王 岳,何 磊,鄭斌華,潘建輝

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,鎮(zhèn)江212100)(2.上海東欣軟件工程有限公司,上海201203)

船舶分段吊裝作業(yè)是影響造船周期的關(guān)鍵要素之一．在對(duì)復(fù)雜分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝前,往往需要使用通用有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性校核．然而,由于CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))/CAE(計(jì)算機(jī)輔助分析)系統(tǒng)與通用有限元分析軟件之間缺乏有效接口,導(dǎo)致重復(fù)建模工作量大,且無(wú)法計(jì)及起吊過(guò)程中對(duì)纜繩、姿態(tài)等影響因素,導(dǎo)致分析計(jì)算效率低,校核準(zhǔn)確性有待提高[1]．

為此,文中以國(guó)產(chǎn)三維CAD系統(tǒng)SPD和動(dòng)態(tài)吊裝模擬分析軟件TSV-BLS為對(duì)象,研究模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)CAD/CAE異構(gòu)船體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)接口方案,擺脫對(duì)國(guó)外軟件系統(tǒng)的依賴[2]．

1 船體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的XML格式

1.1 XML語(yǔ)言與船體結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)

為避免數(shù)據(jù)的重復(fù)輸入,實(shí)現(xiàn)各CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換,先后出現(xiàn)了以igs文件為中間文件的IGES標(biāo)準(zhǔn)和以stp/step文件為中間文件的STEP標(biāo)準(zhǔn)[3-5]．但這些數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)在運(yùn)用于船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)往往解析速度過(guò)慢[6],而且由于以相對(duì)封閉的專有格式作為中間文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,使得對(duì)各CAD系統(tǒng)接口的開(kāi)發(fā)變得較為困難．尤其對(duì)于類似TSV-BLS這種專用CAE軟件來(lái)說(shuō),開(kāi)發(fā)這類標(biāo)準(zhǔn)接口是極為不方便的．

船舶CAD生產(chǎn)系統(tǒng)中與CAE有限元分析軟件密切相關(guān)的船體設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含了組成復(fù)雜船體模型的各種部件和零件．這些零件、部件或者構(gòu)件在船體數(shù)據(jù)庫(kù)中一般以各種板架、型材、孔、面板、肘板、補(bǔ)板等結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分類存放．船體結(jié)構(gòu)如圖1,可劃分為不同的總段和分段,分段可以劃分為平面板架、曲面板架,這樣逐級(jí)劃分下去,直到點(diǎn)、線元素的表達(dá)為止．這種分層逐級(jí)劃分的邏輯關(guān)系符合XML表達(dá)數(shù)據(jù)的方式．

圖1 船體結(jié)構(gòu)樹(shù)Fig.1 Hull structure tree

開(kāi)發(fā)XML接口是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)船體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)交換的一種合理解決方案．TSV-BLS具有直接讀取TRIBON Schema XML Hull Steel后置接口的功能,它能直接讀取TRIBON導(dǎo)出的XML格式．因此在開(kāi)發(fā)前置接口時(shí),可以主要參照TRIBON Schema XML Hull Steel進(jìn)行XML船體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出接口的設(shè)計(jì)[8]．

1.2 船體XML的根節(jié)點(diǎn)

船體XML根節(jié)點(diǎn)的元素名為Ship．它的二級(jí)節(jié)點(diǎn)包括Material、BarSection、HoleDef、NotchDef、Block[9]．

其中：Matrial代表船體材料的相關(guān)屬性;BarSection代表組成各類型材屬性;HoleDef代表各類開(kāi)孔屬性;NotchDef代表各類邊界孔屬性；Block節(jié)點(diǎn)代表分段,是船體XML格式中最為重要的一個(gè)節(jié)點(diǎn),包含了船體結(jié)構(gòu)全部數(shù)據(jù),幾乎所有下級(jí)節(jié)點(diǎn)均是在Block節(jié)點(diǎn)之下展開(kāi)的．Block節(jié)點(diǎn)主要由代表坐標(biāo)范圍的節(jié)點(diǎn)Extent、平面板架PlanePanel節(jié)點(diǎn)以及曲面板架CurvedPanel節(jié)點(diǎn)組成．

1.2.1 平面板模型構(gòu)建的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

SimpleContour和DetailedContour兩個(gè)XML節(jié)點(diǎn)包含了表達(dá)平面板結(jié)構(gòu)信息的主要數(shù)據(jù)．在XML表達(dá)上相同,但在含義上卻并不相同．DetailedContour是包含了內(nèi)孔、邊界孔及切口的板輪廓,SimpleContour則僅是板輪廓．這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)類似,都包含一個(gè)StartPoint節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)Segment節(jié)點(diǎn)．Segment節(jié)點(diǎn)下又包含Amplitude節(jié)點(diǎn)和Node節(jié)點(diǎn)．在平面板中其名稱分別為StartPoint2d、Segment2d、Amplitude2d和Node2d;在曲面板中其名稱分別為StartPoin3d、Segment3d、Amplitude3d和Node3d．

以平面板為例,SimpleContour或Detailedcontour中的StartPoint2d是起點(diǎn),這里假設(shè)為Node 1,則之后的Node2d依次假設(shè)為Node 2、Node 3、…、Node(n)．Amplitude2d的作用是在nodei、node (i+1)中間插入一個(gè)點(diǎn)(Node-insert),三點(diǎn)確定一段圓?。椒ㄊ且詎odei至node (i+1)直線的中點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),然后通過(guò)中點(diǎn)垂直到圓弧的向量確定Node-insert的位置．在程序設(shè)計(jì)時(shí),按照這種的樣條構(gòu)造方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換．在XML中表現(xiàn)的層級(jí)關(guān)系及對(duì)應(yīng)圖例如圖2．

圖2 SimpleContour和DetailContour的XML格式及對(duì)應(yīng)圖例Fig.2 SimpleContour and DetailContour in XML format and its corresponding drawing

1.2.2 曲面板模型構(gòu)建的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

曲面板中的節(jié)點(diǎn)StripRow代表一塊曲面板的曲面點(diǎn)陣,TSV-BLS系統(tǒng)讀取該節(jié)點(diǎn)后通過(guò)點(diǎn)陣擬合形成曲面．對(duì)四邊形、三邊形和五邊形曲面板的程序設(shè)計(jì)思路分為3種：① 四邊形曲面板，點(diǎn)陣FacetSurface中的StripRow從原點(diǎn)開(kāi)始可以按U軸或者V軸正方向依次排列開(kāi)來(lái),StripRow按V軸正方向排列,每個(gè)StripRow在V軸方向數(shù)值相同．如圖3,該四邊形曲面板Plate為17×17的曲面板,即由17個(gè)StripRow組成,每個(gè)StripRow包含17個(gè)Point點(diǎn)陣．StripRow按排列的先后順序設(shè)為StripRow 1、StripRow 2、…、StripRow 17,Point的U/V軸坐標(biāo)以遞增或遞減排列均可．② 三邊形曲面板，由于Nurbs是由U、V兩個(gè)參數(shù)方向定義的邊界曲線,有四條邊界．對(duì)于三條邊界的曲面只能將剩余的一邊退化為一點(diǎn)進(jìn)行處理．將三邊形曲面板也設(shè)為N×N的點(diǎn)陣,理論上三邊形或四邊形曲面板可以是任意N×N的點(diǎn)陣,但N的取值建議為16的倍數(shù)加1．如圖4，三邊形曲面為17×17的點(diǎn)陣,所有StripRow中的最后一個(gè)Point的坐標(biāo)相同且重合于一角點(diǎn)．③ 五邊形曲面板，將其分解為2個(gè)四邊形板,即2個(gè)N×N的點(diǎn)陣合并在一起,在XML格式中就顯示為[2(N-1)+1]×N的點(diǎn)陣．如圖5，五邊形曲面板為33×17的點(diǎn)陣．在最后一組StripRow角點(diǎn)處,實(shí)際按折邊處理,U軸數(shù)值在大幅下降后開(kāi)始平緩于5 450左右,該組StripRow即為折邊所在的點(diǎn)陣．

圖3 典型四邊形曲面點(diǎn)陣及其XML格式Fig.3 Typical quadrilateral curved surface dot matrix and its XML format

圖4 典型三邊形曲面點(diǎn)陣及其XML格式Fig.4 Typical trilateral curved surface dot matrix and its XML format

圖5 典型五邊形曲面點(diǎn)陣及其XML格式Fig.5 Typical pentagon curved surface dot matrix and its XML format

2 接口開(kāi)發(fā)過(guò)程中典型問(wèn)題及解決方案

2.1 平面板架一側(cè)型材或肘板丟失問(wèn)題

在SPD的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中板架節(jié)點(diǎn)是包含型材、肘板部分對(duì)稱或者部分鏡像信息的,而目前版本的TSV-BLS 64 3.2在讀取XML文件時(shí),其數(shù)據(jù)構(gòu)造在同一個(gè)板架下不支持型材和肘板部分對(duì)稱或者部分鏡像,這會(huì)導(dǎo)致生成的模型部分出現(xiàn)型材、肘板不能正確顯示的問(wèn)題．因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)型材和肘板的對(duì)稱性決定是否單獨(dú)拆分并重建成不同對(duì)稱性的板架節(jié)點(diǎn),以曲面板架為例,如圖6,導(dǎo)出XML文件后AG11分段曲面板上的曲面型材由于存在部分對(duì)稱的情況,因此由“AG11-SHELL-CStf”這個(gè)曲面板架節(jié)點(diǎn)拆分為了“AG11-SHELL-CStf-AsDefined”和“AG11-SHELL-CStf-Reflected”兩個(gè)曲面板架節(jié)點(diǎn)．程序修改后再導(dǎo)入TSV-BLS模型得以正常顯示,問(wèn)題解決前后情況對(duì)比如圖7．

圖6 根據(jù)對(duì)稱性重新構(gòu)造的XML板架節(jié)點(diǎn)Fig.6 Regrouped XML Panel nodes based on symmetry

圖7 AG11分段型材丟失與問(wèn)題解決Fig.7 Block AG11 profiles loss and problem solving

2.2 圓管支柱丟失問(wèn)題

SPD中圓管支柱的數(shù)據(jù)是屬于型材即節(jié)點(diǎn)StiffenerGroup之下的．而吊裝軟件中所有的圓管支柱,即PillarGroup節(jié)點(diǎn)只有屬于平面板架PlanePanel節(jié)點(diǎn)下級(jí)時(shí)才能在吊裝軟件中正常顯示,如果按照SPD的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)出XML節(jié)點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)丟失圓管支柱的情況．在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分為三步處理．第一步,把各分段所有圓管支柱篩選出來(lái);第二步,構(gòu)造PillarGroup節(jié)點(diǎn),并將篩選出來(lái)的圓管支柱添加其中;第三步,構(gòu)造新的PlanePanel節(jié)點(diǎn)并將PillarGroup節(jié)點(diǎn)添加其中．其程序?qū)崿F(xiàn)的部分代碼及其導(dǎo)出的部分XML格式如圖8．問(wèn)題解決前后情況對(duì)比如圖9．

圖8 部分添加PillarGroup節(jié)點(diǎn)的代碼及其導(dǎo)出的XML格式Fig.8 Part of codes for adding node ‘PillarGroup’ and its XML format outcomes

圖9 AG11分段支柱丟失與問(wèn)題解決Fig.9 Block AG11 pillars loss and problem solving

2.3 邊界孔丟失問(wèn)題

邊界孔是板與板之間共同拼接成的孔,在SPD中邊界孔歸類于孔,即相應(yīng)的XML節(jié)點(diǎn)HoleGroup．而TSV-BLS在讀取XML數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)把邊界孔歸類為板本身的樣條曲線,無(wú)法真實(shí)識(shí)別．程序設(shè)計(jì)時(shí),首先要判斷哪些板包含邊界孔,然后篩選出所有含邊界孔的板,最后重劃其板樣條曲線．重劃方法是將板的邊界孔裁剪后與剩余的板樣條曲線拼接形成新的板邊界曲線．以分段CB05為例,如果按照普通板處理就會(huì)出現(xiàn)只能顯示部分孔的問(wèn)題,問(wèn)題解決前后情況對(duì)比如圖10．圖中曲線不光滑為T(mén)SV-BLS顯示的問(wèn)題,不影響軟件實(shí)際使用．

圖10 CB05分段丟失與問(wèn)題解決Fig.10 Block CB05 borderline hole loss and problem solving

3 XML接口應(yīng)用實(shí)例

以SPD船體數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)源,開(kāi)發(fā)了一套船體XML數(shù)據(jù)抽取接口程序,主要分三步來(lái)實(shí)現(xiàn):第一步,從SPD船體數(shù)據(jù)庫(kù)按分段、總段提取船體模型數(shù)據(jù)及材料屬性等相關(guān)信息,將內(nèi)孔、邊界孔、型材等數(shù)據(jù)表達(dá)形式做映射,轉(zhuǎn)換為T(mén)RIBON的數(shù)據(jù)表達(dá)形式供吊裝軟件讀取;第二步,將所提取數(shù)據(jù)按照前文方案生成XML文件作為中間文件;第三步,向動(dòng)態(tài)吊裝分析軟件TSV-BLS導(dǎo)入XML文件,生成模型．

文中以號(hào)船1542A的HB01分段為例進(jìn)行驗(yàn)證,該分段在SPD V4.0三維瀏覽器中的模型以及導(dǎo)出XML文件后通過(guò)TSV-BLS 64 3.2導(dǎo)入生成的模型,對(duì)比情況如圖11．

圖11 分段HB01的SPD模型與TSV-BLS模型對(duì)比Fig.11 SPD model compared with TSV-BLS model of block HB01

通過(guò)接口生成的XML文件能夠使模型及屬性信息完整的在TSV-BLS中再現(xiàn)．在船舶CAD與CAE系統(tǒng)軟件之間,實(shí)現(xiàn)了船體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的快速完整交換．

4 結(jié)論

(1) 以XML文件為基礎(chǔ),開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)交換接口程序,實(shí)現(xiàn)了船體數(shù)據(jù)模型在TSV-BLS中的完整再現(xiàn).

(2) 接口開(kāi)發(fā)過(guò)程中,針對(duì)平面板架一側(cè)型材或肘板丟失、圓管支柱丟失、邊界孔丟失等問(wèn)題進(jìn)行方案設(shè)計(jì),使相關(guān)問(wèn)題得以解決.

(3) 所開(kāi)發(fā)的接口方案為CAE系統(tǒng)直接利用國(guó)產(chǎn)船舶CAD系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)提供了便利,對(duì)避免不必要的重復(fù)建模,提高生產(chǎn)效率及降低設(shè)計(jì)分析成本有著重要意義．