付 磊， 蔡 薇， 陳高澎

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院, 湖北 武漢 430063)

在CATIA環(huán)境中游艇機(jī)艙布置可視化實(shí)現(xiàn)及分析研究

付 磊， 蔡 薇， 陳高澎

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院, 湖北 武漢 430063)

三維設(shè)計(jì)在船舶工業(yè)已有大量應(yīng)用，本文應(yīng)用CATIA對(duì)超級(jí)游艇機(jī)艙分別進(jìn)行了常規(guī)推進(jìn)設(shè)計(jì)和吊艙推進(jìn)設(shè)計(jì)的三維再現(xiàn)與仿真，探究實(shí)現(xiàn)機(jī)艙可視化的方法和過(guò)程，并對(duì)可視化效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，優(yōu)化調(diào)整后得到可指導(dǎo)施工安裝的機(jī)艙布置圖。研究表明，CATIA強(qiáng)大的船舶建模技術(shù)可滿足實(shí)際船舶工程設(shè)計(jì)要求，能極大地提高設(shè)計(jì)效率。

游艇 三維設(shè)計(jì) CATIA 機(jī)艙可視化 吊艙推進(jìn)

1 引言

機(jī)艙作為全船最重要的功能艙室，其設(shè)計(jì)是總布置設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容。機(jī)艙內(nèi)設(shè)備眾多，管線繁雜，多學(xué)科交織，機(jī)艙空間相對(duì)狹小，設(shè)備布置受限，如何合理高效地完成機(jī)艙布置一直是設(shè)計(jì)者所關(guān)心和考慮的問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員希望能在游艇總體設(shè)計(jì)中感受機(jī)艙環(huán)境，了解機(jī)艙設(shè)備的布置可達(dá)性。三維建模技術(shù)通過(guò)立體形象的表現(xiàn)形式，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)布置可視化，通過(guò)智能優(yōu)化可以極大提高設(shè)計(jì)效率。

CATIA是目前船舶行業(yè)普及較高的設(shè)計(jì)軟件，為造船工業(yè)提供了優(yōu)秀的解決方案。本文以某大型游艇機(jī)艙資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用CATIA構(gòu)建機(jī)艙可視化場(chǎng)景，探討機(jī)艙三維可視化實(shí)現(xiàn)過(guò)程和布置評(píng)價(jià)。

2 大型游艇機(jī)艙布置

2.1 一般機(jī)艙布置原則

(1) 暢通性原則：機(jī)艙內(nèi)設(shè)備布置應(yīng)考慮到工作人員通行方便，故障處置時(shí)能夠快速到達(dá)設(shè)備空間，樓梯通道力求合理，防止形成阻礙。

(2) 安全有效性：設(shè)備布置要考慮到功能實(shí)施的安全可靠。例如布置動(dòng)力裝置時(shí)，在一定范圍內(nèi)保證其功能在船舶橫傾工況下仍舊可以可靠工作。另外，防火排水也是需要重點(diǎn)考慮的方面，需要滿足入級(jí)規(guī)范和有關(guān)法規(guī)、規(guī)則的各項(xiàng)要求[1]。

(3) 合理性：設(shè)備布置合理性直接影響到輪機(jī)人員的可操作性和工作效率，其布置應(yīng)該考慮人員的空間，設(shè)備拆修空間要充分。各種設(shè)備都有自己的特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境的要求不盡相同，布置時(shí)應(yīng)考慮布置后帶來(lái)的不良后果，對(duì)于工作中想配合的機(jī)械設(shè)備，應(yīng)盡可能靠近布置，方便操作管理。

2.2 常規(guī)推進(jìn)與吊艙推進(jìn)方式機(jī)艙布置特點(diǎn)

2.2.1 常規(guī)推進(jìn)機(jī)艙布置

常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)是利用柴油機(jī)直接或間接驅(qū)動(dòng)軸系帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)動(dòng)力的一種推進(jìn)方式。常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)往往具有較長(zhǎng)軸系，要求有較大的機(jī)艙空間。軸系將機(jī)艙分割成不連續(xù)布置空間，主機(jī)和相關(guān)輔助設(shè)備的布置都會(huì)受到影響，限制了艙內(nèi)的交叉布置與連接，一定程度上影響了機(jī)艙容積利用率，局限了設(shè)計(jì)人員的布置理念和優(yōu)化思想。

2.2.2 吊艙推進(jìn)機(jī)艙布置

吊艙電力推進(jìn)是一種在電力推進(jìn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興船舶推進(jìn)方式。電力推進(jìn)是主機(jī)驅(qū)動(dòng)主發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后并網(wǎng)，再由電網(wǎng)供電給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的一種傳動(dòng)形式。吊艙推進(jìn)系統(tǒng)位于船體外，占用較少船內(nèi)空間，利于提高機(jī)艙空間利用率，且主機(jī)和螺旋槳間沒(méi)有機(jī)械聯(lián)系，機(jī)、槳可在任意距離布置，機(jī)組布置更具靈活性。

3 機(jī)艙布置可視化

CATIA具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力,提高了建模以及修改優(yōu)化的速度；提供了智能化且邏輯清晰的結(jié)構(gòu)樹(shù)，便于用戶快捷重復(fù)修改；提供了多模型銜接的工作環(huán)境和混合建模方式，利于實(shí)現(xiàn)并行協(xié)同設(shè)計(jì)。利用CATIA建立船體外殼、船體結(jié)構(gòu)及艙內(nèi)設(shè)備和管路的模型，再集中裝配構(gòu)成可視化的三維機(jī)艙。

3.1 船體曲面建模

CATIA具有優(yōu)秀的曲面設(shè)計(jì)功能，可以達(dá)到很高的曲面連續(xù)性和高精度，從而得到較好效果的船體曲面。船體曲面建模是一個(gè)由線性設(shè)計(jì)生成線框，再到利用線框生成曲面模型的過(guò)程，其幾何特征由眾多船體表面上的型值點(diǎn)所控制。通過(guò)運(yùn)行CATIA安裝文件中關(guān)聯(lián)excel中的相關(guān)宏，可得到若干條代表船體型線的樣條線，對(duì)于曲率變化較大的艏艉部應(yīng)加密橫剖線來(lái)保證緩和過(guò)渡，再經(jīng)過(guò)創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)里的多截面曲線、填充等命令可得到完整船體外殼曲面，最后優(yōu)化修正得到最終船體外殼。

3.2 機(jī)艙結(jié)構(gòu)建模

一條游艇結(jié)構(gòu)件眾多，特征相同或相似的開(kāi)孔或者型材非常多，要提高工作效率，減少不必要的工作，在對(duì)游艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前應(yīng)該對(duì)全船結(jié)構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸類，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行構(gòu)件基礎(chǔ)庫(kù)的建立，以便在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建立時(shí)可直接調(diào)取相關(guān)構(gòu)件。

機(jī)艙區(qū)域作為一個(gè)分段獨(dú)立建模，在建立之前要先把機(jī)艙段分割出來(lái)。為了操作流暢性和其他專業(yè)使用模型的便利，在CATIA的船舶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中可將機(jī)艙區(qū)域結(jié)構(gòu)劃分為船殼、甲板、縱艙壁、橫艙壁、零散結(jié)構(gòu)等多個(gè)子Part，再在各Part中建立相應(yīng)結(jié)構(gòu)。

機(jī)艙結(jié)構(gòu)主要包括板型材、開(kāi)孔以及局部加強(qiáng)。CATIA結(jié)構(gòu)庫(kù)中存在大量板材、型材模型，可以直接調(diào)取放在支持面。在要求材料、規(guī)格和大小相同的情況下，板型材可以采取批量式建模思路一次生成。由于實(shí)際情況是游艇機(jī)艙段位于艉部，曲面曲率變化大，各處的板型材有差異，因此需要添加后再剪切。舷側(cè)縱桁在添加時(shí)會(huì)根據(jù)類別選擇來(lái)識(shí)別外板曲面的變化自動(dòng)生成。舭肘板、船底龍骨腹板通過(guò)切割成型，面板作為自由邊上的板材來(lái)創(chuàng)建。游艇上存在多種有類似特征的開(kāi)孔，比如人孔、流水孔、減輕孔、貫穿孔等。通過(guò)建孔庫(kù)的方式可以提高開(kāi)孔速度，另外板材的開(kāi)孔還可以通過(guò)直接草繪開(kāi)孔或者以空間存在的三維對(duì)象投影生成孔輪廓。機(jī)艙內(nèi)存在一些特殊部位，因承受多種靜態(tài)載荷或動(dòng)態(tài)載荷的作用，需要局部加強(qiáng)，如基座。由于樣船是單層底，主機(jī)基座縱桁同時(shí)也起到內(nèi)龍骨的作用。縱桁腹板高度比肋板大，為防止縱桁左右傾倒，縱桁兩旁應(yīng)用肘板加強(qiáng)。首先分割出機(jī)艙段外殼，Part下定義合適平面系統(tǒng)作為肋位或者甲板所在支持面，依照二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，添加板型材并開(kāi)孔，建立的機(jī)艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果如圖1所示。

圖1 機(jī)艙段單層底結(jié)構(gòu)模型

3.3 設(shè)備實(shí)體建模

機(jī)艙中各設(shè)備都是作為零部件單獨(dú)建模，通過(guò)CATIA中零部件設(shè)計(jì)模塊和創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊中的基于草圖特征、修飾特征、基于曲面特征、變換特征等工具可以建立機(jī)艙內(nèi)主要設(shè)備的簡(jiǎn)單模型。

3.4 管路建模

CATIA中管路庫(kù)包括管路、接頭、閥件、法蘭、墊片等在內(nèi)的多種零部件，且具備功能類和物理類屬性。管路標(biāo)準(zhǔn)件的創(chuàng)建過(guò)程與開(kāi)孔不同的是，創(chuàng)建時(shí)通過(guò)選擇功能物理類型，模型直接繼承庫(kù)中標(biāo)準(zhǔn)件所具有的相關(guān)屬性。在此應(yīng)注意創(chuàng)建設(shè)計(jì)表時(shí)參數(shù)的定義要按照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，比如公稱通徑、端面類型、壓力等級(jí)、材料類別等。

3.5 機(jī)艙環(huán)境虛擬裝配

CATIA裝配設(shè)計(jì)可將機(jī)艙產(chǎn)品的所有組成部分按照布置規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行集中虛擬裝配[2]組合，從而得到三維機(jī)艙模型。先導(dǎo)入船體結(jié)構(gòu)，然后逐個(gè)導(dǎo)入建立好的設(shè)備，按照二維布置方案中的設(shè)備位置確定設(shè)備在機(jī)艙空間的位置，利用分析工具分析裝配后的結(jié)構(gòu)和設(shè)備間、設(shè)備和設(shè)備間有無(wú)干涉，根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整。機(jī)艙內(nèi)的管路走向和長(zhǎng)度控制可以通過(guò)定義管段節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)某大型游艇的機(jī)艙布置數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)艙設(shè)備進(jìn)行空間布置，并添加多個(gè)管路系統(tǒng)，所得兩種推進(jìn)形式下可視化機(jī)艙模型如圖2、圖3所示。

圖2 常規(guī)推進(jìn)可視化機(jī)艙模型

4 基于人機(jī)工程學(xué)的可視化效果檢驗(yàn)

完成的可視化機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備布置并不能完全符合實(shí)際布置情況，需要通過(guò)各種手段對(duì)可視化效果進(jìn)行檢驗(yàn)，反復(fù)優(yōu)化得到滿足要求的可視化機(jī)艙效果，進(jìn)而得到可實(shí)際應(yīng)用的機(jī)艙布置圖。

圖3 吊艙推進(jìn)可視化機(jī)艙模型

機(jī)艙布置設(shè)計(jì)不僅要考慮設(shè)備間的合理布置，也要考慮到輪機(jī)人員在機(jī)艙中的操作管理需要。人機(jī)工程設(shè)計(jì)與分析功能可以將數(shù)字化人體模型置于機(jī)艙可視化空間，通過(guò)人的視線來(lái)觀察機(jī)艙場(chǎng)景，視點(diǎn)高度位置和角度更符合實(shí)際，利于準(zhǔn)確觀察機(jī)艙。視野的類型、范圍和距離都可以調(diào)整，當(dāng)人體模型移動(dòng)時(shí)，視線跟著實(shí)時(shí)移動(dòng)。用這種方式可以對(duì)機(jī)艙布置的可視化效果進(jìn)行合理性驗(yàn)證。

人體工作空間分析可以檢查人與設(shè)備間的距離和空間是否符合要求，可以測(cè)量不同對(duì)象間的最小距離，也可以計(jì)算出分析對(duì)象處于用戶定義范圍內(nèi)的區(qū)域。在未發(fā)生干涉情況下，可通過(guò)設(shè)定距離范圍以檢查設(shè)備及設(shè)施的布置是否為人員通行及操作管理留下足夠空間。

5 可視化環(huán)境下兩種推進(jìn)方式的比較分析

常規(guī)推進(jìn)和吊艙推進(jìn)兩種推進(jìn)方式的配套設(shè)備有差異，總體布置上也有不同，通過(guò)三維建模呈現(xiàn)各自布置，可以清晰對(duì)比觀察兩種推進(jìn)方式下的機(jī)艙布置環(huán)境。機(jī)艙布置圖如圖4、圖5所示，在可視化的環(huán)境中我們可以清楚地看出兩種推進(jìn)方式有著很大的差異。

圖4 常規(guī)推進(jìn)機(jī)艙布置

圖5 吊艙推進(jìn)機(jī)艙布置

5.1 從布置靈活性方面考慮

從圖4可以看出常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)配備了很長(zhǎng)的軸系，將機(jī)艙空間劃分為不連續(xù)的三段，且軸系周邊一定范圍內(nèi)不能布置設(shè)備，進(jìn)而限制部分管路和構(gòu)件的交叉連接。這也給設(shè)備布置帶來(lái)一定障礙，并且壓縮了機(jī)艙可利用空間，使機(jī)艙顯得擁擠。由圖5可以看出吊艙推進(jìn)器只占機(jī)艙很小范圍的空間，且是狹小利用價(jià)值不大的船艉區(qū)域，吊艙推進(jìn)系統(tǒng)中的許多設(shè)備都布置在其他區(qū)域，所需機(jī)艙空間相對(duì)較小，機(jī)艙內(nèi)布置相對(duì)整齊緊湊，方便機(jī)艙設(shè)備的布置和輪機(jī)人員的日常管理維護(hù)，提高了空間利用率。

常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)的整套動(dòng)力設(shè)備都被限制在艙底布置，而吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)與螺旋槳直接連接，沒(méi)有傳動(dòng)軸系，原動(dòng)機(jī)的位置不再受到螺旋槳的影響，發(fā)電設(shè)備可以不受推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和螺旋槳的限制，可根據(jù)全船的配置合理安排，甚至可在全船空間內(nèi)進(jìn)行立體布置。如果從消防和安全性的角度考慮，還可把發(fā)電機(jī)分成幾組[3]分別布置在不同的艙室中。由于機(jī)艙艉部不需要安裝柴油機(jī)，為了滿足平衡性的要求，可以把一些重量較輕的設(shè)備向艉部布置，重量較重的設(shè)備多布置在中間位置。原動(dòng)機(jī)可以不在艙底布置，總體設(shè)計(jì)人員可根據(jù)船型特點(diǎn)開(kāi)辟空間單獨(dú)布置，有利于艦船布置的全面優(yōu)化。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，吊艙內(nèi)所用電機(jī)的尺寸和重量不斷減小，吊艙推進(jìn)裝置的比重已經(jīng)降低到25 kg/kW。將驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于吊艙內(nèi)，集推進(jìn)裝置和操舵裝置于一體，省去了軸系和舵可使得空間布置更加靈活，便于自由分配。尤其是對(duì)空間布置要求較高的游艇，更好的空間靈活性也就意味著具有更多布置方案供選擇。

5.2 從其他方面考慮

在水動(dòng)力性能方面，相對(duì)于常規(guī)推進(jìn)，吊艙推進(jìn)器改善了船艉型線，提升船艉流場(chǎng)品質(zhì)，使得推進(jìn)器在比較理想的伴流中工作，船體流體性能得到充分改進(jìn)，提高水動(dòng)力性能[4]。據(jù)測(cè)算，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的船型效率比使用常規(guī)槳可提高15%左右，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的POD推進(jìn)器的流體性能比常規(guī)槳提高約4%。POD的螺旋槳比常規(guī)螺旋槳小，產(chǎn)生空泡現(xiàn)象的臨界速度高，可改善振動(dòng)與噪聲性能，還可以在船體內(nèi)靈活布置，以獲取最佳的推進(jìn)性能。

在操縱性能方面，相比于應(yīng)用柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的操縱性能有了顯著的提升。整個(gè)吊艙推進(jìn)器可由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)控制實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，省去了舵及側(cè)推器等裝置，也就沒(méi)有最大舵角的限制，具有靈活的航向控制能力。不同推進(jìn)方式的船舶操縱性能對(duì)比如表1所示。

機(jī)動(dòng)性和舒適性是大型豪華游艇設(shè)計(jì)建造的主要追求目標(biāo)，通過(guò)在以上各方面的對(duì)比可知吊艙推進(jìn)相對(duì)于常規(guī)推進(jìn)有較大的優(yōu)勢(shì)。除此之外，吊艙推進(jìn)還有以下特點(diǎn)：

(1) 推進(jìn)裝置的總功率可以由多個(gè)機(jī)組承擔(dān)，當(dāng)一臺(tái)原動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)其他原動(dòng)機(jī)可作為總動(dòng)力源，船舶推進(jìn)不受影響，即推進(jìn)裝置與原動(dòng)機(jī)之間可交叉連接[6]；在阻力經(jīng)常變化的航態(tài)下可維持動(dòng)力設(shè)備工作在恒定功率，提高了動(dòng)力設(shè)備效率。

(2) 吊艙推進(jìn)器采用變速驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)電機(jī)，原動(dòng)機(jī)與螺旋槳之間無(wú)硬性連接，幾乎消除了噪音和振動(dòng)，大大提高了乘客的舒適性，因此特別適用于豪華游艇[7]。

表1 不同推進(jìn)方式的船舶操縱性能對(duì)比[5]

(3) 電力推進(jìn)系統(tǒng)的廢氣排放更少，更符合未來(lái)綠色船舶的發(fā)展趨勢(shì)和環(huán)保要求。

吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)是豪華郵輪推進(jìn)方式的主流配置，吊艙電力推進(jìn)器的功率范圍可完全滿足大型游艇的功率需求，相信隨著國(guó)際海事組織節(jié)能減排政策的逐步實(shí)施和深入以及游艇的大型化，吊艙推進(jìn)系統(tǒng)日益顯現(xiàn)出其先進(jìn)性，更能適應(yīng)未來(lái)大型游艇的各項(xiàng)性能要求，使更多的應(yīng)用成為可能。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)艙設(shè)計(jì)涉及面寬廣，過(guò)程復(fù)雜，三維技術(shù)符合現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)特點(diǎn)，CATIA通過(guò)三維表現(xiàn)的可視化方式，集成多方面數(shù)據(jù)資源，保證各設(shè)計(jì)部門高效的并行協(xié)同設(shè)計(jì)，是船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)的一大體現(xiàn)。本文通過(guò)CATIA軟件對(duì)機(jī)艙可視化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行的研究表明：

(1) CATIA的船舶設(shè)計(jì)模塊可以完成船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備建模，并可將船舶設(shè)計(jì)多學(xué)科有效集成進(jìn)行同步設(shè)計(jì)，以用來(lái)后期同步修改。

(2) 利用CATIA可以對(duì)建立好的可視化機(jī)艙模型進(jìn)行有效檢驗(yàn)，設(shè)計(jì)者根據(jù)問(wèn)題進(jìn)行再設(shè)計(jì)，從而得出高質(zhì)量的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

[1] 刁有明，錢自行，韓凌志等.近海拖網(wǎng)漁船機(jī)艙布置實(shí)例[J].大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,s1.

[2] Wu Dianliang,Zhen Xijin,Fan Xiumin.A virtual environment for complex products collaborative assembly operation simulation[J].Journal of Intelligent manufacturing, 2012,23(3): 821-833.

[3] 陳家金，王和平.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展[J].世界海運(yùn)，2006,29(4)：9-11.

[4] Ghassemi H, Iranmanesh M. Comparison of hydrodynamic characteristics on two ship propulsors (PRS and AZIPOD)[J].Iranian Journal of Science and Technology Transaction.

[5] http://www.docin.com/p-414380337.html.

[6] 韓秋平，曾凡其.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].交通科技，2008,s10.

[7] http://www.abb.com.cn/cawp/seitp202/6930cb9a9e 8340ce482578f0002644ed.aspx.

Visualization and Analysis of Yacht Engine Room Arrangement Based on CATIA

FU Lei, CAI Wei， Chen Gao-peng

(Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063, China)

3D design has been widely used in ship industry.CATIA is applied in this paper which has carried on 3D reproduction and simulation of the conventional propulsion design and pod propulsion design respectively to the super yacht, to explore the ways and process of achieving the visualization of engine room. The visualization effects were tested, and arrangement diagram of engine room which can be used to guide the production and installation after optimizing and adjusting can be obtained. The study shows that powerful ship modeling techniques of CATIA can meet the actual ship engineering design requirement and enormously improve design efficiency.

Yacht 3D design CATIA Engine room visualization POD propulsion

工信部高技術(shù)船舶專項(xiàng)，***大型游艇設(shè)計(jì)建造關(guān)鍵技術(shù)研究，工信部聯(lián)裝[2010]337。

付 磊(1987-)，男，碩士研究生。

U662.9

A