(上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

在機(jī)艙、艏艉等結(jié)構(gòu)復(fù)雜或線型變化大的分段區(qū)域，使用Napa Steel模型導(dǎo)出有限元模型，比直接在Patran中建模更加快速準(zhǔn)確，故在實(shí)船項(xiàng)目中設(shè)計(jì)院大多采用上述方式建模。但是根據(jù)已有平面CAD圖紙，通過繁瑣的人工測量讀數(shù)方法將其轉(zhuǎn)為三維結(jié)構(gòu)模型，既費(fèi)時耗力又容易出錯，使用Napa Steel建模，需要大量編寫命令，三維建模速度較慢[1]。已有的Napa Steel二次開發(fā)插件大多使用Napa Basic語言編寫，內(nèi)嵌于Napa Steel軟件中，雖在一定程度上提高了三維建模效率，卻無法與除Napa之外的任何軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[2]。為此考慮聯(lián)合使用AutoCAD及Napa二次開發(fā)技術(shù)，建立CAD輸出到Napa Steel的數(shù)據(jù)通道，解決建模效率低，易出錯的問題。

1 快速建模程序的開發(fā)

1.1 開發(fā)原理及關(guān)鍵技術(shù)

Napa Steel與AutoCAD分別是基于Linux與Windows平臺開發(fā)兩款軟件，之間無數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?。而目前跨平臺不同軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸，大多依靠導(dǎo)入導(dǎo)出中間格式文件的方式實(shí)現(xiàn)，如DXF，IGES等。參照其原理，本軟件選取簡便的txt文檔做為中間格式文件，用于將AutoCAD中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅apa Steel中。

本軟件使用基于.Net的ObjectARX托管技術(shù)對AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，獲取平面CAD圖紙中的剖面構(gòu)件信息，再利用Napa二次開發(fā)技術(shù)將獲取的信息轉(zhuǎn)化為基于Napa Basic 語言的Napa Steel建模命令存儲于txt文檔中。同時在Napa Steel中編寫Marco讀取并運(yùn)行該txt類型的中間格式文檔，即可完成相應(yīng)的三維建模工作。軟件流程圖見圖 1。

圖1 軟件開發(fā)流程

1.2 快速建模的主要實(shí)現(xiàn)方法

1.2.1 通過“拾取”轉(zhuǎn)化CAD圖紙信息

使用本軟件根據(jù)已有平面CAD圖紙進(jìn)行三維建模時，幾乎不需要用戶手動測量任何定位信息，無論是剖面基點(diǎn)、Surface Object(SO)的limit、筋的Trace乃至構(gòu)件尺寸等，僅通過鼠標(biāo)的“拾取”操作即可完成將CAD圖紙信息轉(zhuǎn)化的工作，可省去繁瑣的人工測量讀數(shù)，既快速又準(zhǔn)確。拾取SO 的Limit流程見圖2。

圖2 拾取Limit流程

1.2.2 簡化建筋操作

在三維建模時，筋的數(shù)量遠(yuǎn)多于板，是影響建模速度的重要因素，除快速將CAD圖紙中筋的定位坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成三維建模命令外，為簡化建筋操作還做了如下幾方面的工作。

1)圖層篩選判斷。為使在CAD圖紙中框選時，而不選中無關(guān)構(gòu)件如板、開孔等，在選擇時設(shè)置了圖層篩選。結(jié)合本院圖層設(shè)繪標(biāo)準(zhǔn)，程序只選中圖層為“213_stiff-1(可見筋輪廓)”、“213_stiff-2(不可見筋輪廓)”的直線。同時根據(jù)根據(jù)圖層線型自動判斷出筋是位于SO的哪一側(cè)，無需用戶后期手動修改。

2)筋SET自動判斷。在Napa Steel建筋時，錯誤輸入SET值，會導(dǎo)致軟件彈出警告“Geometry of trace not compatible with stiffener axis(W24379)”,即實(shí)際Stiffener 方向與SET所填方向不一致。因此程序在開發(fā)時，增加根據(jù)Stiffener的幾何信息自動判斷SET的代碼，可省去用戶后期的修改工作量，保證三維模型的準(zhǔn)確性，流程見圖3。

圖3 筋SET自動判斷流程

3)扶強(qiáng)材與縱骨連接。在強(qiáng)框區(qū)域的扶強(qiáng)材一端或兩端與外板、內(nèi)殼縱骨相連。僅通過從CAD圖紙中獲取坐標(biāo)在三維模型中直接創(chuàng)建，缺失扶強(qiáng)材與縱骨連接的屬性，僅能做到“看似”相連。所以在拾取筋時，軟件會提示“請給出加強(qiáng)筋兩端與縱骨的鏈接方式(N/D/S) :”，并在端點(diǎn)自動添加“->”,從而創(chuàng)建連接屬性，流程見圖4。模型精度有如下提升。

(1)無論建模誤差大小，均可以保證扶強(qiáng)材與縱骨相連。

(2)即使縱骨位置后期發(fā)生微調(diào)后，仍可以保證扶強(qiáng)材與其相連。

1.2.3 提供操作便利

1)預(yù)覽窗口。傳統(tǒng)二次開發(fā)程序的運(yùn)行過程、結(jié)果均隱藏于后臺，用戶只能在生成三維模型后，才可判斷是否正確。本軟件提供了“預(yù)覽窗口”，將生成的三維建模命令顯示出來供用戶預(yù)覽甚至直接修改， 如圖5的E區(qū)域，可提早發(fā)現(xiàn)錯誤，省去了生成三維模型后再刪除的麻煩。

圖4 添加扶強(qiáng)材與縱骨連接流程

2)基本平面表。通過總結(jié)使用Napa Steel的建模習(xí)慣，發(fā)現(xiàn)無論是建SO,還是筋都經(jīng)常會使用HUL、Deck、LBH等基本平面作為限制，類似此參考平面的使用頻臨極高，為減少頻繁輸入的工作量，軟件增加了“基本平面表”的功能，相當(dāng)于一個存儲平面名稱的庫。如圖 5的D區(qū)域所示，鼠標(biāo)左鍵雙擊選中參考平面便會自動填寫到指定邊界的文本框中，點(diǎn)擊該區(qū)域右下角的“編輯”按鈕，可以進(jìn)行編輯/添加/刪除的操作。

1.2.4 數(shù)據(jù)交換

本軟件利用txt文檔作為中間格式文件傳輸數(shù)據(jù)，其存儲基于Napa Basic語言的三維建模命令。為省去用戶先“復(fù)制”“粘帖”再“運(yùn)行”“顯示”的繁瑣操作，軟件開發(fā)中利用Toolbar功能為Napa Steel添加按鈕。即在TBAR*ST//SYSDB 表格中添加一行，見表 1，其中COMMAND列為讓Napa Steel運(yùn)行指定宏代碼，“ZQLAPP_N>.”為VB.NET生成的宏存儲路徑。只需點(diǎn)擊“SD1”按鈕即可創(chuàng)建，并顯示出相應(yīng)三維結(jié)構(gòu)模型。

表1 Toolbar設(shè)置

2 應(yīng)用案例

軟件主要包含EasySO(建板)與EasySTF(建筋)兩大功能模塊。在某大型礦砂船的設(shè)計(jì)中期，船級社提出需要加算機(jī)艙有限元分析，不僅要如實(shí)反映復(fù)雜的機(jī)艙區(qū)域結(jié)構(gòu)，且要需要建全船模型，真實(shí)反映機(jī)艙區(qū)域的邊界條件。雖然設(shè)計(jì)時間緊張，但使用該快速建模軟件進(jìn)行建模，大幅縮短建模時間，保證了設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。

2.1 EasySO(建板)

機(jī)艙中油柜、液艙眾多，故機(jī)艙區(qū)域的艙壁數(shù)量大，使用EasySO可快速創(chuàng)建艙壁，以機(jī)艙結(jié)構(gòu)圖某剖面為例，軟件界面見圖 5。

圖5 EasySO(建板)程序界面

1)在EasySO軟件界面中的A區(qū)域，拾取剖面的基點(diǎn)，選擇剖面類型為X，位置為S，剖面定位為Fr25,艙段為ER，程序會自動給定結(jié)構(gòu)類型為TBH，以及自動生成SO名字為ER_TBH#25_S，自動生成的內(nèi)容也可根據(jù)用戶需求自行修改。

2)在B區(qū)域填寫限制條件，用戶無需手動量取讀數(shù)，直接用鼠標(biāo)在圖紙中拾取相應(yīng)艙壁邊界即可，也可直接雙擊引用D區(qū)域中所列的基本平面作為邊界。對于艙壁中有開孔的情況在C區(qū)域添加Red即可，選擇開孔邊界的方法同上。

3)在F區(qū)域填寫艙壁板厚9，若勾選“對稱”，則會自動關(guān)于XY平面生成對稱的SO。點(diǎn)擊“預(yù)覽”便可在E區(qū)域生成三維構(gòu)建信息供預(yù)覽，如有需求用戶可直接在預(yù)覽窗口進(jìn)行修改，點(diǎn)擊“寫入”名稱為ER_TBH#25_S，板厚為9的艙壁便可寫入NapaSteel中，并自動加入到節(jié)點(diǎn)為“Steel->EngineRoom->ER_TBH”的結(jié)構(gòu)樹下。

可見EasySO軟件不僅免去了繁瑣的人工測量讀數(shù)過程，還可協(xié)助用戶完成建模標(biāo)準(zhǔn)化操作，比如根據(jù)建模標(biāo)準(zhǔn)自動命名SO，并將加入指定結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)下。

2.2 EasySTF(建筋)

EasySTF軟件除可以輕松創(chuàng)建艙壁上定位規(guī)則的加強(qiáng)筋外，在臨近機(jī)艙區(qū)域的貨艙區(qū)域強(qiáng)框中，有大量非規(guī)則定位的加強(qiáng)筋，與傳統(tǒng)模式相比，更加高效，僅需用戶在CAD平面圖紙中框選，便可完成在Napa Steel中的建筋操作。程序主界面見圖6，點(diǎn)擊“拾取構(gòu)件”按鈕后彈出的子界面見圖7。

圖6 EasySTF (建筋)程序界面1

圖7 EasySTF (建筋)程序界面2

具體的建筋步驟如下。

1)在軟件界面中的A區(qū)域，輸入要在其上建筋的SO名稱H_WEB#52_P，用鼠標(biāo)在CAD圖紙中給定基點(diǎn)后，點(diǎn)擊“拾取構(gòu)件”按鈕，用戶可直接在CAD圖紙中框選或點(diǎn)選加強(qiáng)筋。

2)用戶根據(jù)程序提示“選擇構(gòu)件尺寸”，從圖中標(biāo)注直接拾取構(gòu)件尺寸(FB150X12)，拾取過的筋與文字標(biāo)注的會自動變成紫色(173)，以便用戶區(qū)分，避免重復(fù)建模。完成上述操作后，程序子界面會彈出，對筋的定位以及構(gòu)件尺寸做進(jìn)一步細(xì)化修改。

3)在完成子界面的操作后，點(diǎn)擊“保存并退出”，筋的數(shù)據(jù)傳回EasySTF主程序界面中列在B區(qū)域中。用戶也可再次點(diǎn)擊“拾取構(gòu)件”按鈕繼續(xù)在CAD圖紙中選擇筋，最終匯總至主界面B區(qū)域中。點(diǎn)擊“寫入”按鈕，該強(qiáng)框的所有加強(qiáng)筋將自動寫入NapaSteel模型中。

3 結(jié)論

VB.NET開發(fā)的Napa Steel建模插件，建立了CAD直接向Napa Steel傳輸數(shù)據(jù)的通道，打破了“先手動測量數(shù)據(jù)，再建模”的傳統(tǒng)模式，僅通過簡單的拾取操作，便可快速將平面CAD圖紙中的構(gòu)件信息轉(zhuǎn)化成三維構(gòu)件信息，完成三維建模工作。在多個實(shí)船項(xiàng)目中的應(yīng)用中，根據(jù)已有平面CAD圖紙使用該插件創(chuàng)建Napa Steel三維模，僅需傳統(tǒng)模式約1/3工時，其在創(chuàng)建如機(jī)艙、艏艉等復(fù)雜結(jié)構(gòu)或線型變化大的分段模型時優(yōu)勢更加突出。