选地，在所述生成inp模型的新属性，并对相对应的梁单元赋予新属性中，包括：bdf模型中有n个梁属性，每个梁属性各有m种不同的方向的梁单元，则转换后的inp模型将会有n×m种梁属性。

20、本发明提出一种用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，有效解决patran所创建的bdf模型转换为abaqus计算所用的inp模型过程中出现的梁单元方向和偏置问题，实现模型复用，节省了建模和修改时间，提高了船舶结构设计效率。

技术特征：

1.一种用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，所述梁单元轴向向量xe的公式如下：

3.如权利要求2所述的用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，所述梁截面的方向向量ze的公式如下：

4.如权利要求1所述的用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，在所述截面梁上定义系列点，并由直线段连接，组成指定截面形状。

5.如权利要求4所述的用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，所述截面形状中每个片段均具有相对应厚度。

6.如权利要求1所述的用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，所述等效维持了原截面的物理特性，保留了偏置信息。

7.如权利要求5所述的用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，所述物理特性为截面积和惯性矩。

8.如权利要求5所述的用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，所述原截面为l型截面。

9.如权利要求1所述的用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，所述截面形状参数包括腹板高、面板宽度、腹板厚度以及面板厚度。

10.如权利要求1所述的用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，其特征在于，在所述生成inp模型的新属性，并对相对应的梁单元赋予新属性中，包括：bdf模型中有n个梁属性，每个梁属性各有m种不同的方向的梁单元，则转换后的inp模型将会有n×m种梁属性。

技术总结
本发明提出一种用于船舶结构有限元模型的梁单元转换方法，有效解决Patran所创建的BDF模型转换为Abaqus计算所用的INP模型过程中出现的梁单元方向和偏置问题，实现模型复用，节省了建模和修改时间，提高了船舶结构设计效率。

技术研发人员：张鑫,王安阳,夏玮,徐敬博,陈先胤,徐永超,李聪
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇八研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27