董海杰，渠繼東，葉效偉

(1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2.深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

船舶的質(zhì)量重心對其浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性、操縱性、耐波性以及設(shè)備的使用性等方面都有著較大的影響[1]。因此，不僅需要在船廠制造現(xiàn)場嚴(yán)格控制船舶質(zhì)量重心，還應(yīng)在各個設(shè)計階段開展質(zhì)量重心的統(tǒng)計用以指導(dǎo)設(shè)計工作。在很長一段時間內(nèi)，船舶的初步設(shè)計、方案設(shè)計等過程基本依賴二維平面設(shè)計方法，質(zhì)量重心統(tǒng)計也主要采用平面圖填表的方法。

對于采用平面圖填表方法的質(zhì)量重心統(tǒng)計工作，業(yè)界已形成了較為固定、成熟的流程和模式，同時也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供參考。如在各設(shè)計階段對船舶進行質(zhì)量重心統(tǒng)計時，可參考文獻[2]將載荷依次按類、節(jié)、組、項分類并繪制相應(yīng)的統(tǒng)計表格，然后從二維布置圖中獲取各載荷項的重心數(shù)據(jù)，通過填表的方式開展相應(yīng)工作。隨著新型船舶的功能越來越豐富、構(gòu)成越來越復(fù)雜、系統(tǒng)設(shè)備越來越多，這種完全依靠人工采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法不僅工作量巨大、數(shù)據(jù)極易出錯(正負號寫反、小數(shù)點錯位等)，而且容易漏項，對于設(shè)計業(yè)務(wù)比較成熟的單位或團隊仍難避免上述問題，且一旦出現(xiàn)問題，需要逐項排查，工作效率低[3]。此外，對于外形復(fù)雜的載荷項，在二維布置圖上只能大致量取其重心坐標(biāo)值，影響統(tǒng)計結(jié)果的精確度。

近年來，三維設(shè)計正在逐漸成為船舶行業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向，CADDS5、FORAN、Tribon等專用軟件[4-5]以及SolidWorks、CATIA等通用軟件[6-7]被先后引入國內(nèi)并在船舶設(shè)計領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，使得基于三維設(shè)計模型的船舶質(zhì)量重心統(tǒng)計方法成為可能。與傳統(tǒng)平面圖填表方法相比，基于三維模型進行質(zhì)量重心統(tǒng)計具有計算速度快、不易漏項、統(tǒng)計結(jié)果精確等優(yōu)點，可進一步節(jié)約設(shè)計時間，提高設(shè)計質(zhì)量。

CATIA是法國達索公司開發(fā)的一款CAD/CAE/CAM一體化軟件，在該領(lǐng)域內(nèi)居世界領(lǐng)先地位，在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、汽車制造、機械設(shè)計等領(lǐng)域。CATIA V6是目前該軟件的最新版本，為用戶提供了較為完整的船舶設(shè)計模塊，可用于總、船、機、電等各個專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計[8-9]。本文主要介紹在船舶設(shè)計過程中基于CATIA V6三維設(shè)計模型，進行空船質(zhì)量重心統(tǒng)計的方法。該方法有助于設(shè)計人員在利用CATIA V6軟件進行船舶設(shè)計時，實時掌握船舶質(zhì)量重心信息，評估設(shè)計方案的合理性，提高設(shè)計質(zhì)量和效率。

1 三維模型的質(zhì)量重心屬性

采用CATIA V6軟件可建立較為完整、詳細的船舶三維設(shè)計模型，但一般不包括貨物、燃料、糧食、淡水和人員等，因此基于CATIA V6三維設(shè)計模型一般只統(tǒng)計空船質(zhì)量，即船舶總質(zhì)量減去可變載重量之后所剩的不變質(zhì)量部分，包括船體鋼料、木作舾裝、機電設(shè)備等3大部分[10-11]以及其重心。

要在CATIA V6上實現(xiàn)空船質(zhì)量重心統(tǒng)計，需在前期的建模過程中對三維設(shè)計模型進行質(zhì)量重心屬性的定義。根據(jù)屬性定義方法的不同，CATIA V6將模型分為2類：聲明質(zhì)量的模型(直接定義模型的質(zhì)量和重心坐標(biāo))和計算質(zhì)量的模型(僅定義模型各部分的材料密度，軟件結(jié)合模型體積計算其質(zhì)量重心)。需要指出的是，聲明質(zhì)量的模型在定義其重心位置時，輸入的坐標(biāo)是相對于模型局部坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)，在將模型裝配至全船模型中后，軟件會自動根據(jù)安裝位置計算其重心在全船坐標(biāo)系中的值。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：m為空船的總質(zhì)量；x、y、z為全船的重心坐標(biāo)；n1和n2分別為聲明質(zhì)量模型和計算質(zhì)量模型的數(shù)量；mi為第i個聲明質(zhì)量模型的質(zhì)量；xi、yi和zi分別為該聲明質(zhì)量模型的重心在全船坐標(biāo)系中3個方向上的坐標(biāo)；ρj和Vj分別為第j個計算質(zhì)量模型的廣義密度(體密度或線密度)和廣義體積(體積或長度)；xj、yj和zj分別為該計算質(zhì)量模型的重心在全船坐標(biāo)系中3個方向上的坐標(biāo)。

2 B.I. Essentials功能簡介

如圖1所示，CATIA V6的B.I.Essentials命令提供了強大的統(tǒng)計和檢查分析功能，主要包括：

圖1 CATIA V6的B.I.Essentials命令

(1)Modification Status，即修改狀態(tài)檢查，主要用于統(tǒng)計當(dāng)前狀態(tài)下裝配體中各模型的修改情況，并用不同的顏色區(qū)分表示。

解 因為tr A=0, tr2A=-3, det A=-2,由定理3，yn=An滿足矩陣值三階差分方程

(2)Design State，即設(shè)計狀態(tài)統(tǒng)計，用于顯示裝配體各部分模型的技術(shù)狀態(tài)(包括In Work、Frozen、Released等)并用不同的顏色加以區(qū)分。

(3)Weight Definition，即質(zhì)量定義，主要用于定義模型的質(zhì)量重心數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計，也可用來檢查模型質(zhì)量定義的完整度。

(4)Weight Distribution，即質(zhì)量分布統(tǒng)計，主要用于統(tǒng)計當(dāng)前裝配體中不同質(zhì)量的模型在全船的分布情況。

除上述4項外，還包括Assembly Design、Core Material Definition、Reserve Status等統(tǒng)計功能。本文主要介紹如何使用Weight Definition功能進行模型的質(zhì)量重心定義和空船的質(zhì)量重心統(tǒng)計。

3 聲明質(zhì)量的模型

船舶設(shè)備和裝置(如錨設(shè)備、系泊設(shè)備、消防與救生設(shè)備等)、生活設(shè)備及工作用具、主副機械設(shè)備、船舶電氣設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備等一般都是向供貨商采購成熟的貨架產(chǎn)品或者由特定廠商專門定制，同時也由供貨方直接提供設(shè)備的質(zhì)量和重心數(shù)據(jù)。因此，這些設(shè)備的三維模型可歸類為聲明質(zhì)量的模型。

以某一具體設(shè)備為例，在該三維模型創(chuàng)建完成后，選擇B.I.Essentials命令的質(zhì)量定義功能，這時軟件主界面中的模型會顯示為紅色以表示當(dāng)前還未賦予質(zhì)量重心屬性。選擇“Click this hyperlink to declare a weight on this element”(聲明質(zhì)量)選項打開定義質(zhì)量重心屬性的表格窗口，填寫設(shè)備的質(zhì)量、重心等項的值，如圖2所示。再次說明，此表中應(yīng)填寫重心在局部坐標(biāo)系中的值，與設(shè)備模型在全船的裝配位置無關(guān)。關(guān)閉此窗口，此時主界面中的三維模型已顯示為藍色，說明該模型已成功定義了質(zhì)量、重心等屬性。

圖2 聲明質(zhì)量模型的質(zhì)量重心定義

4 計算質(zhì)量的模型

船體結(jié)構(gòu)、木作舾裝中的船體木作及金屬屬具、全船管路等一般都會選用特定的材料且材料組成較簡單，其質(zhì)量和重心可由材料密度和模型體積計算得出，這些模型可歸類為計算質(zhì)量的模型。

4.1 船體結(jié)構(gòu)

在應(yīng)用CATIA V6進行船體結(jié)構(gòu)建模之前需要建立結(jié)構(gòu)資源庫，包括資源數(shù)據(jù)配置和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建等兩大方面[12]。資源數(shù)據(jù)配置的其中一項工作就是配置材料表，用于定義設(shè)計所需的材質(zhì)、型材截面和板材厚度等。在結(jié)構(gòu)建庫完成之后，用戶可通過包含尺寸驅(qū)動和特征驅(qū)動的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，有效提取到結(jié)構(gòu)資源數(shù)據(jù)，完成三維建模。

CATIA V6的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式分為結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(Structure Function Design,SFD)和結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計(Structure Detail Design,SDD)。SFD主要用于方案設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)的SFD模型雖然具有材料、截面、厚度等屬性，但并不是實體模型。SFD模型可減少船體結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)快速修改，但不能直接用于質(zhì)量重心統(tǒng)計。SDD主要用于詳細設(shè)計階段，SDD模型為實體模型。若采用SFD形式創(chuàng)建船體結(jié)構(gòu)模型，則在統(tǒng)計質(zhì)量重心時需將其轉(zhuǎn)化為SDD模型，得到對應(yīng)的實體模型。

在船體結(jié)構(gòu)SDD模型創(chuàng)建完成(直接創(chuàng)建或由SFD模型轉(zhuǎn)化得到)后，選擇質(zhì)量定義功能，點擊“Click this hyperlink to compute the weight of this element”(計算質(zhì)量)選項，軟件會根據(jù)各部分選用材料的密度和對應(yīng)模型的體積自動計算其質(zhì)量及其重心位置。由于是通過計算得到的，表中的數(shù)據(jù)無法人為更改。此外，若表中Weight Maturity的值為100%或顯示界面中的三維模型全部變成綠色，則表明計算沒有遺漏。

4.2 全船管路

CATIA V6提供了從管路原理圖繪制到三維放樣的功能，可滿足輪機專業(yè)的三維設(shè)計需求。在開展具體項目的管路建模與布置工作之前，需由設(shè)計人員配置管路基礎(chǔ)資源庫，包括工程技術(shù)表、規(guī)格書和標(biāo)準(zhǔn)件庫[8，13]。

在管路布置時，首先需要修改資源管理文件使其指向正確的資源庫，然后在Piping &Tubing 3D Design模塊下確定管線的三維走向，選擇該管路的功能類，在庫中尋找相匹配的管路進行布放，生成三維管路模型。由于已經(jīng)在工程技術(shù)表中定義了管路選用材料的密度(或線密度)、截面類型與尺寸等，軟件可通過計算得到模型的質(zhì)量和重心。選中管路模型節(jié)點，與第4.1節(jié)相同，打開質(zhì)量重心計算窗口，即可計算得到管路模型的質(zhì)量和重心數(shù)據(jù)。

空船質(zhì)量一般還包括空船狀態(tài)下機械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)時所需的各種液體的質(zhì)量(如潤滑油、液壓油、冷卻水等質(zhì)量)。若需考慮管路中這些介質(zhì)的質(zhì)量，可通過人為換算將其計入管路的線密度值中，由設(shè)計人員在配置資源庫時進行設(shè)置或在建模時于模型的屬性列表中填寫。需要說明的是：在同時定義了管路線密度屬性和材料(即密度)的情況下，軟件將優(yōu)先采用線密度計算管路模型的質(zhì)量和重心。

4.3 其他模型

木作舾裝中的船體木作、金屬屬具及其他材料組成較為簡單的模型，都可由軟件自動計算其質(zhì)量重心。為此，需要設(shè)計人員在建模時賦予模型相應(yīng)的材料屬性，即通過Material Browser命令，在材料庫中選擇相應(yīng)的材料應(yīng)用到當(dāng)前的三維模型中。當(dāng)操作成功后，在模型的結(jié)構(gòu)樹上會增加Materials節(jié)點。成功賦予材料屬性的實體模型即可計算其質(zhì)量重心，具體操作過程與第4.1節(jié)相同，此處不再贅述。

5 全船質(zhì)量重心統(tǒng)計

在完成全船所有船體結(jié)構(gòu)、舾裝件、機電設(shè)備、管路等模型的創(chuàng)建、質(zhì)量重心聲明、材料屬性賦予等工作后，即可統(tǒng)計全船的質(zhì)量重心值。選中全船裝配節(jié)點，在質(zhì)量定義功能下，點擊計算質(zhì)量選項，打開質(zhì)量重心統(tǒng)計窗口，點擊左上角的Update按鈕，更新得到當(dāng)前狀態(tài)最新的全船質(zhì)量重心數(shù)據(jù)(見圖3)。此圖提供了全船模型的總質(zhì)量、重心在全船坐標(biāo)系中的位置、模型體積(未計入聲明質(zhì)量模型的體積)等相關(guān)數(shù)據(jù)。同時，還可以統(tǒng)計全船不同質(zhì)量類型模型的數(shù)量比重，包括聲明質(zhì)量的模型、計算質(zhì)量的模型、未定義質(zhì)量屬性的模型等，并用不同的顏色進行區(qū)分，可以有效避免漏項、直觀地顯示全船模型的質(zhì)量組成等。

圖3 全船質(zhì)量重心統(tǒng)計表

此外，可以點擊表格左上角的Publication按鈕導(dǎo)出Excel表格，得到詳細的數(shù)據(jù)并可對其進行后續(xù)處理。

如果在設(shè)計過程中由于設(shè)計變更調(diào)整了部分模型布置位置或更改了模型內(nèi)容、修改了模型的材料屬性或聲明質(zhì)量重心，只需重新打開全船模型的質(zhì)量重心統(tǒng)計表格并點擊Update按鈕，即可得到最新的全船質(zhì)量重心統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

6 結(jié) 語

基于CATIA V6三維設(shè)計模型，從船體結(jié)構(gòu)、船舶設(shè)備和裝置、管路等不同模型入手，詳細介紹了采用該軟件進行全船質(zhì)量重心統(tǒng)計的方法。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的二維圖填表方法完全依靠人工采集數(shù)據(jù)，需要多人同時獨立開展統(tǒng)計工作相互驗證以避免出現(xiàn)問題，一旦出現(xiàn)問題需逐項進行排查，工作效率低；對于外形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或管路等，只能大致獲取其重心數(shù)據(jù)，影響統(tǒng)計結(jié)果精確度；在處理大量數(shù)據(jù)時，容易漏項。本文介紹的基于CATIA V6三維設(shè)計模型的質(zhì)量重心統(tǒng)計方法只需在建模時增加各模型質(zhì)量重心的屬性定義操作，全船的統(tǒng)計結(jié)果由軟件自動計算，統(tǒng)計效率高；外形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或管路等模型的重心數(shù)據(jù)可根據(jù)其三維形狀和密度分布計算得出精確值，保證了統(tǒng)計結(jié)果的精確性；可通過Weight Definition功能進行檢查，直觀顯示全船模型質(zhì)量重心定義的完整度，不易漏項。因此，本文介紹的統(tǒng)計方法可提高設(shè)計效率、提升設(shè)計質(zhì)量。

然而，若采用本文介紹的方法，焊料、油漆、結(jié)構(gòu)建造誤差以及前文提及的變動載荷等均未能計入全船的質(zhì)量重心統(tǒng)計結(jié)果中。若需考慮這些質(zhì)量，可進行相應(yīng)的二次開發(fā)或者結(jié)合傳統(tǒng)的方法進行統(tǒng)計。