SPD 与Patran接口系统的设计与开发

朱靖元，余 盛，郑斌华

（上海东欣软件工程有限公司，上海 201203）

0 引 言

SPD是一个自主研发的国产船舶CAD(计算机辅助设计)设计软件系统，主要用来加快设计速度、改进产品造型和提高绘图质量，而产品性能质量的好坏完全取决于一系列CAE（计算机辅助工程）工程分析、校验和仿真手段，在CAD设计的同时，运用CAE对产品的几何模型进行数值模拟，对产品的性能和结构进行评估，从而达到改善设计结构，提高产品性能、缩短设计开发周期的目的。Patran软件是主流的CAE前处理器[1]。

SPD定义的舰船结构模型[2]，包含设计和生产制造信息，船体结构模型主要构成要素为舱、面、分段、板架，其中板架由边界、板缝、板、筋、孔、贯穿孔、通焊孔（角隅）、肘板、折边、垫板等构成。结构模型除了定义几何数据、构件及位置、相互拓扑关系外，还有技术数据、管理数据、功能数据，以及它们的层次关系。而CAE 模型用于划分网格进行有限元计算，需要的是节点和单元信息。用途的不同导致Patran系统无法直接使用SPD系统导出的模型，系统间形成信息孤岛，数据流和过程流不透明。目前在对船舶结构进行有限元建模时，大部分还都是采用手工建模，从船舶结构初步设计阶段完成的二维图纸上量取船舶结构的位置坐标，输入到Patran中，建立节点和单元，再为单元赋予属性。这样建模的过程非常繁琐，效率低且容易出错，影响了船舶结构有限元分析工作的效率。

根据经验,有限元分析各阶段所用时间为：40%～45%用于模型的建立和数据的输入，50%～55%用于分析结果的判读和评定，而分析计算只占5%左右。因此，开发SPD与Patran的接口系统，将生产设计的模型简化处理成可以进行有限元计算的模型，使SPD模型能够快速转化为有限元模型，解决重新建模造成的时间和人力浪费问题，实现产品数据在产品全生命周期中的一致性，从而节约成本、提高生产效率，同时也推进SPD系统在船体初步设计中的应用。

1 系统概述

由SPD系统建立的船舶结构模型主要以线框式表达，即由点、线、面构成，也包含了各设计阶段和部分生产制造信息。Patran系统对舰船结构的数值仿真分析，主要是分析船体构件的结构强度，大量与结构强度无关的构件可以在确定规则下对结构模型做精简处理，得到带属性的结构几何模型[3～5]。因此，在开发SPD与Patran的接口系统时，研究了SPD与Patran的模型数据结构，将SPD中带属性的舰船结构几何模型进行解析，根据Patran分析有限元模型单元以肋位和构件布置构成的特点，对几何模型进行简化处理并加载属性，生成Patran系统可直接用于有限元分析计算的模型文件[6]。

根据Patran系统提供的数据交换接口，选择以SESSION（以下简称SES）格式文件作为模型的文件输出方式。SES文件能够表达模型的几何要素和材料等属性信息，并且SES文件在Patran中重现的是真正的三维模型，方便用户查看及后期处理。

2 系统开发架构设计

接口系统架构见图1系统数据的流程图。从图1可知接口系统与SPD系统、Patran系统的关系，并解释其内部的数据处理与简化的流程。接口系统与SPD服务器通讯，获取、解析最新的模型数据和参数；对SPD系统中数据进行读取、过滤、简化、优化、重构模型等处理，最终生成SES格式文件。此文件完全符合Patran系统的语言结构，可以被Patran直接读入并生成模型。

图1 数据流程

3 主要功能模块说明

SPD与 Patran接口系统的核心功能就是把生产设计的模型简化处理成可以进行有限元计算的模型文件，其他都是围绕这个核心展开的（见图2）。模型简化处理除了系统自动简化过滤外还提供人机交互功能，方便用户进一步的对导出模型的几何信息进行处理。另外，提供的“型材转换”和“角度转换”功能是对模型属性信息的人为干涉，用户可以根据不同需求对属性进行改造。

图2 接口系统功能模块

3.1 工程设置与模型选择

此类功能与SPD系统联系紧密，通过调用SPD的工程配置、数据库、文件等，将模型导入到SPD与Patran的接口系统中，并在界面中显示，方便人机交互及后期处理。

工程选择：使用SPD的网络工程项目或者本地项目；

分段选择：根据分段列表选择工程项目中的一个或多个分段；

区域选择：根据输入坐标值导入舰船在该坐标区域内的所有模型结构。

3.2 辅助功能

辅助功能主要由SPD系统提供，方便用户的使用。其中包括：模型导入后的多视图浏览；旋转、移动、放大缩小、正选反选等操作；利用切平面进行局部查看，或在视图界面上全模型显示；也可以隐藏或删除不需要的结构；以及不同功能按钮实现多种模式显示模型，如线框、实体、透明等。

3.3 模型查询

主要提供零件查询和模型定位功能，方便用户在系统使用过程中对模型零件的信息查找。

零件查询：导入分段模型后，在视图中显示该模型。如果需要查询某一板零件的相关信息即在视图模型上选择要查询的板架，确定后出现的对话框中显示零件的名称，材料和板厚信息。

模型定位：如果需要定位某板架，使用本功能，根据输入的板架名称（不区分大小写）黄色高亮显示定位板架，当板架名称错误或不存在时，系统给出提示信息。

3.4 数据简化处理

主要阐述数据的简化、过滤、处理以及性能优化等，去除掉内孔之后的平面和曲面能够在几何上连续；系统处理肋位与面的交线，扶强材在板上的迹线，加强筋、肋位线、板交线两两之间的交点，板和板的交线，包含平面板、曲面板和肘板之间的各种交线；将属性一致的多块板合并成一块板，并将属性加载到板上，方便模型在Patran中的网格划分与计算。

3.4.1 板处理

系统目前只针对强度影响比较大的船体主结构进行处理，包括平面板、平面扶强材、曲面板、曲面扶强材和大型肘板，使最终导入的模型在不影响强度的情况下尽量简单，以方便网格划分和强度计算。对于SPD中的板结构，将相邻的属性一致的板合并成一个大板，系统将针对所有合并后的板进行处理（见图3(a)）。一般来说，系统按照实际情况显示并输出合并后的板架外边界，但对于某些特殊情况，需要进行简化处理（见图3(b)），线段AB为板1与板2的交线，BC段长度小于系统给定的误差值，根据Patran的网格划分需求，板2的边界C点是无意义点，将C点缩至B点位置。

图3 板处理

3.4.2 板交线优化

系统按照船体理论线对所有模型的空间位置进行定位。船体板交线是忽略板厚度，取板定位面的交线（见图4(a)）。一般按照实际情况显示交线，但对图4(b)右图所示的情况需进行优化，线段BC为板1与板2的实际交线，A为其延长线与板1边界的交点，当AB的长度小于系统给定的误差值，将板交线优化为AC段。

图4 板交线的优化

3.4.3 简化过滤

系统自动过滤掉较小肘板以及合并后的板上的一些不影响强度的结构，如贯穿孔、边界孔等。并提供简化和过滤功能，可以根据用户需求过滤不同类型的板架以及给定规格的内孔，当内孔包围盒的最小值小于某一个值或者最大值小于另一个值时，过滤掉此内孔（见图5）。系统不对曲面板上的内孔做处理。

1)x为给定值，当min(a,b)＜x时，过滤此孔（见图5(a)）。

2)y为给定值，当min(c,d)＜y时，过滤此孔（见图5(b)）。

图5 内孔过滤

3.4.4 筋偏移

在SPD系统中，加强筋是依附于板架定义的，因此合并板架时将属性相同的板架上的加强筋也进行合并，再对合并后的加强筋进行简化处理。图6为加强筋的简化处理，Patran系统要求用线段表示加强筋，虚线为加强筋的理论线（迹线）。

1) 遍历加强筋与边界（相交加强筋）的距离，少于指定距离，延长扶强材的端点至边界（相交加强筋理论线），见图6(a)。

2) 满足加强筋延长条件的基础上，遍历加强筋与边界的垂点（点b、d、h、f），如果垂点与附近的交点（点a、d、e、g）小于指定距离，令加强筋端点偏移至交点（见图6(b)），偏移后的加强筋筋1为ad段，筋2为ef段。

选项设置：本功能可以对需要导出的SPD模型类型（平面板、曲面板和肘板）进行配置；通过设置孔的包围盒的最小值和最大值阀值对孔进行过滤设置；通过设置边界线或交点与加强筋的距离最大阀值对筋进行偏移设置；还可以设置模型在Patran中的全局计算精度。

图6 筋偏移处理

3.5 属性设置

Patran中将所有的模型结构，分成两大基本类：板单元与梁单元。整个模型板材全部使用板单元进行模拟；骨材、扶强材均采用二维梁单元进行模拟。板单元属性定义包括材料和厚度信息；梁单元属性定义包含型材截面尺寸、型材朝向和偏置距离等。

一般来说，Patran中可以识别使用SPD系统中模型的属性值，但是SPD模型中的球扁钢在Patran中是以角钢的形式做处理的，因此系统提供“型材转换”功能，用户可以根据不同船级社的要求自行输入球扁钢与角钢的转换。图7(a)为型材转换界面。“角度转换”功能则是针对处理梁单元的型材朝向而提供的功能。将SPD模型中得到的向量角度转换成Patran中方便计算的向量角度，转换规则由用户自行定义，根据不同需求定义不同的转换方式。图7(b)为角度转换界面。

图7 型材转换及角度转换界面

3.6 文件导出

本功能是在设置完所有选项后，在交互视图上选择需要导出模型，确定文件名称及存储路径，生成SES格式文件。导出过程中由进度条显示导出进度，结束后导出的板架上显示绿色的线条包括轮廓线、板交线、加强筋等（见图8）。

图8 文件导出界面显示

4 Patran系统模型重建

将SES格式文件导入Patran系统后，系统对SES文件进行逐句读入，读入的过程即为Patran中模型重建的过程。接口系统将处理过的模型分成了肋骨线、板交线、加强筋、板边界线、三维面、交点六个“组”，在 Patran中分别用不同的颜色表示。文件导入模型生成效果图（见图 9）。用户可以选择不同“组”查看重建后的模型的某种类型线或交点，也可以查看单块板、筋、线的几何信息和属性信息。

由于接口系统导出是单向的，即SPD模型可以导成Patran识别的SES文件，不能将Patran文件由接口导成SPD的模型文件。且SES文件存在点线面的ID号，因此当修改SPD模型后，如果需要修改后的SPD模型生成的Patran模型，应将修改后的SPD模型使用接口系统重新生成新的SES文件，再将新的SES文件读入到Patran中；或在Patran中对原有模型做相应修改。

图9 Patran系统模型重建效果

5 结 语

以SPD与Patran的接口系统的设计及开发为主题，主要介绍了该系统的构架设计、功能模块及数据流程。系统已经进行试用，并取得了良好的评价。

目前，接口系统只是完成了几何模型的重建和属性信息的加载，并没有提供自动网格的划分功能，而且现阶段解决的只是处理船体结构模型，并没有将结构信息外的船舶设计信息结合起来。这些都是值得后期研究的课题，SPD与Patran的接口系统还在继续开发与完善的过程中。随着系统的逐渐改进与完善，SPD与Patran的接口系统将成为SPD重要的组成部分，也为开发SPD与其他有限元分析软件的接口系统提供重要的参考。

[1] 刘兵山，黄 聪，等. Patran从入门到精通[M]. 北京：中国水利水电出版社，2003.

[2] 苏文荣. 船舶产品设计(SPD)系统[J]. 计算机辅助工程，2009,18(2): 1-4.

[3] 朱恒山. CAD、CAE集成中信息模型的研究[D]. 北京：北京航空航天大学，2001.

[4] 马爱军，周传月，王 旭. Patran和Nastran有限元分析专业教程[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

[5] 谢世坤，黄菊花，杨国泰. CAD/CAE集成中的有限元模型转化之研究[J]. 中国机械工程，2005,16 (5): 428-431.

[6] 刘岩松，董林福，信红波，等. CAD软件与CAE软件图形数据接口问题研究[J]. 沈阳化工大学学报，2011 (4): 349-353.