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MSC.Patran与LR.ShipRight有限元建模技术的分析与比较作者：江南造船集团朱彦摘要：本文基于散货船CSR 探讨使用MSC.Patran 与LR.ShipRight 两款软件在进行有限元分析中的建模技术，并比较两款软件的特点以及相互联系。
关键字：Patran、ShipRight、散货船、CSR、有限元建模1. 前言在船舶详细设计阶段，对船体结构进行应力集中以及疲劳强度评估的一个有效的手段就是采用有限元分析。
有限元分析的一般方法为选择有限元分析软件、确定单元形式、建立几何模型、网格划分、确定边界条件、判断载荷工况等，具体又可归纳为四个步骤：1) 建立有限元模型；2) 确定载荷及边界条件；3) 进行详细应力应变评估（例如细化网格以评估高应力区域）；4) 对关键部位的结构进行疲劳强度评估。
在以上步骤中能否建立合理有效的有限元模型是前提条件，模型质量的好坏，特别是网格的类型与划分方法，直接影响后续的分析结果。
目前常用的有限元分析软件主要有MSC.Patran\Nastran、LR.ShipRight、基于Patran 的CCS.TOOLS、DNV.Sesam 等，本文以散货船CSR 有限元建模为例，探讨Patran 与ShipRight 两种软件的建模技术和异同点。
2. Patran 与ShipRight 的简介MSC.Patran 作为一个优秀的前后置处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性，模型处理智能化、自动有限元建模、分析的集成、用户自主开发新功能、分析结果的可视化处理等等是其典型的特征，它提供了功能全面、方便灵活的可满足各种精度要求的复杂有限元的建模功能，其综合全面先进的网格划分技术，为用户根据不同的几何模型提供了多种不同的生成和定义的有限元模型工具。
ShipRight 是LR 自主开发的一款基于CSR 的有限元分析应用软件，具有很强的针对性，其优势在于建立好模型后，进行加载计算分析较Patran 更为便利。
PATRAN的一些精华小技巧1、在Patran里如何Move 一组Points 的位置, 而不改变这组Points 的ID 编号? Group/Transform/Translate的功能,这样不但编号不会变, 连property跟边界条件都会保留2、Patran如何执行多次Undo?所有Patran的操作步骤, 都记录在最新的一个patran.ses.xx中,如果需要多次undo, 可以刪除最后不需要的步骤指令行,再利用File -> Session -> Play 的方式, 执行改过的patran.ses.xx ,这样可以无限制的undo。
3、Patran中如何定义杆件之间的铰接？用的是rod元素，不需要定义铰接，因为rod元间本身就是以铰接形式连接。
如果用bar或是beam，需在properties里的Pinned DOFs @ Node 1/2定义铰接。
4、Patran 如何把不小心Equivalence的node分开用Utility/FEM-Elements/Separate Elements在equivalence时, 可以將选项切换为"List",只选择特定某些节点作equivalence, 可以避免不小心的失誤。
5、Patran如何將Tri3单元转换为Tri6单元在Patran -> Element -> Modify/Element/Edit , 將Type选项打勾,在Shape中选Tri, New Shape 选Tri6, 最后选取想要改变的Tri3单元,6、Patran 如何定义材料库Patran除了可以直接读取MSC.Mvision的材料材料库外，还可利用执行Session File的方式，直接使用以前已经定义过的材料。
编辑patran.ses.xx，将定义材料的PCL指令剪下，粘贴到另外一个文件中（如mat.ses）。
之后便可直接由Patran的File/ Session/ Play来加入此一材料的定义。
Patran船舶结构有限元建模的实用技巧-机械制造论文Patran船舶结构有限元建模的实用技巧撰文/ 中船重工（武汉）船舶与海洋工程装备设计有限公司何勇目前，市面上主流的通用结构有限元分析前处理器种类众多，包括Patran、Ansys、Abaqus、HyperMesh 和Femap 等。
这五款软件在国内船舶行业均有应用，其中Patran 的用户数量很多。
本文结合笔者多年运用Patran 进行船舶结构有限元建模积累的经验，为广大同行介绍一些建模方面的技巧，以期对读者有一些帮助。
一、网格划分与编辑技巧1. 根据现有的节点撒种子对于具有曲线边界的面，例如首尾区域垂向加强的横舱壁，横舱壁与外板交线上的网格种子并不是等间距的，此时可先在横舱壁与甲板的交线上生成等间距的节点，然后将这些节点投射到横舱壁与外板的交线上，最后用Create\Mesh Seed\Tabular 方法（Coordinate Type 选Node and Point）根据投射得到的节点生成网格种子，这样得到的网格种子可以保证横向对齐。
2. 径向扫略由低阶单元变换得到高阶单元时，Sweep\Element\Extrude 是一种经常使用的方法，此方法为线性扫略。
但径向扫略的作用也不容忽视，图1 所示的立柱环筋的创建就是一个典型的例子。
径向扫略通过Sweep\Element\Radial Cyl. 方法实现。
扫略时，Axis 填写扫略平面的法向，Radial Distance填写扫略距离，为正时背离原点扫略，为负时指向原点扫略。
3. 跨越边界的单元的修改通过扫略创建甲板边板壳单元时，在非平行中体区域，会出现最外侧的一行单元跨越甲板边线的情况，此时需移动节点将其拉回到甲板边线上。
有些用户习惯使用Modify\Node\Move 方法实现这个目标，但这种方法要求输入节点要移动到的新位置，而这个位置的坐标通常是未知的，因此需先通过求交点的方法找到这个位置。
文章编号 167127953(2005)02204217收稿日期 2004212208作者简介 何祖平(1975-),男,硕士,助理工程师基于MSC.Patran 二次开发的结构参数化建模及其集成开发环境何祖平 王德禹上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海 200030摘 要 应用PC L 语言结合会话文件对MSC.Patran 平台进行二次开发,通过梁结构建模与分析的参数化,提高了工作效率,同时也促进了建模和计算精度的改善;通过在M icros oft Visual C ++ 6.0的编辑器中加载外部工具的方法,将PC L 开发环境与VC 编辑器集成,充分利用VC 编辑器的强大功能,使PC L 程序的开发更为方便快捷。
关键词 船舶结构 参数化建模 MSC.Patran PC L 语言 会话文件 二次开发 集成开发环境中图分类号 U661.42 文献标识码 AParameterized m odeling based on MSC.Patran andits integrated development environmentHE Zu 2ping WANG De 2yuSchool of Naval Architecture ,Ocean and Civil Eng. Shanghai Jiaotong University Shanghai 200030Abstract The PC L language combined with the session file of MSC.Patran is applied for the parameterized m odeling and analysis for structures ,which can im prove the efficiency with the m odeling and analysis precision enhanced.The tech 2nique can be further popularized for analysis of ship and other structures.This paper als o introduces a method to integrate PC L development environment into VC editor by loading the exterior tools.The power ful ability of VC editor is able to make the PC L development m ore convenient and efficientK ey w ords ship structure parameterized m odeling MSC.Patran PC L language session file second 2time de 2velopment integrated development environment 随着造船技术与航运市场的发展,船舶建造向大型化和经济化方向发展,越来越多的船舶超越了现行有关规范的规定,需要利用有限元直接计算的手段来评估船舶的安全性。
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧
1.确定准确的边界条件：在进行有限元分析之前，必须确定准确的边
界条件，包括施加在结构上的载荷和约束条件。
载荷可以来自于船体自重、海浪、风力等，而约束条件则取决于结构在实际使用中的支撑方式和边界。
2.适当的网格划分：将船体结构划分为有限元网格时，需要平衡网格
密度和计算的效率。
网格应该足够细化以准确地刻画结构的几何形状和应
力分布，但过度细化会导致计算时间过长。
3.材料力学性质的准确建模：船舶结构通常由多种材料构成，每种材
料都有不同的力学性质。
在有限元分析中，必须准确地建模材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等参数，以获得准确的应力和变形结果。
4.船舶结构的非线性分析：船舶结构在承受大量载荷时可能会发生非
线性行为，例如材料的塑性变形、变形引起的刚度变化等。
在分析中，可
以使用非线性有限元分析技术来模拟这些行为，例如使用非线性材料模型
或考虑接触和接缝等。
5.动态分析考虑：船舶结构通常在动态环境中运行，例如在海浪、船
舶振动等影响下。
因此，在分析中需要考虑结构的动态响应。
可以采用模
态分析、动态响应分析等方法来评估结构在不同动态情况下的强度。
6.结果验证和后处理：在完成有限元分析后，应对结果进行验证。
这
可以包括与实验数据的比较、与规范要求的比较等。
同时，还需要进行合
理的后处理，以便更好地理解结果，例如绘制应力云图、应力集中区域以
及确定最薄弱的部位。
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧陈有芳、章伟星中国船级社北京科研所船舶结构强度有限元计算分析中的技巧Skills of Ship Structural Strength Analysis By FEM陈有芳、章伟星（中国船级社北京科研所）摘要：在对船舶结构进行有限元计算分析和评估中，一般采用的是舱段板梁模型，不可避免要面临应力的选取问题。
对于弯曲板单元，有限元计算输出的应力包括上下表面的应力，我们在评估中一般采用中面应力作为工作应力，中面应力应该是上下表面应力的平均，如果在实际操作中采用上下表面应力的平均的方法来得到中面应力，将比较麻烦，也不直观。
本文对在船舶结构有限元分析评估中采用中面应力作为工作应力的原理、方法以及如何在MSC.Patran中如何得到中面应力的技巧做一介绍，供船舶结构分析工程师参考使用。
并做了一些测试和分析。
关键词：船舶结构有限元强度中面应力 MSC.PatranAbstract: In analyzing and evaluating of ship structures by FEM, a plate-beam FE model within holds is generally used and it is unavoidable to solve how to select the stress used. For bending plate, the output stresses include the stresses of up-surface and lower-surface, but in ship structure strength analysis, the mid-surface stress is used as applied stress in general. As we know, the mid-surface stress is the average value of up-surface stress and the lower-surface stress. It is discommodious to obtain the mid-surface stress by the up-surface stress and lower-surface stress in practice. The paper introduces the theory and method of using the mid-surface stress as the applying stress in ship structure strength analysis, and the skills about how to obtain the mid-surface stress in MSC/PATRAN. Some tests and analysis have also been carried in this paper.Keys:Ship Structure Finite Element Strength Mid-surface Stress MSC.patran1 概述一般来讲，对承受面外压力的板进行强度校核时，应对板的上下表面应力进行校核，相应的强度标准也是对应的上下表面应力，这些均应该建立在能对板的应力精确计算的基础上。
PATRAN的一些精华小技巧1、在 Patran里如何Move一组Poin ts 的位置, 而不改变这组 Points的ID 编号? Group/Transf orm/Transl ate的功能,这样不但编号不会变, 连prope rty跟边界条件都会保留2、Patran如何执行多次Undo?所有Patr an的操作步骤, 都记录在最新的一个pa tran.ses.xx中,如果需要多次undo,可以刪除最后不需要的步骤指令行,再利用 File -> Sessio n -> Play 的方式, 执行改过的p atran.ses.xx ,这样可以无限制的und o。
3、Patran中如何定义杆件之间的铰接？用的是rod元素，不需要定义铰接，因为rod元间本身就是以铰接形式连接。
如果用bar或是bea m，需在prop ertie s里的Pi nnedDOFs @ Node 1/2定义铰接。
4、Patran如何把不小心Equiv alenc e的nod e分开用Utilit y/FEM-Elemen ts/Separa te Elemen ts在equiv alenc e时, 可以將选项切换为"List",只选择特定某些节点作e quiva lence, 可以避免不小心的失誤。
5、Patran如何將Tr i3单元转换为Tri6单元在Patra n -> Elemen t -> Modify/Elemen t/Edit , 將Type选项打勾,在Shape中选Tri, New Shape选Tri6,最后选取想要改变的Tr i3单元,6、Patran如何定义材料库Patran除了可以直接读取MS C.Mvisio n的材料材料库外，还可利用执行Sessi on File的方式，直接使用以前已经定义过的材料。
MSC.Patran 船舶结构建模中的一些实用技巧陈国龙哈尔滨工程大学船舶工程学院MSC.Patran 船舶结构建模中的一些实用技巧Applied Skills in Modeling a Whole Ship Using MSC.Patran陈国龙(哈尔滨工程大学船舶工程学院)摘要：结合本人的实际建模与分析经验，本文就采用大型有限元软件MSC.Patran进行船舶全船建模过程中的一些实用技巧进行了总结，指出了软件的Group、List等功能在建模中起到的事半功倍的作用，并对Tools工具集下的有关工具的使用进行了介绍。
关键词：船舶，结构分析，MSC.Partan，有限元建模Abstract: According to practical experiences in modeling and analysis using MSC.Patran, some skills in modeling whole ship structure using MSC.Patran are proposed in this paper, the important role the Group function and List function playing in modeling a whole ship structure are pointed out, and the uses of tools in Tools menu are introduced Keywords: s hip，structure analysis, MSC.Patran，FEM model1. 概述随着当今船舶工业的发展，船舶向着大型化和专业化发展。
为了满足不同用途船舶的不同需求，不同种类的船舶都有其各自的结构特点。
各国的船级社都针对船舶结构设计开发了自己的结构设计软件，这些软件具备从结构的初步设计到强度校核的比较完备的功能。
但这些软件都是针对各种成熟船型，不能完全满足针对特殊用途的特殊船型船舶（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，往往求助于比较成熟的、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的合理的有限元模型化。
船舶结构是大型的板－梁复合结构，为了保证船舶的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。
在本文中，结合本人对一艘穿浪双全船全船建模的过程，总结了一些建模中的经验，希望与有经验的人士互相交流，并能对初学MSC.Patran的人士有所帮助。
2. 船体几何模型的建立许多常规商用船舶（散货船、集装箱船和油轮）在船体纵向中部具有很长的一段平行中体，在平行中体的范围内，其外部轮廓没有变化。
此时。
可以通过建立一个舱段的几何模型，将此舱段的几何模型通过平移（Geometry\Transform）功能，来得到整个平行中体范围内的几何模型。
但对于船舶的艏部与艉部，由于球鼻艏和螺旋桨艉轴架结构的存在，使线型变化比较剧烈，此时必须按照型值进行逐渐的建模。
对于穿浪双体船来说，船长较短，无论从纵向还是从横向来看，线型变化都较大，无法象常规船舶一样通过建立局部结构并将其平移来得到全船大部分的结构模型，必须按照结构的型值表分步进行建模。
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。
但对于穿浪双体船等具有非常规外形的船舶来说，其几何结构多为较为复杂的曲面与曲线的组合。
在形成这些曲面时，多采用Geometry\create\curve\spline方法先确定线型比较复杂的两个相对的边，再通过Geometry\create\surface\curve方法形成曲面。
在形成包含于此曲面上的骨材时，可采用先确定骨材在曲面边界上的端点，采用Geometry\create\curve\point方法形成直线，再采用Geometry\create\curve\project方法将直线投影到此曲面上形成曲线，以保证满足曲面与曲线间的关系。
船舶是复杂的三维空间板架结构，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。
为避免此现象的发生，在构成相连接的面时，形成第二个面时尽量采用Geometry\create\surface\curve方法，在选取starting curve list或ending curve list时，将curve的类型预设为edge（即与其相连的已形成的面上的边），以保证两个面共用同一条边，最大限度的减小出现面间缝隙的可能。
3. 有限元网格的划分在正确建立全船几何结构模型的基础上，在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。
这种网格可以通过在原有的几何模型基础上对几何对象进行网格划分来实现（Element\create\mesh）。
对于需要控制网格密度在同一几何对象中变化的问题，可以在网格密度变化位置利用Element\create\Mesh Seed功能预设节点位置来实现。
在船舶结构的有限元网格划分问题中，对几何面的网格划分工作占相当大比例。
MSC.Patran提供了两种对于面的自动划分网格功能：IsoMesh法与Paver方法。
在建模过程中发现，对于形状规则的矩形平面或曲面，两种方法形成的网格单元形状都比较规则，aspect、warp、skew、taper属性都令人满意。
而对于形状不规则的面，IsoMesh法通过利用Element\create\Mesh Seed功能预设节点位置可以得到aspect、warp、skew、taper属性比较令人满意的单元，但对于一些形状极不规则面（在船舶结构中某些局部位置这种面的不规则是难以避免的），IsoMesh法不能形成网格；Paver方法可以在任意形状的面上形成四边形网格，但在形状极不规则面中，所产生单元的aspect、warp、skew、taper 属性不能得到保证。
在进行网格划分时，经常遇到相连的两个面之间、位于某面内的线与此面之间的节点相互不协调的现象。
这种不协调破坏了结构的整体性，造成在本应是一个整体的面之间存在缝隙，在分析时出现本不存在的自由度，最终形成错误的应力结果或产生不应出现的机构变形。
因此应当注意使具有公用边的面在公用边上的结点相重合，同时使面内的曲线上的节点与面上的节点相重合。
为保证相邻两个面公用边上的节点重合，除保证面与面之间不出现缝隙外，可通过先对一个面划分网格，在公用边上将已存在的结点定义为第二个面的Mesh Seed，来预定义下一个面在公用边上的节点位置。
对于在面内的直线，首先应将其与此面相关联,成为面内硬线（Geometry\Associate\Curve\Surface），保证在对面划分网格时，有节点位于此线上；接下来将这些节点定义为线上的Mesh Seed，以保证对线进行有限元划分时，线的节点与面的结点相重合。
在保证结点协调的前提下，使用Element\Equivalence命令，去除重合的多余节点，以保证结构的完整性。
4. 在建模过程中Group功能的使用船舶是一个由众多板、梁、柱等结构构成的大型复杂的空间结构体。
如果在建模过程中将所有构件都建在一起，则在视图显示中各种构件交织在一起，在定义约束条件、施加各种载荷与定义结构中的非结构质量时很难查找定位需要的构件或节点，大大增加了建模的难度，使建模过程变成了令人眼花缭乱、心烦意乱的过程。
利用MSC.Patran提供的Group（群组）功能，可以在建模中对大型复杂空间结构进行分解，以位置、构件特点等为原则，对构件进行分组，使每一个组中的结构都尽量简单并容易进行几何、单元元素的查找与选择，从而避免这种因结构过于复杂而造成的建模困难，加快建模的速度。
在开始着手建模之前，应先对所要建模的船舶结构有一个整体认识，确定所要进行的分析的范畴（静力分析、动态分析、结构优化分析等），考虑结构所受到载荷的性质和结构受载位置，在动力分析中还应考虑对结构的动态特性产生影响的非结构质量的位置与分布特点，分析结构所处的环境对结构所造成的约束作用的形式与位置。
这些都可以作为在对结构进行分组时的依据。
在建立船舶的有限元模型时，最常见的分组是按剖面和舱段进行分组。
先绘制船舶的典型剖面，然后以从船首至船尾的顺序（反之亦可）逐段生成各舱段。
这种分组的优点是容易确定外载荷与装载载荷的位置，在动态分析时也容易确定非结构质量的位置与分布。
同时因为船舶结构中复杂的细部结构通常出现舱壁附近，如此分组也方便产生这些复杂结构。
组的应用除了可以方便几何对象或单元对象的选取外，还可以通过对组的Transform操作简化建模的过程。
对于具有较长范围的平行中体的常规船舶来说，可以首先建立平行中体中的一个舱段，然后使用Group\Transform\Translate命令，选择Copy选项和移动的次数，在相应方向上进行组的平移，从而一次性在相应的位置上生成所有的结构相同的新舱段。
对于具有对称性的结构，可以只建立一半的模型，通过Group\Transform\Mirror命令，选择Copy选项，来生成对称面另一侧的半个模型。
在船舶结构的角隅处有些倾斜的构件可以通过在方便的位置建立相应的结构，再使用Group\Transform\Rotate命令，选择Move选项，将其旋转到正确的位置。
组中的Transform命令与几何菜单和单元菜单下的Transform命令相比功能更为强大。
