彭亞康，高明星，陳熠畫，徐思豪，吳兆年

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

在船舶制造業(yè)，國內(nèi)外的設(shè)計(jì)方和制造方還未構(gòu)建出實(shí)用化的三維設(shè)計(jì)體系，二維設(shè)計(jì)依然是船舶領(lǐng)域主要的設(shè)計(jì)手段。船舶是一個復(fù)雜的大型系統(tǒng)工程，船舶的線型復(fù)雜、構(gòu)件繁多、結(jié)構(gòu)尺寸各式各樣，以船舶結(jié)構(gòu)為例，船舶結(jié)構(gòu)擁有復(fù)雜多樣的各種形式的肘板、開孔、貫穿孔等信息，這些信息使得建模工作量相當(dāng)大，而且船舶具有設(shè)計(jì)周期短、定制化程度高等特點(diǎn)，船舶三維設(shè)計(jì)成本居高不下，三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用受限。不管是從外部市場需求以及內(nèi)部設(shè)計(jì)優(yōu)化和提升的需求來看，三維設(shè)計(jì)是造船行業(yè)未來的發(fā)展方向，三維設(shè)計(jì)可以使目標(biāo)立體直觀化[1]的特點(diǎn)有利于船東和市場了解設(shè)計(jì)者方案，有利于設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化與提升。CATIA在三維設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢，但考慮到船舶行業(yè)本身的特點(diǎn)，要想實(shí)現(xiàn)基于CATIA進(jìn)行船舶三維輔助設(shè)計(jì)需要方法論研究以及二次開發(fā)的補(bǔ)充[2-3]。根據(jù)中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院對CATIA三維輔助二維設(shè)計(jì)方法的研究與應(yīng)用情況，提出基于CATIA的三維輔助設(shè)計(jì)思路，探討CATIA在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 基本思路

1.1 CATIA三維輔助設(shè)計(jì)基本內(nèi)容

船舶三維輔助設(shè)計(jì)思路見圖1。

圖1 基于CATIA的輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

在船舶設(shè)計(jì)伊始，先由總體專業(yè)確定船舶的三維骨架模型，使模型體現(xiàn)船東的需求、設(shè)計(jì)方案、艙室劃分、大型設(shè)備布置等信息，為技術(shù)設(shè)計(jì)做好鋪墊與接口，最重要的是確立一個協(xié)同依據(jù)。設(shè)計(jì)方可以依據(jù)骨架模型與船東進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的協(xié)商，從某種意義上來說，骨架模型就等效于合同設(shè)計(jì)階段的方案總圖與設(shè)計(jì)規(guī)格書。

確定骨架模型之后，各專業(yè)進(jìn)入初步布置階段，總體專業(yè)進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分、防火區(qū)域劃分；通風(fēng)冷藏專業(yè)布置主要通風(fēng)管道；舾裝與輪機(jī)專業(yè)進(jìn)行核心工作設(shè)備布置；在該階段，結(jié)構(gòu)專業(yè)可以展開基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，布置主要桁材，大開孔，骨材形式，包括確定中橫剖面，還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)重量估算、水動力網(wǎng)格劃分、輸出二維草圖；各專業(yè)對關(guān)鍵區(qū)域的構(gòu)件進(jìn)行協(xié)調(diào)與確認(rèn)，避免設(shè)備、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，避免后期較大的改動。

經(jīng)各專業(yè)的協(xié)調(diào)確定布置模型之后便可啟動二維詳細(xì)設(shè)計(jì)，此時，各專業(yè)相對獨(dú)立地在本領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。各專業(yè)之間經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化迭代，最終確定目標(biāo)船的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案[4]。在整個設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有任務(wù)量大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、耗時耗力等特點(diǎn)，各專業(yè)都需要在船體結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率對整個船舶設(shè)計(jì)有著重要意義。

1.2 輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

三維模型是一個信息高度復(fù)合的對象，盡管包含了豐富的設(shè)計(jì)信息卻并不具備工程意義上的直觀性，在利用CATIA進(jìn)行船舶三維建模時，首先需要對設(shè)計(jì)信息進(jìn)行分層梳理，具體流程如下。

1)由總體專業(yè)構(gòu)建骨架模型。骨架模型是一個幾何模型，可以作為結(jié)構(gòu)專業(yè)的定位信息。

2)各專業(yè)根據(jù)骨架模型構(gòu)建各專業(yè)的全船基本布置模型?；静贾媚Ｐ屠每臻g點(diǎn)、線信息作為一個抽象的布置示意，起到定位形狀信息的作用。例如結(jié)構(gòu)專業(yè)以大梁、縱向連續(xù)的骨材跡線、板縫布置等信息繪制基本結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)專業(yè)在此階段建立重量預(yù)估模型、水動力網(wǎng)格模型以及強(qiáng)框間距的振動有限元計(jì)算模型。

3)結(jié)構(gòu)專業(yè)依據(jù)一定規(guī)則對全船進(jìn)行區(qū)域劃分，并在基本布置模型的基礎(chǔ)上建立詳細(xì)的艙段模型，此模型可用來劃分骨材間距的有限元模型。在此階段可通過CATIA的出圖功能輔助結(jié)構(gòu)專業(yè)的二維設(shè)計(jì)。

4)結(jié)構(gòu)專業(yè)將其他專業(yè)需要的背景用統(tǒng)一屬性的線框模型在模型中予以表現(xiàn)，其他專業(yè)即可將這些線框直接引用至各自模型中進(jìn)行協(xié)調(diào)性的修改，形成協(xié)同修改的能力。

以上建模流程與設(shè)計(jì)思路相統(tǒng)一，滿足并行協(xié)同的要求?？梢钥闯銮皟刹绞乔捌谌S設(shè)計(jì)，第三步是建模過程，結(jié)構(gòu)專業(yè)在基本布置模型的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行重量預(yù)估、水動力網(wǎng)格劃分、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分、輔助二維出圖等輔助設(shè)計(jì)工作。

2 前期重量預(yù)估

船體的重量重心是船舶設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，船舶前期設(shè)計(jì)階段就需要較為準(zhǔn)確的預(yù)估船體重量，船體重量預(yù)估的準(zhǔn)確程度直接影響到船舶設(shè)計(jì)的質(zhì)量。通常以列表格清單的形式來初步預(yù)估船體每一結(jié)構(gòu)件的重量，最后匯總得到船舶的重量與重心位置。這種表格清單預(yù)估船舶重量重心的方法雖然能夠初步預(yù)估船舶重量重心位置，但構(gòu)件不直觀，校對審核困難。

本文基于CATIA在船舶設(shè)計(jì)前期階段的骨架模型和初步布置模型基礎(chǔ)上快速建立起重量重心預(yù)估三維模型，根據(jù)此模型分析船舶的重量重心位置、板材清單、骨材清單等信息。

2.1 建模要點(diǎn)

在前期設(shè)計(jì)階段對船體重量進(jìn)行預(yù)估時要求過程快速且結(jié)果準(zhǔn)確，這樣就必須對三維建模過程進(jìn)行一些必要的簡化，且簡化過程不能影響最終結(jié)果。

重量重心預(yù)估模型只需在骨架模型和全船初步布置模型的基礎(chǔ)上對各板材、筋、大開孔進(jìn)行賦屬性即可。為了提高效率，建模時忽略肘板和小型開孔，肘板和小型開孔可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)附加一個余量系數(shù)，所有的大梁都以筋的形式建模。需要注意的是在對重量重心進(jìn)行預(yù)估之前應(yīng)該對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)以避免重量高估。

2.2 某型船重量預(yù)估實(shí)例分析

某型船重量重心預(yù)估模型見圖2，剖視圖見圖3。

圖2 重量重心預(yù)估模型

圖3 重量重心預(yù)估模型剖視圖

針對重量重心預(yù)估模型，可以根據(jù)需要對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重量、重心位置的預(yù)估，CATIA可以報(bào)表的形式輸出結(jié)構(gòu)重量重心，其中全船重量、重心位置見表1。

表1詳細(xì)給出了結(jié)構(gòu)重量、重心位置以及各板厚、材料的詳細(xì)清單等信息，此類清單信息便于設(shè)計(jì)者與各方進(jìn)行交流。

在前期設(shè)計(jì)階段，采用CATIA建立重量重心模型預(yù)估船體結(jié)構(gòu)重量重心存優(yōu)勢如下：①準(zhǔn)確度高且能直觀地核查結(jié)果；②報(bào)表信息齊全，有利于競爭市場；③相比傳統(tǒng)的列表格預(yù)估重量的方法，在骨架模型和初步布置模型的基礎(chǔ)上建立三維模型的效率較高。

3 輔助二維設(shè)計(jì)

船體結(jié)構(gòu)專業(yè)常常需要繪制外板展開圖并與肋骨型線配合來確定外板接縫和外板縱骨位置[5]，CATIA在骨架模型和基本結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上能夠高效繪制外板展開圖。以某型船為例，利用CATIA繪制外板展開圖(見圖4a))，CATIA生成的外板展開圖包含線型信息、板縫信息、構(gòu)件尺寸等信息，經(jīng)在CAD中對格式再做一輪調(diào)整即可作為正式送審圖。

船體結(jié)構(gòu)專業(yè)在繪制詳細(xì)圖紙時，往往是在船體外板二維剖面的基礎(chǔ)上進(jìn)行作業(yè)，借助CATIA能夠相當(dāng)高效地繪制船體外板的二維剖面圖，只需設(shè)置剖切面的位置并進(jìn)行投影即可。圖4b)即為船殼的剖面圖，此圖完全滿足設(shè)計(jì)的要求。在詳細(xì)設(shè)計(jì)之前，船體結(jié)構(gòu)專業(yè)往往需要搭建眾多主要結(jié)構(gòu)的框架，比如在繪制橫剖面詳細(xì)圖紙時就需要事先繪制好外板、平臺、縱向艙壁等等的剖切圖，這項(xiàng)工作需要耗費(fèi)設(shè)計(jì)者很多的精力與時間，而在三維骨架模型和基本結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，借助CATIA能夠很輕松輸出二維框架圖紙作為詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。以一型船為例，利用CATIA輸出橫向二維框架圖紙(見圖4c))，此圖滿足設(shè)計(jì)要求并且出圖效率十分高效。

圖4 輔助船體詳細(xì)設(shè)計(jì)案例

CATIA三維輔助二維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在出圖方面，三維模型還能增加設(shè)計(jì)人員的空間概念。一般來說，有著豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員具有空間的概念，即便面對二維圖紙也能在大腦中形成三維場景。而尚缺經(jīng)驗(yàn)的年輕設(shè)計(jì)人員常常沒有實(shí)船的空間概念，這樣很容易導(dǎo)致考慮不全面，出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理的情況。三維模型可以幫助設(shè)計(jì)人員建立很好的空間概念，使設(shè)計(jì)人員可根據(jù)三維模型了解設(shè)計(jì)所需的環(huán)境條件。

4 水動力網(wǎng)格

對于某些條件不滿足規(guī)范或者規(guī)范強(qiáng)制要求預(yù)報(bào)波浪載荷的船型，需要劃分船體的水動力外殼。在計(jì)算波浪載荷時，水動力網(wǎng)格?？捎眯椭递斎牖蛘哂邢拊Ｐ蛯?dǎo)入兩種途徑獲得，型值輸入生成的網(wǎng)格很難模擬附體以及線型變化很大的船體部分且無法控制水線附近的網(wǎng)格，采用有限元軟件例如PATRAN、GeniE等建立有限元模型時面臨著船體外殼離散帶來的建模困難和網(wǎng)格不好控制的難題。采用CATIA劃分水動力網(wǎng)格的方法能夠解決上述問題且效率十分高效。

針對某型船，采用CATIA建立三維水動力船體外殼模型見圖5。在進(jìn)行水動力網(wǎng)格三維建模時，在骨架模型的基礎(chǔ)上對船體外殼離散的面片進(jìn)行合并操作，再利用CATIA的坐標(biāo)系求交生成硬線，硬線主要目的是控制水動力網(wǎng)格，除此之外在水線處建立硬線來控制水線處的網(wǎng)格質(zhì)量，最終進(jìn)行網(wǎng)格劃分即可得到圖6所示的水動力計(jì)算網(wǎng)格。

圖5 外殼三維模型

圖6 水動力網(wǎng)格

圖6中外殼內(nèi)的線條為人為設(shè)置的網(wǎng)格控制硬線，可通過在各水線處設(shè)置硬線控制水線處的網(wǎng)格質(zhì)量，有利于水線處的積分計(jì)算。此方法存在的優(yōu)勢為：①效率高，約30 min即可得到一個完美的水動力網(wǎng)格；②水動力網(wǎng)格質(zhì)量好且精確，能夠精確且高效地劃分附體、球鼻首以及尾部等線型變化很大的區(qū)域。

5 有限元建模

自從HCSR生效之后，油船、散貨船每一個貨艙段都需要進(jìn)行有限元艙段計(jì)算分析[6]，超過280 m的大型集裝箱船需要進(jìn)行全船有限元分析[7]。提高有限元建模效率就能極大地縮短結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期，節(jié)省大量的人力。經(jīng)過十幾艘船的有限元建模實(shí)踐，提出采用CATIA劃分有限元的方法能極大地提高有限元建模效率，相比通用的有限元建模軟件，在越是復(fù)雜、線型變化越大的區(qū)域，CATIA的效率越高效，甚至可以成倍提高建模效率。

除了提高效率之外，CATIA內(nèi)部嚴(yán)格的拓?fù)?、邏輯關(guān)系十分有利于模型的修改。在船體設(shè)計(jì)階段有時候會面臨結(jié)構(gòu)形式改變而被迫修改有限元模型的情況，比如艙室劃分變化、平臺提升、線型改變等情形，這些改變一旦出現(xiàn)，在PATRAN、FEMAP等有限元軟件內(nèi)修改模型將十分麻煩，而CATIA可在很短時間內(nèi)解決問題。

5.1 建模要點(diǎn)

基于CATIA有限元建模的方法要點(diǎn)主要是簡化模型、局部去協(xié)同化、網(wǎng)格優(yōu)化以及輸出修繕。

目前CATIA還無法針對有限元網(wǎng)格模型的需求進(jìn)行自適應(yīng)簡化，雖然生成有限元的幾何模型與實(shí)際幾何模型在力學(xué)性能上相同，但在局部的細(xì)節(jié)上依然存在很大的差異。需要結(jié)合簡化原則進(jìn)行針對性的建模。

局部去協(xié)同化主要指船殼的去協(xié)同化。在前期設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，船殼線型經(jīng)常會進(jìn)行局部更新。在CATIA三維模型中，船殼作為所有構(gòu)件的最底層的外部邊界，船殼更新將會帶來全船結(jié)構(gòu)的更新。而每一次更新都有可能導(dǎo)致局部的結(jié)構(gòu)對象錯誤，這將需要會花費(fèi)大量的時間去修復(fù)全船結(jié)構(gòu)。在更新前應(yīng)當(dāng)確認(rèn)船殼更新是否會顯著影響結(jié)構(gòu)計(jì)算，再判斷是否進(jìn)行曲面更新?？傊谟邢拊＿^程中應(yīng)盡可能規(guī)避協(xié)同導(dǎo)致的冗余迭代。

網(wǎng)格優(yōu)化是指在結(jié)構(gòu)建模過程中人為的設(shè)置硬線硬點(diǎn)來控制網(wǎng)格的質(zhì)量，以便生成更符合計(jì)算需求的網(wǎng)格劃分區(qū)域。人為設(shè)置硬點(diǎn)硬線的方法有很多，例如可以在三維模型中增設(shè)特殊屬性的假想板和假想筋，且這些單元可根據(jù)其特殊屬性進(jìn)行分組刪除。

目前CATIA輸出骨材間距的有限元網(wǎng)格很難一次性能達(dá)到有限元直接計(jì)算的要求，這其中既存在人為的因素也存在軟件自身的因素。在實(shí)用過程中，CATIA保證了大部分的網(wǎng)格主體能夠被快速劃分，并輸出網(wǎng)格文件。輸出修繕指的是結(jié)合專業(yè)有限元軟件局部修繕模型，例如影響網(wǎng)格質(zhì)量的小開孔、局部板縫線等局部信息可不在CATIA中進(jìn)行建模，這些局部細(xì)節(jié)可在PATRAN、FEMAP、GeniE等專業(yè)有限元軟件中進(jìn)行修繕。CATIA在主構(gòu)件高效與協(xié)同建模方面可與專業(yè)有限元軟件在局部細(xì)節(jié)處網(wǎng)格處理優(yōu)勢互補(bǔ)。

5.2 案例分析

CATIA僅提供了建模平臺，但建模的方法各式各樣。相比于PATARAN、FEMAP、GeniE等常用有限元前處理軟件，在正確使用CATIA的情況下，對于越是復(fù)雜、線型變化越劇烈的區(qū)域，CATIA的建模效率越是高效，建模案例見圖7。對于含有線型變化的艙段來說，在同等網(wǎng)格質(zhì)量的情形下，采用CATIA的有限元網(wǎng)格劃分方式所花費(fèi)的時間成本只有采用PATRAN劃分有限元網(wǎng)格方法的60%左右，可有效地提高建模效率。

圖7 有限元建模案例

6 結(jié)論

1)提出基于CATIA三維輔助二維設(shè)計(jì)流程思路與流程，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，提高船舶設(shè)計(jì)效率。

2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初級階段，基于骨架模型和初始布置模型搭建的三維結(jié)構(gòu)模型，能夠迅速且準(zhǔn)確地預(yù)估出船舶重量和重心位置，便于指導(dǎo)船舶重量控制；基于此模型可以快速導(dǎo)出復(fù)雜的二維圖，如外板展開圖、橫向框架圖等，可以更好地輔助二維詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3)基于CATIA人為設(shè)置硬線控制外殼網(wǎng)格的策略，能夠保證外殼離散網(wǎng)格的質(zhì)量，可有效解決其他軟件外殼建模困難及網(wǎng)格不易控制的難題。

4)歸納了CATIA高效結(jié)構(gòu)建模的要點(diǎn)。實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)模型越復(fù)雜，CATIA建模效率越高。