网格划分软件在船舶磁场计算中的应用

李 宇，赵文春，刘胜道，周国华

(1.海军工程大学，湖北 武汉 430033;2.92351部队，海南 三亚 572016)

维修理论

网格划分软件在船舶磁场计算中的应用

李 宇1，2，赵文春1，刘胜道1，周国华1

(1.海军工程大学，湖北 武汉 430033;2.92351部队，海南 三亚 572016)

网络划分软件TrueGrid具有简化建模过程、提高计算效率等优点，广泛应用于船舶磁场计算中。文章分析了网络划分软件TrueGrid在磁场计算中需要关注的因素，通过计算实例，验证了网格划分软件的高效性和实用性。

磁性物体；磁场计算；网格划分

船舶受地球磁场影响，周围将会不可避免的形成船体磁场，由于该磁场的存在，极易被水中磁性探测设备发现和遭受水中兵器的攻击，给船舶的生存带来了一定的威胁，因此要对船舶进行磁性防护。在实际中，磁防护技术采取的方式通常用消除或补偿来实现，目的是使船舶整体磁场强度保持在某一安全值之下，而需要的方式、顺序、程度都必须建立在对船舶磁场大小识别的基础之上[1]。船舶因受其体积庞大、系统复杂、设备非常多等因素影响而使得在磁场计算时异常复杂和困难，需要消耗大量的人力物力和时间。

船舶设计或消磁技术人员在磁场计算时通常采用的算法有磁体模拟法、有限元法、边界元法和积分方程法等，积分方程法比其他算法有着诸多的优势，在磁防护专业领域普遍应用，但计算的前提需对磁性区域进行耗时的建模和网格划分[2]。根据调查，网格的划分通常需要占用整个项目完成时间和费用的80%，因为该过程必须兼顾诸多因素，如复杂船壳型线的构造、船舶内部多个结构模块的建立、剖分单元疏密的调整和重新划分等。这些工作都给船舶实体网格划分带来了较大障碍，因此寻求一套优秀、简单易用、功能强大的网格生成前处理工具十分必要。网格划分软件TrueGrid所提供的各种功能，可以近乎完美地完成上述复杂的工作。

1 网络划分软件TrueGrid的作用及组成

网格划分软件TrueGrid在磁场计算中可以完成型线构造任务，简化建模过程，完成复杂几何体的网格生成和疏密调整，从而大大提高计算效率。该软件具有工业界最先进的映射网格划分、简单的交互式批处理、支持高结构化的多块体网格划分、基于投影几何学的投影方法，具有应用广泛、计算可靠度高、运算速度快等高质量的网格划分功能和特点，是一款优秀而功能强大的通用网格生成前处理软件，其可接受任何分析任务和强大的诊断功能等优点，可以在船舶磁场计算中很好的应用。

网络划分软件TrueGrid可以将复杂几何结构细化为一个个小方格，然后划分成六面体块体单元或四边形壳体单元，划分的结果就是网格或栅格，其由3部分组成：第一部分是几何建模，主要是分析体的几何结构的定义部分；第二部分是网络划分，主要是分析体的网格划分部分；第三部分是网格输出，主要是网格输出为各种分析工具所支持的网格类型。其可以方便快速地生成优化的、高质量的和多块结构的网格模型，如六面体网格模型、四面体网格模型、壳体网格模型等。它所提供的参数化建模功能和批处理功能，使得用户稍作修改所定义的一些几何参数即可建立不同型号的船舶实体网格离散模型，而无需重复繁琐而枯燥的建模工作，且非常容易与工程人员的系统进行整合，该软件能帮助消磁设计和防护人员进行船舶磁场计算。

2 网络划分软件TrueGrid在计算磁场时需要关注的因素

2.1 船体复杂型线的构造

船体型线能精确地表示船体形状，它由纵剖线、横剖线、半宽水线组成，是船舶设计、计算和建造放样的重要依据。将垂线间长分为10或者20个等份，得到11或21个平行于中站面的横剖面，横剖面与船体型表面的交线称之为横剖线。同样，将船宽分为若干等份，过各等份点作平行于中性面的纵剖面，纵剖面与船体型表面的交线称之为纵剖线。将船舶设计吃水分成若干等份，过各等分点作平行于基平面的水线面，水线面与船体型表面的交线称之为水线。为了完整地表示船体这个复杂的空间曲面，可以用以上3个互相垂直的平面与船体相交，将交线投影到3个互相垂直的视图上，就构成了船体型线图。型线图上究竟要多少根纵剖线、水线和横剖线才能表达清楚，这取决于船体表面复杂程度。一般而言，构造复杂的型线需大量的船舶型线测量数据。TrueGrid软件中提供了空间曲线的构建方式，通过选择合适的曲线建立方法，可以完成曲线的构造。对于船舶复杂的型线而言，TrueGrid软件在构建船舶型线时可大大减少型线测量数据，帮助人员完成型线构造任务。

2.2 船舶内部复杂的结构

船舶是一个由众多板、梁、柱等构件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，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大大增加了建模的难度，使建模过程变得异常复杂。若要一次完成整个船舶内部结构的建模是不可能的，通常需要分为若干个块网格来完成。

软件提供了网格模型合并功能，可以在建立内部分块结构的块网格模型基础上，通过网格合并和捏合来形成整个网格模型。可以很方便地处理上百个复杂修整曲面的模型，而每一个曲面内又可能含有几十种甚至上百种复杂的修整曲线。在各行、列和层上，每一个块都可以由三维六面体、二维四边形、以及一维线性或二次方程式单元组成，处理过程中不需要对表面进行编辑，甚至可以很方便地处理“多修整”表面模型，支持高结构化的多块体网格划分功能，能产生高质量的网格划分。利用相关功能，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。 组的应用除了可以方便几何对象或单元对象的选取外，还可以通过软件工具建立平行体中的一个舱段，然后使用命令，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，通过选项，就可以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，再使用工具选项，将其旋转到正确的位置。

2.3 网格单元生成

划分网格是前处理过程中最困难的部分，网格单元划分质量的优劣不仅决定了求解是否准确，还决定了求解规模。

1)网格数量。网格数量的多少将影响磁场计算结果的精度和时间消耗，数量增加，计算精度必然能有所提高，但会使计算用时周期大大的增加。网格数量太少时，网格的质量将无法保证，计算结果就会发生偏差。但是，数量增加到一定程度后，精度会趋于收敛，而计算规模则会越来越大。应用中可以通过增加网格数量的方式，来提高网格品质，同时还可以通过删除模型中一些无关紧要的细节，来减少这些细节对网格品质的影响。所以划分网格时，并不是数量越多越好，我们要注意网格的经济性，兼顾精度和时间消耗这两个因素。

2)网格疏密。在结构不同部位采用大小不同的网格，是为适应计算数据的分布特点。通常在数据变化梯度变化明显的部位，需要采用比较密集的网络，才能较好的反映出该部分的数据变化规律。网格划分的足够精细才能得到精确的结果,但是工作量非常大,对计算机的要求高，而且当细到一定程度以后,精度已经能达到要求,对结果的影响将很小而没必要。

3)网格分界面和分界点。由于船体表面有很多小面，应该先采用软件中的工具把船体中变化较小的部分曲面合成为较大的面，这样可以节约划分网格的难度，但在船尾和船首曲面曲率变化较大的部位应该保持原有小面，然后在船表面先画面网格，经过多次验证方能找出一个较为合适的网格尺度，在面网格的基础上就通过调整边界层以及自适应网格技术画出体网格。软件的映射网格划分功能，使得技术人员可以方便地将简单规则的网格单元映射成所需的复杂网格单元，从而使用户能够简单地完成复杂几何体的网格生成工作，免去了用户指定结构体积详细信息的需要。

2.4 网格单元数据的导出

为使用户能够方便地使用网络划分软件TrueGrid所建立的网格离散模型数据，软件提供十余种网格数据输出格式，如Ansys、Dyna3d、Cfd-ace、Fluent、Nastran等，用户按照所选择的数据输出格式即可实现与用户源程序的整合，从而构成一个完整的集成环境。命令流文件可以保存为TXT文件，用户可以提前输入命令流或者对命令流进行检查、修改，方便快捷。为使网格数据输出格式与磁场计算程序模块较好结合，文中选择Ansys网格输出数据格式。根据上述基本工作，图1给出了基于网络划分软件TrueGrid建立船舶网格离散模型的主要流程。

图1 基于网格划分软件TrueGrid建立船舶网格离散模型的主要流程

3 磁场计算实例

下面以某主机磁场计算进行示例，用计算值与测量值进行比较，来判断计算方法的适用性及计算结果的准确性。采用网络划分软件TrueGrid对主机模型进行剖分，根据主机的三视图对主机进行简化(如图2所示)。在此需要指出，如果对主机进行详细的网格建模，将耗费大量的人力物力，考虑到该课题中对磁防护技术评估的测试点位于标准深度平面，距离船体及船载设备较远，对主机进行粗略建模即可满足工程需求[3]。根据主机总体形状和各部位结构，通过切换和运用计算窗口、物理窗口、环境窗口，分别显示块网格的逻辑结构、真实网格和几何模型、类型和一些鼠标控制操作，使用初始网格，定位，投影，删除，改进，光滑处理块网格等工具命令，利用鼠标各键实现图形旋转、移动、缩放、窗口式放大，将各块网格通过粘合，合并节点等方式装配成一个简化模型的过程，可建立某型主机的简化网格模型(图3)。模型中剖分的节点数为5 635个，单元数为1 945个，设定相对磁导率为260，纵向感应磁场垂直分量Zix、垂向感应磁场垂直分量Ziz的计算结果用点划曲线表示，测量值用黑色曲线表示，比较结果见图4、图5所示。

图2 某主机主体结构

图3 主机简化模型

图4 主龙骨下Zix计算值和测量值比较图

从图4、图5中可以看出，运用网络划分软件TrueGrid剖分后的某大型铁磁设备感应磁场计算值与现场实际测量值的吻合度非常高，说明基于网络划分软件TrueGrid的积分方程法，计算模型非常适宜的用于计算艇上设备产生的感应磁场，也确实在实际计算和现场试验中已被反复证实。通过定义相对均方根误差为：

(1)

式中：Hmeas为实测磁场值；Hcalc为计算磁场值；n为测量点数。

图5 主龙骨下Ziz计算值和测量值比较图

用式(1)计算得到，某主机龙骨下纵向感应磁场垂直分量Zix、垂向感应磁场垂直分量Ziz之间的相对均方根误差为4.58%，能够满足实际要求。

网络划分软件TrueGrid的应用，直接明显降低了时间、经费等成本。以往通常需要花费数月时间的项目现在只需几天就可以完成，让人员从复杂繁重的建模工作中解脱出来，在保证高质量的同时，大大降低了计算难度并节约了时间。

[1] 张国友．舰船消磁系统原理与设备[M]．武汉：海军工程大学，2004．

[2]肖昌汉．铁磁学[M]．武汉：海军工程大学，2005．

[3]祝小雨，刘胜道，周国华．一种磁性物体周边磁场的估算方法[J].舰船电子工程,2015(4)：162-164.

True Grid meshing software is widely used in ship magnetic field calculation because of its simplified modelbuilding and high efficeienc of calculation.In this paper,some key factors are analyzed for calculating the magnetic field with True Grid meshing.Meshing software proves high effective and practical through calculating example.

magnetic object; magnetic field calculation; meshing

李宇(1973-)，男，陕西蒲城人，高级工程师，大学本科，主要从事舰船保障工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.011

2016-07-26