李軍，李櫻，羅白璐

（中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064）

0 引言

隨著船舶設(shè)計技術(shù)以及計算機輔助設(shè)計（CAD/CAM/CAE）軟件系統(tǒng)的深入應(yīng)用，船舶設(shè)計手段由二維設(shè)計轉(zhuǎn)為三維設(shè)計已是大勢所趨。目前，國內(nèi)許多研究所和造船廠已大量應(yīng)用具有國際先進水平的三維造船軟件，具有代表性的軟件有TRIBON、NAPA、CADDS5、FORAN等，經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累和二次開發(fā)，這些軟件的應(yīng)用效果已得到一定體現(xiàn)，并獲得了一定的效益[1][2]。

船體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計以其基礎(chǔ)性、廣泛性、精細性等特點成為船舶三維設(shè)計的重點，而對于較大型且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的船舶來說，對眾多結(jié)構(gòu)模型的管理也成為三維設(shè)計的難點。FORAN軟件是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的大型造船專業(yè)軟件之一，由船舶設(shè)計師開發(fā)，專供船舶設(shè)計師使用[3]，其中的結(jié)構(gòu)三維建模FHULL模塊，可以在一定程度上很好的實現(xiàn)對船舶結(jié)構(gòu)模型的精細管理。本文詳細介紹了FORAN軟件的FHULL模塊在管理船舶結(jié)構(gòu)三維模型上的方法和特點。

1 FORAN簡介

FORAN軟件是西班牙SENER公司為船舶設(shè)計與建造專門開發(fā)的一款三維設(shè)計軟件。該軟件已在全球30多個國家的150多個用戶中得到應(yīng)用，并開發(fā)了數(shù)以萬計的各類船舶和海洋平臺[4]。該軟件自2005年進入中國市場以來，以其強大的船舶三維設(shè)計功能，取得了良好的初步工程應(yīng)用成效[5]。

FORAN軟件結(jié)構(gòu)三維建模模塊為FHULL模塊，F(xiàn)HULL模塊下有兩個工作模式，分別為Internal structure平面工作模式和Shell and decks曲面工作模式。在Internal structure模式下，三維結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可對內(nèi)部甲板、平臺、艙壁等平面結(jié)構(gòu)進行三維建模；在Shell and decks模式下，三維結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可對船體外板、上甲板、內(nèi)底等曲面結(jié)構(gòu)進行三維建模[6]。

本文主要介紹FHULL模塊中兩個工作模式下對結(jié)構(gòu)模型的管理方法。

2 Internal structure模式

2.1 模型管理元素

平面模式下模型的管理需要有Block、Section、Structural element、Parts四個元素，其所代表的含義分別為：

1） Block。Block是船體構(gòu)件在軟件中存放的區(qū)域，所有船體構(gòu)件必須存放于某個Block中，零件編號也是在每個Block中順序編號。Block由結(jié)構(gòu)管理員在NORM模塊中定義。Block名稱可由數(shù)字和字母組成，字符串長度不超過4個。

2）Section。Section是在FHULL模塊平面模式中創(chuàng)建的平面，一般包括內(nèi)部甲板、平臺、艙壁等。在船體結(jié)構(gòu)平面模式下，通過創(chuàng)建Section進行船體結(jié)構(gòu)三維建模。

3）Structural element。Structural element是在FHULL模塊平面模式中創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)單元，每個結(jié)構(gòu)單元必須附屬于某個Section，而一個Section上可創(chuàng)建多個結(jié)構(gòu)單元。在結(jié)構(gòu)單元中定義構(gòu)件的各個默認屬性，如構(gòu)件規(guī)格、理論線位置、存放Block、是否具有水密特性等，并可按照定義好的屬性創(chuàng)建結(jié)構(gòu)件。

4）Parts。FHULL中所有的結(jié)構(gòu)件（板、筋）被稱為Parts，包括Plate/Internal Plate、Longitudinal/Beam/Frame/Profile。其中，Internal Plate是平面模式中創(chuàng)建的板結(jié)構(gòu)類型的統(tǒng)稱，包含Internal Plate（平面板）、Bracket plate（肘板）、Standard plate（標準板）、Collar plate（補板）等。Profile是平面模式中創(chuàng)建的各種筋的統(tǒng)稱，包括Straight profile（通過直線方式創(chuàng)建的筋）、Grid profile（通過網(wǎng)格創(chuàng)建的筋）、Face bar profile（面板）等。

所有的結(jié)構(gòu)件都必須存放于某個Block。結(jié)構(gòu)件隸屬于Structural element，而Structural element隸屬于Section。

以上四個元素的建模流程及隨著設(shè)計深入各元素的處理方法如圖1所示。

圖1 各元素處理方法

2.2 模型管理方法

2.2.1 Block的管理方法

由于FORAN利用Block來存放結(jié)構(gòu)模型，因此在方案設(shè)計階段的三維建模之前必須按照一定的規(guī)則和約定來創(chuàng)建Block。并且，隨著設(shè)計階段的深入和結(jié)構(gòu)模型的不斷細化，Block也應(yīng)逐步細化。若一條船劃分為N個總段，則在方案設(shè)計階段可按照總段和結(jié)構(gòu)類型來劃分Block（表1）。

表1中，XX表示01～N，不同的結(jié)構(gòu)件被存放在不同的Block中。根據(jù)總段及結(jié)構(gòu)類型可找到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，例如03總段4甲板存放的Block為03D，讀入03D里所有的結(jié)構(gòu)件即可看到03總段4甲板的三維模型。因此，通過不同的Block可在方案設(shè)計階段實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)模型分門別類的管理。

表1 方案設(shè)計階段的Block定義

由于FORAN軟件中Block字符串長度不能超過4個，因此在方案設(shè)計階段定義Block時需考慮施工設(shè)計階段Block的需求，即命名Block時要留下一定的余量，名字應(yīng)盡量簡練、精確及易于查找。

方案設(shè)計階段只劃分了總段，因此Block存放的內(nèi)容比較多，即某一個總段某種類型的結(jié)構(gòu)件可以全部存放在一個Block中。隨著設(shè)計的不斷深入，到施工設(shè)計階段時，一個總段會劃分成若干個立體分段，一個立體分段里面還包含甲板分段、艙壁分段、舷側(cè)分段等分段模型，若繼續(xù)沿用方案設(shè)計中定義的Block，則查看甲板分段中的某一個小分段時必須打開整個甲板結(jié)構(gòu)的模型，此時，不僅模型讀寫的計算量大，更無法實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)模型的精細管理。因此，施工設(shè)計階段必須對Block重新定義，每一個小的分段對應(yīng)一個Block（表2）。

表2 施工設(shè)計階段的Block定義

表2中，Block編號由3位數(shù)字和1位字母組成。例如042A，04代表04總段，2代表04總段中第2立體分段，A代表01，即第2立體分段中01分段，依此類推，B代表02，C代表03。

此時，若要查看某一個分段的結(jié)構(gòu)模型，則只需打開其對應(yīng)Block里的全部結(jié)構(gòu)件即可，而無需打開整個分段結(jié)構(gòu)模型。

2.2.2 Section的管理方法

Section即結(jié)構(gòu)所在的平面，方案設(shè)計階段一般會定義主船體結(jié)構(gòu)所在的平面，如甲板、主橫艙壁、主縱艙壁等。方案設(shè)計階段創(chuàng)建的Section一般可在施工設(shè)計階段繼承使用，即不需要為結(jié)構(gòu)重新創(chuàng)建新的Section，而直接沿用方案設(shè)計中的Section即可。但甲板橫梁、縱桁以及其他所有需要用板材建模的T型材等局部結(jié)構(gòu)件則需創(chuàng)建新的Section。

Section的名稱在創(chuàng)建成功后是無法修改的，因此創(chuàng)建之前一定要注意命名規(guī)則，正確的名稱才能方便后期對模型的分辨和查找。

2.2.3 Structural element的管理方法

方案設(shè)計階段的船體結(jié)構(gòu)是按照總段和結(jié)構(gòu)類型來分類的，因此Structural element的設(shè)置大小與Section的設(shè)置一致，其包含的結(jié)構(gòu)件為整個總段內(nèi)的結(jié)構(gòu)件，且這些結(jié)構(gòu)件全部存放在同一個Block里。查看結(jié)構(gòu)模型時只需讀入該結(jié)構(gòu)所在總段相應(yīng)的Structural element。

施工設(shè)計階段對船體的總段進行細化，每個總段劃分了立體分段，每個立體分段包含多個結(jié)構(gòu)分段，如甲板分段、艙壁分段、輕圍壁分段等。以甲板分段為例（如圖2）。

圖2 甲板分段劃分

圖2為04總段2甲板，方案設(shè)計階段Structural element指定的默認Block為04B，其結(jié)構(gòu)件都存放在Block 04B。施工設(shè)計階段時被劃分為04102、04202兩個分段，相應(yīng)分段范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)件也會被分配存放于Block 041B、Block 042B。此時，除了要對Block重新定義以外，還需按照新的Block創(chuàng)建新的Structural element，使其個數(shù)與甲板分段數(shù)目一致，保證一個Structural element對應(yīng)一個分段號，同時指定與該分段號相對應(yīng)的Block，這樣便可實現(xiàn)Structural element、Block、分段之間的一一對應(yīng)。若繼續(xù)沿用方案設(shè)計中的Block和Structural element，則會出現(xiàn)一個Structural element里有多個不屬于默認Block的結(jié)構(gòu)件，無法實現(xiàn)Structural element與Block的一一對應(yīng)。

該方法下查看某個分段的結(jié)構(gòu)模型，只需讀入與該分段號對應(yīng)的Structural element即可，而不需讀出整個分段的結(jié)構(gòu)模型。

2.2.4 Parts的管理方法

Parts即結(jié)構(gòu)件，施工設(shè)計階段的板材和弱骨材可繼承方案設(shè)計階段的模型，但T型材，如橫梁、縱桁、肋骨等，特別是端部有變化的T型材，則需要刪除用型材創(chuàng)建的模型，重新用板材創(chuàng)建新的模型。

在施工設(shè)計階段，總段劃分了分段，Block也完成了相應(yīng)的細化，其所對應(yīng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)模型也必須分配到對應(yīng)的Block（圖2），原屬于04B Block的結(jié)構(gòu)模型需按照分段劃分區(qū)域切開，然后分別分配到041B、042B兩個Block中（圖3）。

圖3 結(jié)構(gòu)件分配

以上方案可實現(xiàn)Block、Structural element、分段、結(jié)構(gòu)件之間的相互對應(yīng)，即一個分段只有一個Structural element，該 Structural element指定的默認Block與分段號對應(yīng)，該Structural element內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)件同屬于默認的Block，從結(jié)構(gòu)件上實現(xiàn)對模型的管理。

3 Shell and decks模式

3.1 模型管理元素

曲面模式下有兩個元素與平面模式下的元素不同，分別為Surface和Zone。

1） Surface。Surface是在總體曲面模塊（FSURF模塊）中創(chuàng)建的曲面，一般包括外板、上甲板、內(nèi)底等。在船體結(jié)構(gòu)曲面模式下，通過選擇工作Surface和Zone對該工作曲面進行船體結(jié)構(gòu)三維建模。

2）Zone。Zone是FHULL模塊曲面模式下的船體區(qū)域概念。Zone存在的意義在于：三維設(shè)計人員可對某一曲面（如外板、上甲板、內(nèi)底）的不同區(qū)域同時建模。每個項目中可以有多個Zone，但是只有一個Zone0，其它普通的Zone均在Zone0中創(chuàng)建。需要注意的是在曲面模式下創(chuàng)建的構(gòu)件依然保存在Block中，Zone中不保存任何構(gòu)件。

由于曲面模式中沒有Section和Structural element的概念，因此既不能繼承Section也不能新建Structural element，而只能通過Surface、Zone、Block來管理結(jié)構(gòu)件。

3.2 模型管理方法

3.2.1 Surface的管理方法

曲面模式中，在對結(jié)構(gòu)進行編輯操作前，需首先選擇結(jié)構(gòu)對應(yīng)的曲面，如圖4所示。在左欄中選擇曲面，在右欄中選擇需要進入的Zone，曲面是在FSURF模塊中預(yù)先定義的，無法在FHULL模塊中編輯和修改。因此，在整個設(shè)計階段中，若曲面沒有問題則不需要對其進行修改和變更。

圖4 曲面和Zone的選擇

3.2.2 Zone的管理方法

除了系統(tǒng)默認的Zone0外，設(shè)計人員可給船體的每個總段定義一個Zone，例如01總段定義Zone 01，02總段定義Zone 02，依此類推。通過Zone實現(xiàn)對船體結(jié)構(gòu)按照總段進行管理。

利用Surface和Zone可實現(xiàn)區(qū)分結(jié)構(gòu)類型和管理結(jié)構(gòu)總段。而對Block的處理方法可參照平面模式中的做法，由于Block是在NORM模塊中創(chuàng)建的，不受FHULL模塊的約束，因此定義好的Block在平面模式和曲面模式中的效力是一樣的。方案設(shè)計階段，某個總段內(nèi)的結(jié)構(gòu)件可全部存放在同一個Block中，隨著設(shè)計深入到施工設(shè)計階段和總段劃分分段，此時只需將方案設(shè)計中已創(chuàng)建好的結(jié)構(gòu)件在分段縫位置切開，然后將相應(yīng)分段區(qū)域范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)件指定到與該分段對應(yīng)的Block即可。如圖2所示，將原來屬于04B的結(jié)構(gòu)件分別按照分段范圍指定到041B、042B，后期若需查看041B里的結(jié)構(gòu)件則只需讀入該Block里的結(jié)構(gòu)件。

對于曲面模式下用型材創(chuàng)建的橫梁、縱桁等端部有變化的T型材，施工設(shè)計階段需刪除用型材創(chuàng)建的模型，重新在平面模式用板材創(chuàng)建新的模型，且對應(yīng)分段的T型材需存放在與該分段對應(yīng)的Block中。

4 結(jié)論

FORAN軟件的引進為我國船舶工業(yè)的自我創(chuàng)新發(fā)展提供了一個有效的設(shè)計平臺，該軟件體現(xiàn)了良好的設(shè)計理念，有完善的數(shù)據(jù)庫，可使設(shè)計更加安全可靠，并有良好的操作性。

本文提出的基于FORAN的結(jié)構(gòu)模型管理方法，隨著設(shè)計階段的不同而不同，對每個設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)模型都能夠?qū)崿F(xiàn)高效管理，不僅方便結(jié)構(gòu)模型的查找，更有利于后續(xù)對模型的更改和維護。

但是在一些大而復(fù)雜的船舶項目中，隨著結(jié)構(gòu)件的增多，數(shù)據(jù)庫的容量也急劇增大，如果整個船舶的所有結(jié)構(gòu)件都在一個數(shù)據(jù)庫里創(chuàng)建，則上述施工設(shè)計階段中對Structural element的處理會給軟件數(shù)據(jù)庫的寫入和讀出帶來更多的計算量，降低工作效率。因此，建議在大型船舶工程項目中，將整個數(shù)據(jù)庫分為多個項目，分別建模，減少單個數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)容量，提高軟件讀寫和計算速度，再結(jié)合本文所提出的管理方法，充分發(fā)揮該軟件的優(yōu)勢。

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[5]陳練,張新華.FORAN系統(tǒng)在各國艦艇中的應(yīng)用情況[G].UFC用戶大會論文集,2007.

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