張宗科

(七〇八研究所 上海 200011)

基于二次開發(fā)的CATIA三維建模在全墊升氣墊船設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

張宗科

(七〇八研究所 上海 200011)

全墊升氣墊船;三維建模;CATIA;二次開發(fā)

全墊升氣墊船的船體外形結(jié)構(gòu)不再著重考慮水動(dòng)力性能,而是采用浮箱結(jié)構(gòu),其折角面、斷階面與倒圓較多,另有墊升風(fēng)機(jī)在浮箱上的出風(fēng)開口等,空間形狀復(fù)雜。此外還有風(fēng)機(jī)、導(dǎo)管槳、空氣舵、圍裙等特種設(shè)備,適于用參數(shù)化軟件CATIA作二次開發(fā)來進(jìn)行三維建模。在CATIA中作了一些二次開發(fā)以方便建模,詳細(xì)介紹了一條全墊升氣墊船的三維建模過程,并就CATIA曲面展開功能在柔性圍裙設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

0 引 言

全墊升氣墊船不同于常規(guī)排水型船,墊態(tài)航行時(shí)依靠圍裙墊升系統(tǒng)懸浮在運(yùn)行表面上。因此船體外形結(jié)構(gòu)對(duì)線型光順性要求不再那么重要,而是采用浮箱結(jié)構(gòu),主要考慮圍裙安裝以及艙室布置等的要求,折角線、斷階線與導(dǎo)圓線較多,形狀也更為復(fù)雜。全墊升氣墊船主要有浮箱平臺(tái)、客艙、機(jī)艙、墊升風(fēng)機(jī)、圍裙、導(dǎo)管槳、空氣舵等組成,見圖1[1,2]。

CATIA是法國(guó)Dassault Systemes公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化三維軟件,模塊眾多,功能強(qiáng)大,且內(nèi)嵌了VBA、CAA等二次開發(fā)工具,便于用戶量身進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)[3,4]。本文針對(duì)全墊升氣墊船的特點(diǎn),在CATIA中作了一些二次開發(fā)以方便建模。下面將對(duì)應(yīng)全墊升氣墊船以上組成部分在CATIA中的三維建模過程進(jìn)行說明。

1 浮箱平臺(tái)

圖1 俄羅斯Project 20910 Chilim與芬蘭T-2000Caombat ACV

浮箱平臺(tái)(氣道甲板)為全墊升氣墊船結(jié)構(gòu)的承載基礎(chǔ),在其上安置其余部分,并提供排水狀態(tài)時(shí)所需的浮力,見圖2。浮箱平臺(tái)首部一般采用半圓頭,以便安裝圍裙并減少墊態(tài)航行時(shí),首部圍裙的迎風(fēng)阻力系數(shù)及越峰阻力等。軍用氣墊船因首部裝有搭載坦克等上下的跳板而采用圓角矩形的形狀。浮箱平臺(tái)尾部采用兩端為過渡圓角的平直形狀,便于圍裙布置,可減少越出阻力峰的時(shí)間。浮箱平臺(tái)的設(shè)計(jì)必須考慮墊升氣流的氣道空間與圍裙的安裝形式。該部分形狀較為規(guī)整簡(jiǎn)單,由LISP程序從AutoCAD二維圖獲得各組成線段的坐標(biāo)形成數(shù)據(jù)文件,在CATIA中形成三維模型。

不同于常規(guī)排水型船,全墊升氣墊船墊態(tài)航行時(shí),運(yùn)行于水氣界面。如同飛機(jī)一樣,全墊升氣墊船對(duì)結(jié)構(gòu)重量的要求極為嚴(yán)格,船體材料采用密度小的鋁合金,并為鉚接結(jié)構(gòu)形式。焊接式船體結(jié)構(gòu)各組成部件之間可以“無(wú)縫”拼接,而鉚接式則需要連接肘板、角材、球扁型材等來搭接,見圖3。

圖4為浮箱平臺(tái)結(jié)構(gòu)的一部分,外板除外,還有肋板、扶強(qiáng)筋、縱骨、外板與肋板之間的連接骨材。其中縱骨為球扁型材,扶強(qiáng)筋為角材,可以利用CATIA中的Formu la、Desing Table和Catalog功能建立三維組件庫(kù)加以調(diào)用。相應(yīng)步驟為,實(shí)體建模、提取創(chuàng)建參數(shù)變量實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)控制實(shí)體模型、形成設(shè)計(jì)參數(shù)表、創(chuàng)建Catalog文件實(shí)現(xiàn)預(yù)覽與調(diào)用[5,6]。

圖2 全墊升氣墊船組成部分

圖3 全墊升氣墊船典型鉚接鋁合金結(jié)構(gòu)

圖4 球扁型材參數(shù)化實(shí)體建模與浮箱平臺(tái)結(jié)構(gòu)的一部分

2 艙室與墊升風(fēng)機(jī)風(fēng)道

客艙居于浮箱平臺(tái)上面的中前部,形狀也較規(guī)整?？团摰牧汗翱捎蠸pline曲線來擬合,客艙上開窗較多,通過在客艙壁上繪制開窗的邊線,由剪切功能(保留兩側(cè))來實(shí)現(xiàn)。艙門可用厚曲面功能來模擬。將客艙作成幾何體模型,由幾何體模型強(qiáng)大的導(dǎo)圓角功能來實(shí)現(xiàn)光滑過渡,特別是客艙前端頂部為三個(gè)導(dǎo)圓角的交匯處,可方便獲得其精確形狀。利用Drafting功能獲取投影后的二維圖,方便船廠施工放樣。

機(jī)艙包括主機(jī)艙與風(fēng)機(jī)艙。主機(jī)艙一般位于浮箱平臺(tái)上客艙的后部,形狀比較簡(jiǎn)單,但艙壁前端開有進(jìn)風(fēng)網(wǎng)窗、艙壁后端開有出氣百葉窗等,可用CATIA中的Formula功能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化繪制。

按照船的用途及總布置要求,風(fēng)機(jī)艙可位于兩舷或與主機(jī)艙合在一起。對(duì)大型氣墊船而言,因總布置及圍裙氣墊供氣所需,風(fēng)機(jī)艙往往位于兩舷。對(duì)使用艏噴管的氣墊船,風(fēng)機(jī)艙必須位于兩舷。國(guó)內(nèi)墊升風(fēng)機(jī)使用最多的是4-72或4-73型離心式風(fēng)機(jī),均有標(biāo)準(zhǔn)的蝸殼線型可供參考,需要根據(jù)出風(fēng)口的布置要求,對(duì)線型略作調(diào)整即可。在AutoCAD中將風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)型線匯出,調(diào)整后將控制坐標(biāo)輸出至數(shù)據(jù)文件內(nèi),在CATIA中繪制蝸殼形狀。兩風(fēng)機(jī)之間需要保持一定的間隔,以保證進(jìn)風(fēng)面積的要求。

由于全墊升氣墊船自身的特性,墊態(tài)時(shí)縱穩(wěn)性較小,考慮到越峰能力及安全性要求,對(duì)重心位置控制較嚴(yán),有時(shí)需設(shè)置壓載水艙來調(diào)節(jié)縱向姿態(tài)。為達(dá)到最佳效果,壓載水艙通常位于船的最前端,其兩邊為帆纜艙。同時(shí)需要保證墊升氣流的流通空間,CATIA三維模型可較好的反映并優(yōu)化該處艙室的形狀布置。

3 艏噴管(艏推器)

全墊升氣墊船墊態(tài)航行時(shí),基本懸浮在運(yùn)行表面上,因此其摩擦力小抗側(cè)風(fēng)能力較差。此外低速航行時(shí)空氣舵來流小舵效差,操縱性也不理想,而艏部旋轉(zhuǎn)噴管(艏推器)可改善低速操縱性與提高抗側(cè)風(fēng)能力。英國(guó)的AP.1-88、美國(guó)的LCAC、芬蘭的T-2000Combat ACV均裝有艏噴管,其中LCAC的艏噴管由雙頭蝸殼風(fēng)機(jī)供氣,必要時(shí)可經(jīng)調(diào)整葉片格柵角度切斷供氣。美國(guó)CDIM-SDD(原Band,Lavis＆Associations)公司為芬蘭設(shè)計(jì)的T-2000 Combat ACV則采用了改進(jìn)的層疊式艏噴管[2,7],見圖5。七〇八研究所設(shè)計(jì)帶獨(dú)立風(fēng)機(jī)供氣的艏噴管的小艇試航進(jìn)一步證實(shí)了艏噴管的實(shí)際效果,利用艏噴管可在水上墊態(tài)原地回轉(zhuǎn),亦提高了抗側(cè)風(fēng)能力。

為艏噴管供氣的風(fēng)機(jī)出風(fēng)口為矩形,因此存在一個(gè)方轉(zhuǎn)圓的問題,利用CATIA的多截面放樣功能可方便實(shí)現(xiàn)方轉(zhuǎn)圓。有了艏噴管與風(fēng)機(jī)的三維模型,就可以進(jìn)一步用CFD計(jì)算分析,優(yōu)化形狀布局。

4 導(dǎo)管槳與空氣舵

全墊升氣墊船墊態(tài)航行時(shí),基本懸浮在運(yùn)行表面上,因此不能用常規(guī)的水螺旋槳推進(jìn),而是采用導(dǎo)管空氣螺旋槳,舵系也相應(yīng)的采用位于導(dǎo)管后端的空氣舵,見圖6。導(dǎo)管槳包含槳轂、槳葉與導(dǎo)管,其中槳轂可制成標(biāo)準(zhǔn)零部件;槳葉由CATIA中二次開發(fā)的專用程序繪制;由導(dǎo)管線型繪出剖面形狀,經(jīng)旋轉(zhuǎn)后形成導(dǎo)管模型?？諝舛嫱ǔ２捎肗ACA翼型,繪出剖面線型(Sp line)后,經(jīng)拉伸即成。

圖5 艏噴管在美國(guó)LCAC與芬蘭T-2000上的應(yīng)用

圖6 CATIA中導(dǎo)管槳三維模型與芬蘭T-2000實(shí)艇上的導(dǎo)管槳

5 圍裙系統(tǒng)

圍裙是全墊升氣墊船所特有的設(shè)備,它在船體下方圍成氣室,由墊升風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流在此形成氣墊,將整船托舉在運(yùn)行表面之上,使其具有水陸兩棲性能。圍裙設(shè)計(jì)好壞,對(duì)氣墊船總體性能至關(guān)重要,如快速性、穩(wěn)性、耐波性等。圍裙由柔性橡膠涂覆織物(圍裙布)制成,按構(gòu)造形式分為囊指型、囊筒型、雙囊指型、單囊套指型與雙囊套指型等。周邊圍裙一般為囊指型,分隔裙則為囊筒型。

英國(guó)是氣墊船研究的鼻祖,對(duì)圍裙研究也最為先進(jìn),原SRN4 MK.3上安裝的大型響應(yīng)圍裙具有良好的響應(yīng)能力,耐波性高達(dá)四級(jí)海況(2m波高、10m/s橫風(fēng)情況下可越峰航行)。目前美國(guó)CDIM-SDD公司為L(zhǎng)CAC設(shè)計(jì)柔性響應(yīng)圍裙已發(fā)展到第三代,使得整船阻力顯著下降,耐波性也有所提高,見圖7。

經(jīng)圍裙成型計(jì)算,確定沿船周向不同位置處的圍裙剖面形狀,利用生成的AutoCAD圖形文件,由二次開發(fā)程序轉(zhuǎn)化為CATIA中的圖形,經(jīng)多截面放樣,繪制出整套圍裙的形狀。利用CATIA中的展開功能,可得到艏艉轉(zhuǎn)角處圍裙的平面展開形狀,經(jīng)Generative Drafting功能得到二維展開圖,從而為圍裙放樣制造提供基礎(chǔ),見圖8。

6 全船建模時(shí)的一些注意事項(xiàng)

全船三維建模時(shí),需預(yù)先考慮好各不同功能模塊組成部分之間的分組,將其劃分為不同的幾何集、幾何體等,這樣便于用CATIA的特征樹來控制各部分的顯示/隱藏(類似于AutoCAD中的Layer概念)。此外盡可能利用對(duì)稱性,以減少建模工作量。對(duì)導(dǎo)管槳、風(fēng)機(jī)、艏噴管等相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備可采用先獨(dú)立建模再插入到全船模型中加以定位,如此改動(dòng)時(shí)僅需修改定位參數(shù)即可。對(duì)一些艙面屬具,如導(dǎo)纜嵌、系泊羊角、“十”字帶纜樁、欄桿基座、錨等規(guī)范產(chǎn)品,預(yù)先制作成標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù),再按需集成到全船模型中。

圖7 芬蘭T-2000上安裝的CDIM-SDD公司第二代響應(yīng)圍裙

圖8 圍裙CATIA三維模型與艏部大囊的局部展開圖

7 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)參數(shù)化軟件CATIA在一條全墊升氣墊船設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。通過二次開發(fā),在CATIA中可方便實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)、導(dǎo)管槳、艏噴管、圍裙等的三維建模。該三維模型在氣墊船設(shè)計(jì)工作中發(fā)揮了較大作用,利用其可對(duì)艙室形狀布置以及設(shè)備安放進(jìn)行優(yōu)化,且對(duì)總布置圖、外型圖、槳葉圖、圍裙布置圖等二維圖紙的設(shè)繪也提供了有價(jià)值的參考。

本文僅是CATIA在全墊升氣墊船設(shè)計(jì)中應(yīng)用的初步嘗試,還有多方面工作要做,如進(jìn)行結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)二維零部件出圖,材料明細(xì)表的統(tǒng)計(jì)生成等。導(dǎo)管槳、船體艙室結(jié)構(gòu)的三維模型為包含槳前艙室在內(nèi)的導(dǎo)管槳CFD計(jì)算分析提供了基礎(chǔ),可利用Modern CFD Tools來優(yōu)化導(dǎo)管槳布置及槳直徑、槳葉與槳后整流支架的布局,進(jìn)一步研究圍裙的三維放樣展開,實(shí)現(xiàn)精確制造來保證整個(gè)圍裙表面成形光順。

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Application of CATIA 3-D Modeling Based on Secondary Development in the Design of ACV

Zhang Zongke

ACV;3-D modeling;CATIA;secondary-development

The hull figure structure of ACV no longer puts emphasis on hydrodynamical performance,but on pontoon structures,which has more beveler,redan and fillets,and with air-cushion fan on the air ventilation hatch,having complicated space features.Moreover,there are also many special devices such as fan,ducted propeller,air rudder,skirt,which fits to the parametric software CATIA to make secondary development for 3-D modeling.This paper makes some secondary development by CATIA to simplify the modeling,introduces the 3-D modeling procedure for an ACV,and discusses the application of CATIA curved surface spread in flexible skirt design and manufacture.

U674.943

A

1001-9855(2010)05-0055-05

2010-02-08

張宗科(1973.11-),男,漢族,山東人,工程師,主要從事船舶設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)工作。