董海杰，渠繼東，葉效偉

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082；2.深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082)

0 引 言

船舶的質(zhì)量重心對(duì)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(chǎng)嚴(yán)格控制船舶質(zhì)量重心，還應(yīng)在各個(gè)設(shè)計(jì)階段開(kāi)展質(zhì)量重心的統(tǒng)計(jì)用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，船舶的初步設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)等過(guò)程基本依賴二維平面設(shè)計(jì)方法，質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)也主要采用平面圖填表的方法。

對(duì)于采用平面圖填表方法的質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)工作，業(yè)界已形成了較為固定、成熟的流程和模式，同時(shí)也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供參考。如在各設(shè)計(jì)階段對(duì)船舶進(jìn)行質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)時(shí)，可參考文獻(xiàn)[2]將載荷依次按類、節(jié)、組、項(xiàng)分類并繪制相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)表格，然后從二維布置圖中獲取各載荷項(xiàng)的重心數(shù)據(jù)，通過(guò)填表的方式開(kāi)展相應(yīng)工作。隨著新型船舶的功能越來(lái)越豐富、構(gòu)成越來(lái)越復(fù)雜、系統(tǒng)設(shè)備越來(lái)越多，這種完全依靠人工采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法不僅工作量巨大、數(shù)據(jù)極易出錯(cuò)(正負(fù)號(hào)寫反、小數(shù)點(diǎn)錯(cuò)位等)，而且容易漏項(xiàng)，對(duì)于設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)比較成熟的單位或團(tuán)隊(duì)仍難避免上述問(wèn)題，且一旦出現(xiàn)問(wèn)題，需要逐項(xiàng)排查，工作效率低[3]。此外，對(duì)于外形復(fù)雜的載荷項(xiàng)，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(jì)結(jié)果的精確度。

近年來(lái)，三維設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)并在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，使得基于三維設(shè)計(jì)模型的船舶質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)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(jìn)行質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)具有計(jì)算速度快、不易漏項(xiàng)、統(tǒng)計(jì)結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)一步節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)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(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、汽車制造、機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)模塊，可用于總、船、機(jī)、電等各個(gè)專業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)[8-9]。本文主要介紹在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中基于CATIA V6三維設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行空船質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)的方法。該方法有助于設(shè)計(jì)人員在利用CATIA V6軟件進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)時(shí)掌握船舶質(zhì)量重心信息，評(píng)估設(shè)計(jì)方案的合理性，提高設(shè)計(jì)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(xì)的船舶三維設(shè)計(jì)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(jì)模型一般只統(tǒng)計(jì)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(jī)電設(shè)備等3大部分[10-11]以及其重心。

要在CATIA V6上實(shí)現(xiàn)空船質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)，需在前期的建模過(guò)程中對(duì)三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)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(jì)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(jì)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(shí)，輸入的坐標(biāo)是相對(duì)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(huì)自動(dòng)根據(jù)安裝位置計(jì)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(jì)算質(zhì)量模型的數(shù)量；mi為第i個(gè)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(gè)方向上的坐標(biāo)；ρj和Vj分別為第j個(gè)計(jì)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(zhǎng)度)；xj、yj和zj分別為該計(jì)算質(zhì)量模型的重心在全船坐標(biāo)系中3個(gè)方向上的坐標(biāo)。

2 B.I. Essentials功能簡(jiǎn)介

如圖1所示，CATIA V6的B.I.Essentials命令提供了強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)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(jì)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?yàn)閠r 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(jì)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也可用來(lái)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(jì)，主要用于統(tǒng)計(jì)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(xiàng)外，還包括Assembly Design、Core Material Definition、Reserve Status等統(tǒng)計(jì)功能。本文主要介紹如何使用Weight Definition功能進(jìn)行模型的質(zhì)量重心定義和空船的質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)。

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(jī)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(gòu)成熟的貨架產(chǎn)品或者由特定廠商專門定制，同時(shí)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(shí)軟件主界面中的模型會(huì)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(xiàng)打開(kāi)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(xiàng)的值，如圖2所示。再次說(shuō)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(wú)關(guān)。關(guān)閉此窗口，此時(shí)主界面中的三維模型已顯示為藍(lán)色，說(shuō)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(jì)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(huì)選用特定的材料且材料組成較簡(jiǎn)單，其質(zhì)量和重心可由材料密度和模型體積計(jì)算得出，這些模型可歸類為計(jì)算質(zhì)量的模型。

4.1 船體結(jié)構(gòu)

在應(yīng)用CATIA V6進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)建模之前需要建立結(jié)構(gòu)資源庫(kù)，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(xiàng)工作就是配置材料表，用于定義設(shè)計(jì)所需的材質(zhì)、型材截面和板材厚度等。在結(jié)構(gòu)建庫(kù)完成之后，用戶可通過(guò)包含尺寸驅(qū)動(dòng)和特征驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)形式分為結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)(Structure Function Design,SFD)和結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)(Structure Detail Design,SDD)。SFD主要用于方案設(shè)計(jì)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(shí)體模型。SFD模型可減少船體結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)量，實(shí)現(xiàn)快速修改，但不能直接用于質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)。SDD主要用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，SDD模型為實(shí)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(jì)質(zhì)量重心時(shí)需將其轉(zhuǎn)化為SDD模型，得到對(duì)應(yīng)的實(shí)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(diǎn)擊“Click this hyperlink to compute the weight of this element”(計(jì)算質(zhì)量)選項(xiàng)，軟件會(huì)根據(jù)各部分選用材料的密度和對(duì)應(yīng)模型的體積自動(dòng)計(jì)算其質(zhì)量及其重心位置。由于是通過(guò)計(jì)算得到的，表中的數(shù)據(jù)無(wú)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(jì)算沒(méi)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(jī)專業(yè)的三維設(shè)計(jì)需求。在開(kāi)展具體項(xiàng)目的管路建模與布置工作之前，需由設(shè)計(jì)人員配置管路基礎(chǔ)資源庫(kù)，包括工程技術(shù)表、規(guī)格書和標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)[8，13]。

在管路布置時(shí)，首先需要修改資源管理文件使其指向正確的資源庫(kù)，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(kù)中尋找相匹配的管路進(jìn)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(guò)計(jì)算得到模型的質(zhì)量和重心。選中管路模型節(jié)點(diǎn)，與第4.1節(jié)相同，打開(kāi)質(zhì)量重心計(jì)算窗口，即可計(jì)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(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的各種液體的質(zhì)量(如潤(rùn)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(guò)人為換算將其計(jì)入管路的線密度值中，由設(shè)計(jì)人員在配置資源庫(kù)時(shí)進(jìn)行設(shè)置或在建模時(shí)于模型的屬性列表中填寫。需要說(shuō)明的是：在同時(shí)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(jì)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(jiǎn)單的模型，都可由軟件自動(dòng)計(jì)算其質(zhì)量重心。為此，需要設(shè)計(jì)人員在建模時(shí)賦予模型相應(yīng)的材料屬性，即通過(guò)Material Browser命令，在材料庫(kù)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(shù)上會(huì)增加Materials節(jié)點(diǎn)。成功賦予材料屬性的實(shí)體模型即可計(jì)算其質(zhì)量重心，具體操作過(guò)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(jì)

在完成全船所有船體結(jié)構(gòu)、舾裝件、機(jī)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(jì)全船的質(zhì)量重心值。選中全船裝配節(jié)點(diǎn)，在質(zhì)量定義功能下，點(diǎn)擊計(jì)算質(zhì)量選項(xiàng)，打開(kāi)質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)窗口，點(diǎn)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(jiàn)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(jì)入聲明質(zhì)量模型的體積)等相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)，還可以統(tǒng)計(jì)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(jì)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(jìn)行區(qū)分，可以有效避免漏項(xiàng)、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(jì)表

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

如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中由于設(shè)計(jì)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(kāi)全船模型的質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)表格并點(diǎn)擊Update按鈕，即可得到最新的全船質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于CATIA V6三維設(shè)計(jì)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(xì)介紹了采用該軟件進(jìn)行全船質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)的方法。

通過(guò)對(duì)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(shí)獨(dú)立開(kāi)展統(tǒng)計(jì)工作相互驗(yàn)證以避免出現(xiàn)問(wèn)題，一旦出現(xiàn)問(wèn)題需逐項(xiàng)進(jìn)行排查，工作效率低；對(duì)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(jì)結(jié)果精確度；在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，容易漏項(xiàng)。本文介紹的基于CATIA V6三維設(shè)計(jì)模型的質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)方法只需在建模時(shí)增加各模型質(zhì)量重心的屬性定義操作，全船的統(tǒng)計(jì)結(jié)果由軟件自動(dòng)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)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(jì)算得出精確值，保證了統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精確性；可通過(guò)Weight Definition功能進(jìn)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(xiàng)。因此，本文介紹的統(tǒng)計(jì)方法可提高設(shè)計(jì)效率、提升設(shè)計(jì)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(dòng)載荷等均未能計(jì)入全船的質(zhì)量重心統(tǒng)計(jì)結(jié)果中。若需考慮這些質(zhì)量，可進(jìn)行相應(yīng)的二次開(kāi)發(fā)或者結(jié)合傳統(tǒng)的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。