李夢(mèng)偉

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

非常規(guī)FPSO的結(jié)構(gòu)形狀特殊，其并非常規(guī)船體形狀，而是呈圓筒形狀；圓筒狀FPSO較常規(guī)型FPSO更具經(jīng)濟(jì)性，具備更強(qiáng)的抗傾覆能力和甲板承載能力，更滿足于海上工作的深度要求，因此，圓筒狀FPSO更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值［1-3］。不過，由于其各層甲板與水平桁上骨材的布置不同于傳統(tǒng)船型橫骨架或縱骨架式的布置，主要呈輻射狀發(fā)散式分布，也進(jìn)一步加大了骨材定位的難度。如果按照傳統(tǒng)通用軟件的常規(guī)建模方法進(jìn)行建模，會(huì)無形中產(chǎn)生大量不必要的重復(fù)性工作，增加前期建模工作量，并且傳統(tǒng)建模軟件建立的模型，不能保證模型內(nèi)部板之間、骨材之間的關(guān)聯(lián)性及屬性可繼承性，既不利于前期建模，也加大了后期修改模型的難度及工作量。因此，非常規(guī)FPSO建模就不能拘泥于常規(guī)建模流程，而需要有針對(duì)性地建立一套高效的建模方法。

CATIA作為現(xiàn)有功能強(qiáng)大的可協(xié)同設(shè)計(jì)三維軟件，其結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)建模與常規(guī)的幾何三維設(shè)計(jì)建模的思路不同，其三維設(shè)計(jì)建模的過程實(shí)質(zhì)為特征化建模，用戶根據(jù)可視化的全船參考坐標(biāo)面集，將船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的板、筋等構(gòu)件的特征庫(kù)模型從單一的模型資源庫(kù)中調(diào)用出來，并設(shè)計(jì)布置其具體的形狀和位置。

目前，CATIA應(yīng)用于船舶領(lǐng)域仍處于初期，但也已經(jīng)取得一些研究成果，如：樓濤與包騰飛［4］基于CATIA二次開發(fā)的拱壩快速建模方法，通過讀取模型參數(shù)，自動(dòng)生成草圖與構(gòu)建實(shí)體，實(shí)現(xiàn)批量化建模，有效提高建模效率。龔丞等［5］提出一種基于CATIA的船體外板板架方法，簡(jiǎn)化重復(fù)性建模工作，可快速生成與修改外板板架，高效完成船體外板結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)。盧雨等［6］基于CATIA與CAD的二次開發(fā)，量取船體各型線型值轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)點(diǎn)，快速建立三維型線，生成船體曲面，實(shí)現(xiàn)船體快速建模。陶毅等［7］利用CATIA原生功能，提出合理的總體參照搭建方案和三維建模應(yīng)用方法。柳夢(mèng)源等［8］基于調(diào)用CATIA的建模模板，可通過修改預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行快速變換，實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)建貨艙區(qū)結(jié)構(gòu)模型。

前述研究成果對(duì)于船體結(jié)構(gòu)快速建模具有一定借鑒意義，但以上研究主要側(cè)重于利用CATIA完成傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而本文研究的非常規(guī)FPSO呈圓筒狀，結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)船型。因此，本文考慮從解決圓筒型FPSO骨材定位繁瑣，骨材結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性及屬性可繼承性等問題出發(fā)，基于CATIA平臺(tái)，提出一種運(yùn)用工程模板概念的快速建模方法。這種方法主要通過建立局部母體工程模板，可嚴(yán)格保證旋轉(zhuǎn)復(fù)制后板之間、骨材之間的關(guān)聯(lián)性及屬性可繼承性，從而減少不必要的重復(fù)性建模工作，可有效提高前期建模效率，同時(shí)降低后期模型修改難度及工作量。

1 傳統(tǒng)建模方法

針對(duì)本文提到的非常規(guī)FPSO圓筒模型，列出以下幾種軟件及其應(yīng)用的傳統(tǒng)建模方法。

1.1 通用軟件FEMAP、NAPA Designer

利用FEMAP軟件、NAPA Designer軟件來建立圓筒型FPSO模型，其建模方法主要是根據(jù)建模人員建模習(xí)慣，建立不確定量的部分結(jié)構(gòu)后，進(jìn)行一般性的旋轉(zhuǎn)復(fù)制完成圓筒FPSO模型建立。然而，這樣復(fù)制得到的結(jié)構(gòu)模型是不帶屬性的，需要再重復(fù)賦屬性的工作，建模工作量較大。并且，由于模型骨材之間互不關(guān)聯(lián)，若后期需要修改，則必須逐一進(jìn)行修改調(diào)整，因此后期修改的難度較高，工作量較大。

1.2 基于CATIA的直接旋轉(zhuǎn)SSY法

基于CATIA的3D EXPERIENCE平臺(tái)，比較直觀地可以采用直接旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)法（Structure System，SSY）建立圓筒型FPSO。所謂直接旋轉(zhuǎn)SSY法，其中SSY是指一個(gè)節(jié)點(diǎn)集，其包含了所需建立的模型；而直接旋轉(zhuǎn)SSY是指，將最先建立的SSY節(jié)點(diǎn)作為母體，復(fù)制建立多個(gè)SSY節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)需要，分別按相應(yīng)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，即完成另一部分圓筒模型建立，通過重復(fù)同樣步驟，可得到所需旋轉(zhuǎn)角度的多個(gè)SSY節(jié)點(diǎn)，然后將其統(tǒng)一放置于一個(gè)產(chǎn)品集下，即完成圓筒FPSO模型的建立。但這種方法的缺點(diǎn)在于，得到的每個(gè)SSY節(jié)點(diǎn)是各自獨(dú)立存在的，互不關(guān)聯(lián)，且由于多個(gè)SSY節(jié)點(diǎn)存在，模型容量會(huì)變得很大，同時(shí)會(huì)加大后期統(tǒng)計(jì)模型重量重心的難度。

2 基于CATIA的非常規(guī)FPSO快速建模方法

2.1 工程模板法

工程模板法思路是在指定的建模區(qū)域及約束范圍條件下，建立獨(dú)立的個(gè)體模型，然后將個(gè)體模型作為母體模板進(jìn)行批量調(diào)用，這種方法一般常運(yùn)用于建立類似如舾裝設(shè)備種類繁多的小樣模型中。

2.2 基于CATIA的非常規(guī)FPSO快速建模方法

2.2.1 基于CATIA的非常規(guī)FPSO快速建模方法依據(jù)

圓筒型FPSO的骨材數(shù)量眾多，且呈輻射發(fā)散狀，建模定位繁瑣，按照常規(guī)建模方法會(huì)產(chǎn)生較多如參考面定位、賦屬性等重復(fù)性工作，耗時(shí)費(fèi)力?；谇笆?.1節(jié)中工程模板法建立的個(gè)體模型具有獨(dú)立存在這一特點(diǎn)，同時(shí)考慮到圓筒型FPSO的各層結(jié)構(gòu)甲板、水平桁及輻射艙壁仍存在一定結(jié)構(gòu)對(duì)稱性；因此，這時(shí)依據(jù)工程模板法思路，建立局部結(jié)構(gòu)模型，將該部分模型作為母體模板，進(jìn)行批量旋轉(zhuǎn)復(fù)制，一方面可以減少建模的重復(fù)性工作，另一方面保證結(jié)構(gòu)骨材之間的關(guān)聯(lián)性，骨材屬性的可繼承性，進(jìn)而大大提高建模效率。

2.2.2 基于CATIA的非常規(guī)FPSO快速建模流程

在基于CATIA的3D EXPERIENCE平臺(tái)中，以圓筒型FPSO的主甲板為例，觀察到其存在一定的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，僅需建立主甲板的1/8作為母體模板。具體建模流程如下：

（1）建立定位參考面

直接調(diào)用事先外部參考面自動(dòng)生成小程序，輸入?yún)⒖济鎮(zhèn)€數(shù)及等分角度即可生成所需定位參考面，如圖1所示。

圖1 生成定位參考面

（2）繪制母體模板草圖

繪制1/8的甲板結(jié)構(gòu)草圖，并建立約束，其中注意骨材之間的約束必須嚴(yán)格介于0° ～ 45°的扇形區(qū)域內(nèi)，同時(shí)不能引用非公共部分進(jìn)行約束，這主要是為了確保批量旋轉(zhuǎn)復(fù)制后，甲板上的骨材能旋轉(zhuǎn)到正確的位置，同時(shí)保證骨材之間的關(guān)聯(lián)性。母體模板草圖如圖2所示。

（3）建立母體模板SFD模型

根據(jù)母體模板草圖及骨材尺寸信息，建立如下頁圖3所示的母體模板SFD模型，并將SFD模型、母體模板草圖及同一區(qū)域參考面整合到一個(gè)幾何文件集內(nèi)，方便下一步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制。

圖3 建立母體模板SFD模型

（4）母體模板的旋轉(zhuǎn)復(fù)制

復(fù)制母體模板的幾何文件集，根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)的角度，更換草圖區(qū)域中用于約束的起始參考面與終止參考面（如：旋轉(zhuǎn)45°，起始參考面由0°面更換為45°面，終止參考面由45°面更換為90°面），最好同樣替換SFD模型板的邊界，與前述參考面更換形式一致，即完成母體模板的旋轉(zhuǎn)復(fù)制過程。具體旋轉(zhuǎn)過程如圖4與圖5所示。

圖4 母體模板草圖的旋轉(zhuǎn)復(fù)制

圖5 母體模板SFD模型的旋轉(zhuǎn)復(fù)制

3 CATIA模型與通用軟件模型對(duì)比

3.1 快速建模法與直接旋轉(zhuǎn)SSY法的兩種圓筒模型對(duì)比

同樣是基于CATIA建立圓筒模型，對(duì)比圖6與圖7兩種方法建立的圓筒模型，可以發(fā)現(xiàn)：

圖6 直接旋轉(zhuǎn)SSY法建立的圓筒模型

（1）直接旋轉(zhuǎn)SSY法

雖然建立模型速度較快，但需要形成多個(gè)SSY節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致模型容量變大，且旋轉(zhuǎn)前后模型肉眼上板與板之間處于相互連接上的位置，但實(shí)際上相鄰部分互不關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致后續(xù)加大了對(duì)整體模型進(jìn)行重量重心統(tǒng)計(jì)的難度；當(dāng)需要修改模型時(shí)，也必須往復(fù)切換多個(gè)SSY節(jié)點(diǎn)，大大增加了不必要的工作量。

（2）快速建模法相比于直接旋轉(zhuǎn)SSY法，由于快速建模法建立的母體模板規(guī)則嚴(yán)格，旋轉(zhuǎn)后模型的骨材定位約束具有可繼承性，旋轉(zhuǎn)前后模型相鄰部分也具有關(guān)聯(lián)性，亦可方便后續(xù)一次性完成模型的重量重心統(tǒng)計(jì)工作，修改模型也只在一個(gè)SSY節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行，節(jié)省大量工作時(shí)間。

3.2 快速建模法圓筒模型與通用軟件圓筒模型對(duì)比

將基于CATIA快速建模法分別與FEMAP軟件、NAPA Designer軟件建立的圓筒模型進(jìn)行對(duì)比，參見圖7至下頁圖9，可以發(fā)現(xiàn)：

圖7 快速建模法建立的圓筒模型

圖9 NAPA Designer軟件建立的圓筒模型

（1）采用FEMAP軟件、NAPA Designer軟件建立的圓筒模型同樣主要通過旋轉(zhuǎn)復(fù)制完成模型建立，存在一定劣勢(shì)。一方面，旋轉(zhuǎn)復(fù)制后的骨材需要重新賦予屬性，重復(fù)性工作較多；另一方面，兩者建立的模型骨材之間不存在約束關(guān)聯(lián)，即當(dāng)骨材位置及尺寸發(fā)生變化需要修改時(shí)，相鄰骨材不能同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，需要逐一進(jìn)行修改或重新定位，修改工作量巨大。

（2）基于CATIA快速建模法的圓筒模型是以母體模板為基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)復(fù)制而成的，旋轉(zhuǎn)復(fù)制后相鄰板與板之間，結(jié)構(gòu)骨材之間都具有約束關(guān)聯(lián)性，并且板與骨材的屬性具有可繼承性；后期若需修改模型時(shí)，僅需修改要調(diào)整的骨材，其余部分會(huì)跟隨自動(dòng)調(diào)整，大大減少了前期建模工作量與后期修改工作量，降低了后期修改模型的難度。

圖8 FEMAP軟件建立的圓筒模型

4 結(jié) 論

通過本文基于CATIA的非常規(guī)FPSO快速建模方法研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）基于CATIA的快速建模法建立圓筒模型是可行的，且可減少不必要的重復(fù)性工作，節(jié)省大量前期建模時(shí)間；

（2）相較于直接旋轉(zhuǎn)SSY法，基于CATIA快速建模法建立的圓筒模型容量更小，方便進(jìn)行重量重心統(tǒng)計(jì)，可保證相鄰板與板之間的關(guān)聯(lián)性；

（3）相較于傳統(tǒng)通用軟件，基于CATIA快速建模法建立的圓筒模型，前期建模效率更高，且可保證旋轉(zhuǎn)復(fù)制后相鄰板、骨材之間的關(guān)聯(lián)性以及屬性的可繼承性，大大降低后期修改難度與工作量。