The Finite Element A nalysis and Optimization Design of
Submarine Structure Based on HyperWorks
周猛猛 杨宇华 耿黎明 刘朝骏
(中国舰船研究设计中心 湖北 武汉 430064)
摘 要:本文主要研究潜艇舱段的变形问题以及舱段中基座的优化问题。应用有限元软件HyperMesh建立潜艇舱段的有限元模型并利用求解器OptiStruct进行静力学分析,进而得到舱段的变形结果。然后从潜艇舱段中分离出基座作为子模型单独进行优化分析,并提取相应节点的位移值作为基座的位移边界条件,采用OptiStruct求解器对基座进行拓扑优化,最终得出了满足结构强度及刚度要求下的轻量化基座结构的优化模型。
关键词:潜艇舱段 HyperMesh OptiStruct 拓扑优化
Abstract: This paper is mainly about the deformation problem of submarine and the problem of base structure optimization. Applying finite element software HyperMesh to establish finite element model of submarine cabin and applying OptiStruct to carry out static an alysis, and then get the deformation
contour of submarine cabin. In addition, separating base as sub-model from submarine cabin and
extracting nodal displacement as displacement boundary conditions of base, applying OptiStruct to carry out topological optimization, finally obtain the optimization model satisfying strength requirements and stiffness requirements.
Keywords: submarine cabin HyperMesh OptiStruct topological optimization
Altair 公司研发的 HyperWorks 系列产品可以解决工程优化及分析问题,已成为飞机、汽车和船舶等领域 CAE 应用的利器之一,得到了工业界的认可。其中的有限元前处理模块 HyperMesh 网格划分功能强大,并与主流 CAD 软件有着良好的接口。结构分析模块 OptiStruct 是一款基于有限元法的结构设计优化软件,可用于线性静态分析、模态分析、惯性释放、频率响应分析和屈曲分析,涵盖了船舶结构 CAE 技术应用的多个方面[1]
潜艇下潜状态下承受较大的深水压力,结构存在较大变形,可能会因此影响设备的正常运行。在设计初期,仅靠简单的经验公式和理论计算方法已无法满足设计要求,这时有限元方法就显得非常重要。潜艇结构非常复杂,有限元建模较为困难,而 Altair 公司研发的前处理软件 HyperMesh 具有强大的几何清理及网格划分功能。本文以某潜艇舱段为例,采用 HyperMesh 建立有限元模型,采用 OptiStruct 分析求解,得到潜艇变形云图。
此外潜艇基座设计是潜艇设计的一项重要内容,一方面其结构形式种类多样,另一方面其数量繁多,因而如何优化其结构形式,对减轻潜艇重量有着重大作用。Altair公司的优化软件OptiStruct在结构优化方面有着绝对的优势,因此本文采用OptiStruct对基座进行拓扑优化,使得基座在满足刚度和强度的前提下重量最轻。
由于潜艇舱段形状极为复杂,而通常 CAE 软件绘图功能较差,因此我们采用 CAD 软件建立几何模型,然后倒入 CAE 软件中建立有限元模型进行分析求解。本文选用 CATIA 建立几何模型,然后导入 HyperMesh中进行几何清理、划分网格。具体过程如下:
一、在 CATIA 中建立几何模型,并保存为.iges 或.step 文件。
通常这两种格式的文件与 CAE 接口较好,导入过程不容易出现错误。
二、将几何模型导入 HyperMesh 中。
File>>import>>Geometry>>iges ,选择几何文件,点击 Apply。
三、几何清理。
导入的几何模型出现最多的问题是多条边不共线的问题,因此几何清理的主要工作是使多条边共线,保证几何模型为一个整体。
Geometry Color Mode>>By Topo ,此时线段颜色共有三种:红色为自由边,绿色为两边共线,黄色为三边或三边以上共线。选择 Geom>>edge edit>>toggle 工具调整所有两边重叠的线段颜色为绿色,所有三边及三边以上重叠线段颜色为黄色。
四、建立多个部件。
Collector>>Create>>Components 创建部件。本文采用二维单元划分网格,潜艇舱段钢板有多种厚度,
为便于赋属性,该模型共分为 43 个 Components ,对应 43 种不同厚度。然后通过Geometry>>Organize>>Surfaces 把同一厚度的钢板移到同一 Component 中。
五、划分网格。
2D>>automesh>>size and bias,element size=100,mesh type>>mixed 。划分过程根据具体情况调整节点数目,使得划分出的网格形状尽可能规整。
六、网格质量检查。
Tool>>faces ,选择所有单元,设定容差,点击 preview equivalence,预览是否具有重合节点,若有重合节点,点击 equivalence 合并重合节点。
F6>>cleanup ,红色为不合格,黄色为警告,直接拖拽节点调整单元质量。有限元模型如下图所示,由于结构不具有对称性,因此建立的是完整的有限元模型,共计 2860 个三角型单元,77041 个四边形单元,76731 个节点。

图 1 潜艇舱段有限元模型
潜艇耐压船体采用 921A 钢制造,其弹性模量 E=1.96e5MPa,泊松比 υ=0.3。因为潜艇钢板有 43 种不同厚度,因此对应创建 43 种不同属性,分别赋予 43 个部件。
在靠近艇舯部的界面创建固定边界条件。艇体外表面暴露水中, 因此在外表面创建均布压力载荷,载荷大小为 3MPa。创建一个静力学分析工况。本文采用 OptiStruct 求解器进行求解。结果应力云图及位移云图如下所示:

图 2 潜艇舱段应力云图 图 3 潜艇舱段位移云图
由图 2、图 3 可知,舱段的最大应力为 558MPa,最大位移为 12mm。
由图 4 可以看到,在潜艇舱段中部有两个基座,为降低基座重量,对基座进行拓扑优化,找出最佳的材料分布。由于基座和艇体相连, 因此施加边界条件时需要考虑艇体对基座的影响,这些就需要采用子模型技术。
3.1 子模型技术
子模型通常是用来在原模型基础上获取更为精确结果的一种方法,即从分析模型上截取部分区域,对该区域的网格进行细化后进行二次应力分析,得到更为精确地结果。子模型方法又称切割边界位移法或特定边界位移法。切割边界就是把子模型从整个较粗模型分开的边界,粗模型在切割边界上的计算位移通过插值可得到子模型的位移边界条件[2]。
图 4 潜艇舱段中部基座
严格来说,HyperMesh 中并没有子模型技术,但 HyperMesh 可以提出节点位移,然后施加到原有节点上作为位移边界条件,但比起子模型方法,该方法无法为子模型的边界提供插值位移边界条件,因此子模型网格的细化需要在原有网格的基础上进行,原有节点必须保留,否则将丢失位移边界条件。
下面具体阐述如何分离子模型并提取位移边界条件。
设置结果文件为.op2 文件:An alysis>>control cards>>OUTPUT>>OP2,重新提交计算,保存计算结果。删除除基座外所有单元, 然后提取节点位移:Post>>Free Body>>Displacement,选择粗模型计算的结果文件,然后选择切割边界上的单元和节点,点击 Accept,可得到切割边界上的位移边界条件。然后选择 2D>>split>>plate elements>>split all sides 选择所有单元,点击 split,网格加密一倍,同样方法可使网格继续加密一倍。子模型的有限元模型如图 5 所示。
由图 5 我们可以看到,基座的设计偏于保守,设置了过多肘板,我们对基座肘板做如图6 所示的调整:

图 5 子模型的有限元模型 图 6 调整后的基座结构形式
3.2 拓扑优化
目标函数:质量最小
设计变量:基座腹板
面板垂向最大位移:1.5mm
约束条件:腹板水平方向最大位移:0.3mm
最大应力:250MPa
优化后基座的密度分布如图 7 所示。
根据优化结果我们提出如图 8 所示的新结构形式。

图 7 优化后材料密度分布云图 图 8 优化后的基座结构形式
对改进后的基座进行力学分析,应力云图和位移云图见图 9、图 10。

图 9 优化后的基座应力云图 图 10 优化后的基座位移云图
优化后基座的最大应力为 249.5MPa,面板最大位移为 1.162mm,腹板最大位移为 0.118mm。
3.3 优化前后对照
优化前后基座的重量、应力、位移对照如表 1 所示:

由表 1 可以看到,基座重量减轻 56%,并且腹板位移、面板位移、最大应力都相应减小。
(1)HyperMesh 作为一款针对有限元主流求解器的高性能前后处理软件,提供了交互化建模功能和CAD/CAE 软件接口,尤其适合于结构复杂的潜艇有限元网格划分。
(2)采用 HyperWorks 软件对潜艇舱段的结构强度和变形进行仿真分析,得到了舱段结构应力和变形分布,较为真实地反映了潜艇的实际受力情况,其分析结果可用于指导潜艇结构设计。
(3)通过 OptiStruct 的拓扑优化,基座重量成功减轻 56%,对潜艇设计具有重要意义。
[1]张胜兰,郑东黎,郝琪等.基于 HyperWorks 的结构优化设计技术 [M].北京:机械工业出版,2008.
[2] 陈玉振,陈亚峰,翟亦峰.子模型技术在强度分析中的应用.设计与研究[J].2008,8(35).
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