PATRAN在船舶CAE设计中的应用实践

随着船舶工业的快速发展，船舶型式也逐渐向着大型化和专业化转变。各国的船级社都针对船舶结构设计开发出自己的结构设计软件，这些软件具有从船舶结构的初步设计到构件强度校核等一系列功能。但这些软件都是针对各种成熟船型，不能完全满足那些特殊用途的特种船舶（例如双体船、小水线面船舶等）的设计与强度校核的需要。因此，在对这些特殊船型船舶进行结构强度计算和动态特性分析时，往往求助于其他更为成熟的、结果能够得到专家认可的通用有限元分析软件。

MSC.Patran是工业领域应用非常广泛的有限元前、后处理软件，是一个开放式、多功能的三维MCAE软件包，具有集工程设计、工程分析、和结果评估功能于一体的、交互图形界面的CAE集成环境，可为多个解算器提供实体建模、网格划分、分析设置及后处理，其中包括 MSC Nastran、Marc、Abaqus、LS-DYNA、ANSYS 及 Pam-Crash。

因其方便快捷的前后处理功能，与其相连的有限元解算器 MSC.Nastran功能的全面性、求解问题结果的准确性，得到了许多设计单位的青睐，成为进行船舶整船结构设计与强度校核的有力的辅助工具。采用 MSC.Patran 系列软件进行船舶结构的设计与强度校核时，首要问题是对目标结构进行合理的有限元模型化。船舶结构是大型的板－梁复合结构，为了保证船舶特别是特殊用途船舶的整体性能，许多船舶具有比较特殊的外观结构；同时，船舶结构内部因为装载、稳性和人员工作等需要，划分了许多舱室，每个舱室都有可能在一些局部因特殊目的而具有特殊结构特点。这些结构上的复杂性使船舶整船建模繁琐而困难。其次，船舶工作时所处的环境复杂，本身装载条件也是不断变化，造成进行船舶结构强度校核时对于结构载荷与边界条件处理上的困难。MSC.Patran 本身具有的几何建模与有限元网格划分、边界条件的处理、载荷的定义与组合功能可以较好地解决这些难题，但要求建模的操作者对于 MSC.Patran 建模环境与软件提供的一些工具有一定的了解，具有一定的实际建模经验。MSC.Patran提供了丰富的工具集，能够简化分析模型的创建，可用于线性、非线性、显式动力学、热及其他有限元仿真。

船舶是复杂的三维空间板架结构，常规船舶大部分几何结构可以视作简单的平面或曲面（代表船体外板）与曲线（代表船体桁材、梁、各种支骨）的组合。在建立其几何模型时，常出现板与板的连接处出现缝隙的情况，尤其是曲面与曲面的连接，或两个面空间立体连接时，这个问题显得尤为突出。MSC.Patran 不仅具有使工程师可轻松处理 CAD 中的间隙和裂缝的几何清理工具，还提供了从头创建模型的实体建模工具，使任何人都可以方便地创建有限元模型。

在正确建立全船几何结构模型的基础上，进行强度分析前必须对结构进行有限元离散划分。MSC.Patran 软件提供了灵活的网格划分工具，可以对有限元网格的质量、密度进行控制。对于船舶的全船有限元分析，其目的主要是校核整船结构的强度，得到船舶在外加波浪载荷与装载载荷作用下的整体应力分布，因此一般采用满足计算精度要求的均匀网格。MSC.Patran可以通过全自动网格划分过程、也能够提供更多控制的手工方法或者这两者的组合，可轻松地在曲面和实体上创建高质量网格。

在使用有限元分析软件对船舶整船结构进行结构分析时，建立正确合理的有限元模型是得到正确结果的一个重要前提，对CAE工程师来说这是一项非常艰巨的任务，因为它不光意味着对模型质量提出了更为严格的要求，同时这也的确是一个复杂而耗时的工作。而作为CAE工程师，若想对船舶整船进行高质量的有限元建模，不仅需要在建模过程中注意养成良好的建模习惯，熟练并合理地使用CAE软件也是很重要的一个环节。而MSC.Patran内置了用于最流行的有限元解算器的载荷、边界条件及分析设置，能最大限度地减少输入文件的编辑工作，帮助CAE工程师保证模型的准确性，并节省下大量的人力物力。

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