彭亞康，高明星，陳熠畫(huà)，徐思豪，吳兆年

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

在船舶制造業(yè)，國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)方和制造方還未構(gòu)建出實(shí)用化的三維設(shè)計(jì)體系，二維設(shè)計(jì)依然是船舶領(lǐng)域主要的設(shè)計(jì)手段。船舶是一個(gè)復(fù)雜的大型系統(tǒng)工程，船舶的線(xiàn)型復(fù)雜、構(gòu)件繁多、結(jié)構(gòu)尺寸各式各樣，以船舶結(jié)構(gòu)為例，船舶結(jié)構(gòu)擁有復(fù)雜多樣的各種形式的肘板、開(kāi)孔、貫穿孔等信息，這些信息使得建模工作量相當(dāng)大，而且船舶具有設(shè)計(jì)周期短、定制化程度高等特點(diǎn)，船舶三維設(shè)計(jì)成本居高不下，三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用受限。不管是從外部市場(chǎng)需求以及內(nèi)部設(shè)計(jì)優(yōu)化和提升的需求來(lái)看，三維設(shè)計(jì)是造船行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向，三維設(shè)計(jì)可以使目標(biāo)立體直觀(guān)化[1]的特點(diǎn)有利于船東和市場(chǎng)了解設(shè)計(jì)者方案，有利于設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)化與提升。CATIA在三維設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但考慮到船舶行業(yè)本身的特點(diǎn)，要想實(shí)現(xiàn)基于CATIA進(jìn)行船舶三維輔助設(shè)計(jì)需要方法論研究以及二次開(kāi)發(fā)的補(bǔ)充[2-3]。根據(jù)中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院對(duì)CATIA三維輔助二維設(shè)計(jì)方法的研究與應(yīng)用情況，提出基于CATIA的三維輔助設(shè)計(jì)思路，探討CATIA在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 基本思路

1.1 CATIA三維輔助設(shè)計(jì)基本內(nèi)容

船舶三維輔助設(shè)計(jì)思路見(jiàn)圖1。

圖1 基于CATIA的輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

在船舶設(shè)計(jì)伊始，先由總體專(zhuān)業(yè)確定船舶的三維骨架模型，使模型體現(xiàn)船東的需求、設(shè)計(jì)方案、艙室劃分、大型設(shè)備布置等信息，為技術(shù)設(shè)計(jì)做好鋪墊與接口，最重要的是確立一個(gè)協(xié)同依據(jù)。設(shè)計(jì)方可以依據(jù)骨架模型與船東進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的協(xié)商，從某種意義上來(lái)說(shuō)，骨架模型就等效于合同設(shè)計(jì)階段的方案總圖與設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)。

確定骨架模型之后，各專(zhuān)業(yè)進(jìn)入初步布置階段，總體專(zhuān)業(yè)進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分、防火區(qū)域劃分；通風(fēng)冷藏專(zhuān)業(yè)布置主要通風(fēng)管道；舾裝與輪機(jī)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行核心工作設(shè)備布置；在該階段，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)可以展開(kāi)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，布置主要桁材，大開(kāi)孔，骨材形式，包括確定中橫剖面，還可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)重量估算、水動(dòng)力網(wǎng)格劃分、輸出二維草圖；各專(zhuān)業(yè)對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的構(gòu)件進(jìn)行協(xié)調(diào)與確認(rèn)，避免設(shè)備、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，避免后期較大的改動(dòng)。

經(jīng)各專(zhuān)業(yè)的協(xié)調(diào)確定布置模型之后便可啟動(dòng)二維詳細(xì)設(shè)計(jì)，此時(shí)，各專(zhuān)業(yè)相對(duì)獨(dú)立地在本領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。各專(zhuān)業(yè)之間經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化迭代，最終確定目標(biāo)船的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案[4]。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有任務(wù)量大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、耗時(shí)耗力等特點(diǎn)，各專(zhuān)業(yè)都需要在船體結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率對(duì)整個(gè)船舶設(shè)計(jì)有著重要意義。

1.2 輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

三維模型是一個(gè)信息高度復(fù)合的對(duì)象，盡管包含了豐富的設(shè)計(jì)信息卻并不具備工程意義上的直觀(guān)性，在利用CATIA進(jìn)行船舶三維建模時(shí)，首先需要對(duì)設(shè)計(jì)信息進(jìn)行分層梳理，具體流程如下。

1)由總體專(zhuān)業(yè)構(gòu)建骨架模型。骨架模型是一個(gè)幾何模型，可以作為結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的定位信息。

2)各專(zhuān)業(yè)根據(jù)骨架模型構(gòu)建各專(zhuān)業(yè)的全船基本布置模型?；静贾媚Ｐ屠每臻g點(diǎn)、線(xiàn)信息作為一個(gè)抽象的布置示意，起到定位形狀信息的作用。例如結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)以大梁、縱向連續(xù)的骨材跡線(xiàn)、板縫布置等信息繪制基本結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在此階段建立重量預(yù)估模型、水動(dòng)力網(wǎng)格模型以及強(qiáng)框間距的振動(dòng)有限元計(jì)算模型。

3)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)依據(jù)一定規(guī)則對(duì)全船進(jìn)行區(qū)域劃分，并在基本布置模型的基礎(chǔ)上建立詳細(xì)的艙段模型，此模型可用來(lái)劃分骨材間距的有限元模型。在此階段可通過(guò)CATIA的出圖功能輔助結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的二維設(shè)計(jì)。

4)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)將其他專(zhuān)業(yè)需要的背景用統(tǒng)一屬性的線(xiàn)框模型在模型中予以表現(xiàn)，其他專(zhuān)業(yè)即可將這些線(xiàn)框直接引用至各自模型中進(jìn)行協(xié)調(diào)性的修改，形成協(xié)同修改的能力。

以上建模流程與設(shè)計(jì)思路相統(tǒng)一，滿(mǎn)足并行協(xié)同的要求?？梢钥闯銮皟刹绞乔捌谌S設(shè)計(jì)，第三步是建模過(guò)程，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在基本布置模型的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行重量預(yù)估、水動(dòng)力網(wǎng)格劃分、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分、輔助二維出圖等輔助設(shè)計(jì)工作。

2 前期重量預(yù)估

船體的重量重心是船舶設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，船舶前期設(shè)計(jì)階段就需要較為準(zhǔn)確的預(yù)估船體重量，船體重量預(yù)估的準(zhǔn)確程度直接影響到船舶設(shè)計(jì)的質(zhì)量。通常以列表格清單的形式來(lái)初步預(yù)估船體每一結(jié)構(gòu)件的重量，最后匯總得到船舶的重量與重心位置。這種表格清單預(yù)估船舶重量重心的方法雖然能夠初步預(yù)估船舶重量重心位置，但構(gòu)件不直觀(guān)，校對(duì)審核困難。

本文基于CATIA在船舶設(shè)計(jì)前期階段的骨架模型和初步布置模型基礎(chǔ)上快速建立起重量重心預(yù)估三維模型，根據(jù)此模型分析船舶的重量重心位置、板材清單、骨材清單等信息。

2.1 建模要點(diǎn)

在前期設(shè)計(jì)階段對(duì)船體重量進(jìn)行預(yù)估時(shí)要求過(guò)程快速且結(jié)果準(zhǔn)確，這樣就必須對(duì)三維建模過(guò)程進(jìn)行一些必要的簡(jiǎn)化，且簡(jiǎn)化過(guò)程不能影響最終結(jié)果。

重量重心預(yù)估模型只需在骨架模型和全船初步布置模型的基礎(chǔ)上對(duì)各板材、筋、大開(kāi)孔進(jìn)行賦屬性即可。為了提高效率，建模時(shí)忽略肘板和小型開(kāi)孔，肘板和小型開(kāi)孔可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)附加一個(gè)余量系數(shù)，所有的大梁都以筋的形式建模。需要注意的是在對(duì)重量重心進(jìn)行預(yù)估之前應(yīng)該對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)以避免重量高估。

2.2 某型船重量預(yù)估實(shí)例分析

某型船重量重心預(yù)估模型見(jiàn)圖2，剖視圖見(jiàn)圖3。

圖2 重量重心預(yù)估模型

圖3 重量重心預(yù)估模型剖視圖

針對(duì)重量重心預(yù)估模型，可以根據(jù)需要對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重量、重心位置的預(yù)估，CATIA可以報(bào)表的形式輸出結(jié)構(gòu)重量重心，其中全船重量、重心位置見(jiàn)表1。

表1詳細(xì)給出了結(jié)構(gòu)重量、重心位置以及各板厚、材料的詳細(xì)清單等信息，此類(lèi)清單信息便于設(shè)計(jì)者與各方進(jìn)行交流。

在前期設(shè)計(jì)階段，采用CATIA建立重量重心模型預(yù)估船體結(jié)構(gòu)重量重心存優(yōu)勢(shì)如下：①準(zhǔn)確度高且能直觀(guān)地核查結(jié)果；②報(bào)表信息齊全，有利于競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)；③相比傳統(tǒng)的列表格預(yù)估重量的方法，在骨架模型和初步布置模型的基礎(chǔ)上建立三維模型的效率較高。

3 輔助二維設(shè)計(jì)

船體結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)常常需要繪制外板展開(kāi)圖并與肋骨型線(xiàn)配合來(lái)確定外板接縫和外板縱骨位置[5]，CATIA在骨架模型和基本結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上能夠高效繪制外板展開(kāi)圖。以某型船為例，利用CATIA繪制外板展開(kāi)圖(見(jiàn)圖4a))，CATIA生成的外板展開(kāi)圖包含線(xiàn)型信息、板縫信息、構(gòu)件尺寸等信息，經(jīng)在CAD中對(duì)格式再做一輪調(diào)整即可作為正式送審圖。

船體結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在繪制詳細(xì)圖紙時(shí)，往往是在船體外板二維剖面的基礎(chǔ)上進(jìn)行作業(yè)，借助CATIA能夠相當(dāng)高效地繪制船體外板的二維剖面圖，只需設(shè)置剖切面的位置并進(jìn)行投影即可。圖4b)即為船殼的剖面圖，此圖完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。在詳細(xì)設(shè)計(jì)之前，船體結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)往往需要搭建眾多主要結(jié)構(gòu)的框架，比如在繪制橫剖面詳細(xì)圖紙時(shí)就需要事先繪制好外板、平臺(tái)、縱向艙壁等等的剖切圖，這項(xiàng)工作需要耗費(fèi)設(shè)計(jì)者很多的精力與時(shí)間，而在三維骨架模型和基本結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，借助CATIA能夠很輕松輸出二維框架圖紙作為詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。以一型船為例，利用CATIA輸出橫向二維框架圖紙(見(jiàn)圖4c))，此圖滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求并且出圖效率十分高效。

圖4 輔助船體詳細(xì)設(shè)計(jì)案例

CATIA三維輔助二維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)不僅僅體現(xiàn)在出圖方面，三維模型還能增加設(shè)計(jì)人員的空間概念。一般來(lái)說(shuō)，有著豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員具有空間的概念，即便面對(duì)二維圖紙也能在大腦中形成三維場(chǎng)景。而尚缺經(jīng)驗(yàn)的年輕設(shè)計(jì)人員常常沒(méi)有實(shí)船的空間概念，這樣很容易導(dǎo)致考慮不全面，出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理的情況。三維模型可以幫助設(shè)計(jì)人員建立很好的空間概念，使設(shè)計(jì)人員可根據(jù)三維模型了解設(shè)計(jì)所需的環(huán)境條件。

4 水動(dòng)力網(wǎng)格

對(duì)于某些條件不滿(mǎn)足規(guī)范或者規(guī)范強(qiáng)制要求預(yù)報(bào)波浪載荷的船型，需要?jiǎng)澐执w的水動(dòng)力外殼。在計(jì)算波浪載荷時(shí)，水動(dòng)力網(wǎng)格?？捎眯椭递斎牖蛘哂邢拊Ｐ蛯?dǎo)入兩種途徑獲得，型值輸入生成的網(wǎng)格很難模擬附體以及線(xiàn)型變化很大的船體部分且無(wú)法控制水線(xiàn)附近的網(wǎng)格，采用有限元軟件例如PATRAN、GeniE等建立有限元模型時(shí)面臨著船體外殼離散帶來(lái)的建模困難和網(wǎng)格不好控制的難題。采用CATIA劃分水動(dòng)力網(wǎng)格的方法能夠解決上述問(wèn)題且效率十分高效。

針對(duì)某型船，采用CATIA建立三維水動(dòng)力船體外殼模型見(jiàn)圖5。在進(jìn)行水動(dòng)力網(wǎng)格三維建模時(shí)，在骨架模型的基礎(chǔ)上對(duì)船體外殼離散的面片進(jìn)行合并操作，再利用CATIA的坐標(biāo)系求交生成硬線(xiàn)，硬線(xiàn)主要目的是控制水動(dòng)力網(wǎng)格，除此之外在水線(xiàn)處建立硬線(xiàn)來(lái)控制水線(xiàn)處的網(wǎng)格質(zhì)量，最終進(jìn)行網(wǎng)格劃分即可得到圖6所示的水動(dòng)力計(jì)算網(wǎng)格。

圖5 外殼三維模型

圖6 水動(dòng)力網(wǎng)格

圖6中外殼內(nèi)的線(xiàn)條為人為設(shè)置的網(wǎng)格控制硬線(xiàn)，可通過(guò)在各水線(xiàn)處設(shè)置硬線(xiàn)控制水線(xiàn)處的網(wǎng)格質(zhì)量，有利于水線(xiàn)處的積分計(jì)算。此方法存在的優(yōu)勢(shì)為：①效率高，約30 min即可得到一個(gè)完美的水動(dòng)力網(wǎng)格；②水動(dòng)力網(wǎng)格質(zhì)量好且精確，能夠精確且高效地劃分附體、球鼻首以及尾部等線(xiàn)型變化很大的區(qū)域。

5 有限元建模

自從HCSR生效之后，油船、散貨船每一個(gè)貨艙段都需要進(jìn)行有限元艙段計(jì)算分析[6]，超過(guò)280 m的大型集裝箱船需要進(jìn)行全船有限元分析[7]。提高有限元建模效率就能極大地縮短結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期，節(jié)省大量的人力。經(jīng)過(guò)十幾艘船的有限元建模實(shí)踐，提出采用CATIA劃分有限元的方法能極大地提高有限元建模效率，相比通用的有限元建模軟件，在越是復(fù)雜、線(xiàn)型變化越大的區(qū)域，CATIA的效率越高效，甚至可以成倍提高建模效率。

除了提高效率之外，CATIA內(nèi)部嚴(yán)格的拓?fù)?、邏輯關(guān)系十分有利于模型的修改。在船體設(shè)計(jì)階段有時(shí)候會(huì)面臨結(jié)構(gòu)形式改變而被迫修改有限元模型的情況，比如艙室劃分變化、平臺(tái)提升、線(xiàn)型改變等情形，這些改變一旦出現(xiàn)，在PATRAN、FEMAP等有限元軟件內(nèi)修改模型將十分麻煩，而CATIA可在很短時(shí)間內(nèi)解決問(wèn)題。

5.1 建模要點(diǎn)

基于CATIA有限元建模的方法要點(diǎn)主要是簡(jiǎn)化模型、局部去協(xié)同化、網(wǎng)格優(yōu)化以及輸出修繕。

目前CATIA還無(wú)法針對(duì)有限元網(wǎng)格模型的需求進(jìn)行自適應(yīng)簡(jiǎn)化，雖然生成有限元的幾何模型與實(shí)際幾何模型在力學(xué)性能上相同，但在局部的細(xì)節(jié)上依然存在很大的差異。需要結(jié)合簡(jiǎn)化原則進(jìn)行針對(duì)性的建模。

局部去協(xié)同化主要指船殼的去協(xié)同化。在前期設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，船殼線(xiàn)型經(jīng)常會(huì)進(jìn)行局部更新。在CATIA三維模型中，船殼作為所有構(gòu)件的最底層的外部邊界，船殼更新將會(huì)帶來(lái)全船結(jié)構(gòu)的更新。而每一次更新都有可能導(dǎo)致局部的結(jié)構(gòu)對(duì)象錯(cuò)誤，這將需要會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間去修復(fù)全船結(jié)構(gòu)。在更新前應(yīng)當(dāng)確認(rèn)船殼更新是否會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)計(jì)算，再判斷是否進(jìn)行曲面更新?？傊谟邢拊＿^(guò)程中應(yīng)盡可能規(guī)避協(xié)同導(dǎo)致的冗余迭代。

網(wǎng)格優(yōu)化是指在結(jié)構(gòu)建模過(guò)程中人為的設(shè)置硬線(xiàn)硬點(diǎn)來(lái)控制網(wǎng)格的質(zhì)量，以便生成更符合計(jì)算需求的網(wǎng)格劃分區(qū)域。人為設(shè)置硬點(diǎn)硬線(xiàn)的方法有很多，例如可以在三維模型中增設(shè)特殊屬性的假想板和假想筋，且這些單元可根據(jù)其特殊屬性進(jìn)行分組刪除。

目前CATIA輸出骨材間距的有限元網(wǎng)格很難一次性能達(dá)到有限元直接計(jì)算的要求，這其中既存在人為的因素也存在軟件自身的因素。在實(shí)用過(guò)程中，CATIA保證了大部分的網(wǎng)格主體能夠被快速劃分，并輸出網(wǎng)格文件。輸出修繕指的是結(jié)合專(zhuān)業(yè)有限元軟件局部修繕模型，例如影響網(wǎng)格質(zhì)量的小開(kāi)孔、局部板縫線(xiàn)等局部信息可不在CATIA中進(jìn)行建模，這些局部細(xì)節(jié)可在PATRAN、FEMAP、GeniE等專(zhuān)業(yè)有限元軟件中進(jìn)行修繕。CATIA在主構(gòu)件高效與協(xié)同建模方面可與專(zhuān)業(yè)有限元軟件在局部細(xì)節(jié)處網(wǎng)格處理優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

5.2 案例分析

CATIA僅提供了建模平臺(tái)，但建模的方法各式各樣。相比于PATARAN、FEMAP、GeniE等常用有限元前處理軟件，在正確使用CATIA的情況下，對(duì)于越是復(fù)雜、線(xiàn)型變化越劇烈的區(qū)域，CATIA的建模效率越是高效，建模案例見(jiàn)圖7。對(duì)于含有線(xiàn)型變化的艙段來(lái)說(shuō)，在同等網(wǎng)格質(zhì)量的情形下，采用CATIA的有限元網(wǎng)格劃分方式所花費(fèi)的時(shí)間成本只有采用PATRAN劃分有限元網(wǎng)格方法的60%左右，可有效地提高建模效率。

圖7 有限元建模案例

6 結(jié)論

1)提出基于CATIA三維輔助二維設(shè)計(jì)流程思路與流程，實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，提高船舶設(shè)計(jì)效率。

2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初級(jí)階段，基于骨架模型和初始布置模型搭建的三維結(jié)構(gòu)模型，能夠迅速且準(zhǔn)確地預(yù)估出船舶重量和重心位置，便于指導(dǎo)船舶重量控制；基于此模型可以快速導(dǎo)出復(fù)雜的二維圖，如外板展開(kāi)圖、橫向框架圖等，可以更好地輔助二維詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3)基于CATIA人為設(shè)置硬線(xiàn)控制外殼網(wǎng)格的策略，能夠保證外殼離散網(wǎng)格的質(zhì)量，可有效解決其他軟件外殼建模困難及網(wǎng)格不易控制的難題。

4)歸納了CATIA高效結(jié)構(gòu)建模的要點(diǎn)。實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)模型越復(fù)雜，CATIA建模效率越高。