何麗絲，曹榮，王德禹

上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240

0 引 言

在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，近年來(lái)以UG NX、CATIA、FORAN 為代表的三維設(shè)計(jì)分析一體化軟件已經(jīng)在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用[1]。2018 年，法國(guó)海軍集團(tuán)（Naval Group）、達(dá)索（Dassault）公司和法國(guó)船級(jí)社（Bureau Veritas）聯(lián)合宣布，經(jīng)過(guò)三方合作，首次利用三維送審方法完成了1 艘軍用船舶的入級(jí)，這標(biāo)志著船舶三維設(shè)計(jì)應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入新時(shí)代[2]。

我國(guó)船舶設(shè)計(jì)單位和檢驗(yàn)單位經(jīng)常使用不同的三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，目前仍處于二維送審階段。針對(duì)模型有效轉(zhuǎn)換問(wèn)題，我國(guó)許多學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究。陳燕凡[3]和張衍勝[4]使用STEP標(biāo)準(zhǔn)，分別實(shí)現(xiàn)了基于PRO/E 或SolidWorks 軟件的船體型值描述，以及TRIBON 軟件和CATIA 軟件之間的數(shù)據(jù)交換；何勝?gòu)?qiáng)[5]對(duì)XML 格式進(jìn)行梳理，實(shí)現(xiàn)了TRIBON 系統(tǒng)向CATIA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞；李巖[6]探討了使用XML 文件導(dǎo)入不同三維設(shè)計(jì)軟件的技術(shù)方案，開(kāi)發(fā)了船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析軟件的接口；苗贊[7]開(kāi)發(fā)了CADDS5 和TRIBON 之間的模型轉(zhuǎn)化工具；徐思豪等[8]分析了CATIA V6平臺(tái)的自動(dòng)劃分網(wǎng)格機(jī)理，以加快CAD/CAE 一體化發(fā)展。上述工作都沒(méi)有涉及到面向送審的船舶設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)，僅限于探討不同設(shè)計(jì)平臺(tái)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化問(wèn)題。章志兵等[9]討論了在NX 上如何進(jìn)行面向送審的建模工作，但NX 生成的模型數(shù)據(jù)量較大[10]，設(shè)計(jì)三維模型需要用戶輸入大量信息[11]，模型轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)都不方便。

為此，我們擬基于對(duì)CAD 和CAE 系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)分析，提出面向送審的船舶結(jié)構(gòu)三維模型轉(zhuǎn)化的解決方案。采用XML 文件形式，給出一種簡(jiǎn)潔、完整、可擴(kuò)充的船體結(jié)構(gòu)三維模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，并通過(guò)二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)分析平臺(tái)的輸入接口，實(shí)現(xiàn)面向送審的三維設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換和分析模型生成。此外，將使用本研究提出的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案和相關(guān)接口，在CATIA 和Partarn 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)某實(shí)船艙段結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)重構(gòu)與分析模型生成，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)模型的規(guī)范計(jì)算和艙段強(qiáng)度分析，打通三維模型審圖全流程，驗(yàn)證面向送審的三維詳細(xì)設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)的可行性。

1 詳細(xì)設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型在不同階段會(huì)有不同的設(shè)計(jì)要求，本研究?jī)H討論提交給船級(jí)社審查的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型（后文簡(jiǎn)稱“送審模型”）所需要的結(jié)構(gòu)信息和數(shù)據(jù)要求。一般來(lái)說(shuō)，送審模型數(shù)據(jù)包含總體數(shù)據(jù)、材料特性和結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)3 部分，其中總體數(shù)據(jù)包含總體參數(shù)、艙室參數(shù)、坐標(biāo)系信息；材料特性為材料自身的數(shù)據(jù)定義；結(jié)構(gòu)模型則包含板架、型材和肘板等零件，各種類型的開(kāi)孔信息，以及零件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。本文通過(guò)以下數(shù)據(jù)記錄送審模型的相關(guān)信息。

1.1 總體數(shù)據(jù)

總體數(shù)據(jù)包括總體參數(shù)、艙室參數(shù)、坐標(biāo)系信息。

總體參數(shù)有垂線間長(zhǎng)（Lpp）、型寬（B）、型深（D）、結(jié)構(gòu)吃水（Tsc）、方形系數(shù)（CB）、載重量（DWT）、水線總長(zhǎng)（Lwl）、干舷船長(zhǎng)（Lll）。

艙室參數(shù)包括艙室類型（Type），例如干散貨艙、液貨艙、壓載水艙、燃油艙；艙室屬性主要包括起始肋位（Start）、終止肋位（End）、貨物質(zhì)量（MH），艙室的幾何信息主要包括艙頂垂向坐標(biāo)（Ztop）、艙室重心坐標(biāo)（XG/YG/ZG）、艙容（V）、貨艙長(zhǎng)度（LH）、貨艙寬度（BH）、艙口圍長(zhǎng)度（Lfs）、艙口圍寬度（Btop）。

坐標(biāo)系由X，Y，Z這3 個(gè)方向坐標(biāo)軸組成，需要表達(dá)各平面名稱及平面到原點(diǎn)的距離，即與絕對(duì)坐標(biāo)的距離，和局部坐標(biāo)的矢量關(guān)系。如圖1所示。其中關(guān)鍵字CoordSys 表示坐標(biāo)系，Origin表示絕對(duì)坐標(biāo)系，Waxis 和Uaxis 表示局部坐標(biāo)，即該構(gòu)件相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)系的矢量方向。

圖1 坐標(biāo)系數(shù)據(jù)信息的表達(dá)方式Fig. 1 Expression of the coordinate data information

1.2 材料特性

在定義模型屬性時(shí)，需要先定義材料特性。如圖2 所示，材料特性包括材料等級(jí)（Material Grade）、極限應(yīng)力（UltimateStress）、許用應(yīng)力（YieldStress）、泊松比（PoissonRatio）、楊氏模量（YoungsModulus）和密度（Density）等。

圖2 材料特性的表達(dá)方式Fig. 2 Expression of the material characteristics

1.3 結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)

1.3.1 板架數(shù)據(jù)信息

板架模型數(shù)據(jù)主要包含板架的定位面、屬性、邊界集、板縫集、子板集、筋集、開(kāi)孔等數(shù)據(jù)集信息。定位面即板架所在的平面位置，可以是坐標(biāo)系中的平面、絕對(duì)位置數(shù)據(jù)等實(shí)體曲面。

板架屬性數(shù)據(jù)包括板厚、材質(zhì)、零件類型、水密性、板厚方向、板架名稱以及ID 編號(hào)等數(shù)據(jù)。其中零件類型是船級(jí)社要求的關(guān)鍵屬性之一，例如甲板、內(nèi)底板、水密橫艙壁等信息。本研究與法國(guó)船級(jí)社共同探討，將船體零件類型進(jìn)行分類，如表1 所示，法國(guó)船級(jí)社的審圖軟件會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)接口獲取到零件類型屬性。

表1 板的分類Table 1 Classification of plates

邊界數(shù)據(jù)集即單塊板的邊界信息集合，是板與周邊結(jié)構(gòu)保持關(guān)聯(lián)關(guān)系的重要依據(jù)，邊界數(shù)據(jù)可以是坐標(biāo)系平面、幾何平面、曲線曲面以及板架等。根據(jù)邊界創(chuàng)建的先后順序，以Limit 為關(guān)鍵字，存儲(chǔ)邊界數(shù)據(jù)。

板縫數(shù)據(jù)集是單塊板架上板縫的數(shù)據(jù)集合。大板上通常會(huì)有數(shù)根交錯(cuò)的板縫，根據(jù)創(chuàng)建板縫的順序，以Seam 為關(guān)鍵字，存儲(chǔ)板縫數(shù)據(jù)。

子板數(shù)據(jù)集是單塊板架劃分板縫生成的子板數(shù)據(jù)集合。因此子板集中子板的數(shù)量取決于板縫的劃分。在沒(méi)有板縫的情況下，子板集中唯一的子板即是板架本身。子板數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，僅僅具有邊界數(shù)據(jù)和板厚材質(zhì)數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)繼承板架。

筋數(shù)據(jù)集是單塊板架上所有型鋼的數(shù)據(jù)集合。筋集僅僅表達(dá)了筋的零件號(hào)及其最基本的屬性，筋的詳細(xì)幾何信息和屬性信息會(huì)在型材的詳細(xì)數(shù)據(jù)中表達(dá)。該數(shù)據(jù)明確了板架上所包含的筋。在板上沒(méi)有型材的情況下，筋集可以為空。根據(jù)筋創(chuàng)建的先后順序，以Stiffener 為關(guān)鍵字，存儲(chǔ)筋的數(shù)據(jù)。

開(kāi)孔數(shù)據(jù)集是單塊板架上開(kāi)孔特征的數(shù)據(jù)集合。在板架上沒(méi)有開(kāi)孔的情況下，開(kāi)孔集可以為空。三維詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，創(chuàng)建開(kāi)孔的主要方法是運(yùn)用數(shù)據(jù)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)孔，例如HO600x400，R300。

本研究中數(shù)據(jù)文件單塊板架的數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 單塊板架的數(shù)據(jù)節(jié)選Fig. 3 Excerpt of single plate data information

1.3.2 型材數(shù)據(jù)信息

型材數(shù)據(jù)記錄型材的屬性、所在板架、定位信息（例如定位面或定位線、偏移量、軌跡線、安裝角度及方向）、端頭信息（例如兩個(gè)端頭元素、端頭連接形式）、端切幾何信息。

型材的屬性用于描述型材的類型、規(guī)格、材質(zhì)、名稱等屬性數(shù)據(jù)。圖4 中給出了某一型材的實(shí)例信息。

圖4 型材數(shù)據(jù)Fig. 4 Profile data information

型材的具體類型列表可根據(jù)船型情況，做針對(duì)性的規(guī)定。根據(jù)法國(guó)船級(jí)社審圖要求，本研究將常見(jiàn)的型材做如下分類，如表2 所示。

船體結(jié)構(gòu)中的型材不是單獨(dú)創(chuàng)建的，必須依附在板上，字條中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)板架信息。本文記錄的型材定位數(shù)據(jù)是型材的定位面或者定位線、偏移量、軌跡線、安裝角度及方向等幾何數(shù)據(jù)。型材的定位面一般以“plane”或“surface”或“curve”為基面進(jìn)行偏移?！?”表示偏移方向和定位面的矢量方向相同，“?”則相反。數(shù)據(jù)表達(dá)型材的安裝角度，分為2 種情況：垂直于板架或者平行于定位面。

是型材的端頭信息。主要包括2 個(gè)端頭元素、端頭連接形式及端切幾何信息。端頭元素不可以為空，可以是幾何元素，例如曲面、平面、線，亦可以是結(jié)構(gòu)對(duì)象，例如另一個(gè)型材、板。端頭連接形式分2 種，頂牢或者削斜。

端切的幾何信息有多種形式，可采用端切幾何編碼來(lái)表達(dá)幾何信息。行業(yè)尚未統(tǒng)一端切幾何編碼，但各大船廠都有固化的幾何編碼標(biāo)準(zhǔn)，用于定義模型。目前送審模型數(shù)據(jù)不需要定義具體的端切幾何形式，因此在送審的模型數(shù)據(jù)可不包含端切數(shù)據(jù)信息。

表2 型材的分類Table 2 Classification of the profiles

1.3.3 肘板數(shù)據(jù)信息

肘板本質(zhì)上也是一塊板，既包括板厚、材質(zhì)等基本屬性，也包含邊界信息。除此之外肘板數(shù)據(jù)還包括肘板類型、肘板安裝平面及偏移距離等信息。

肘板類型不同，所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)也不同，因此具體數(shù)據(jù)內(nèi)容根據(jù)肘板類型而定。不同類型的肘板所運(yùn)用的模板各不相同，但最終通過(guò)模板和參數(shù)的共同作用，得到肘板的輪廓線。例如，KL 類型的肘板，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)圖5 中的Geometry-Data 數(shù)據(jù)集進(jìn)行表達(dá)，OuterContourID 是輪廓幾何線的ID 編號(hào)，Limit1 是第1 個(gè)邊界條件，Limit2是第2 個(gè)邊界條件，Length1 和Length2 分別表示2 個(gè)邊長(zhǎng)，Scallop 表示角隅開(kāi)孔數(shù)據(jù)，Geometry-Data 的具體條目根據(jù)肘板類型而定，對(duì)于其他類型的肘板，可通過(guò)擴(kuò)充更多的數(shù)據(jù)條目來(lái)表述復(fù)雜的肘板。

圖5 肘板數(shù)據(jù)信息的表達(dá)方式Fig. 5 Expression of bracket data information

2 分析模型的數(shù)據(jù)

為實(shí)現(xiàn)面向三維送審模型的轉(zhuǎn)化，我們希望采用同一組數(shù)據(jù)信息，利用不同的接口讀取數(shù)據(jù)，能夠直接生成目標(biāo)結(jié)構(gòu)的有限元分析模型（后文簡(jiǎn)稱“分析模型”）。分析模型與送審模型的結(jié)構(gòu)信息和數(shù)據(jù)要求略有不同，需要對(duì)送審模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化/修補(bǔ)處理以滿足有限元模型的要求，例如消除圓角、刪除小筋、加強(qiáng)筋處理、刪除小孔、孔等效。由于本研究以打通數(shù)據(jù)交換為目的，送審船級(jí)社的分析模型僅僅用于粗網(wǎng)格的局部強(qiáng)度分析，故我們?cè)谠O(shè)計(jì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與有限元軟件之間的接口時(shí)，采用XML 格式作為中間文件，接口具有模型轉(zhuǎn)換及簡(jiǎn)化/修補(bǔ)模塊、劃分網(wǎng)格模塊、創(chuàng)建分組模塊等5 個(gè)功能，其中模型簡(jiǎn)化模塊為主要功能。

2.1 模型簡(jiǎn)化

2.1.1 針對(duì)孔的簡(jiǎn)化

刪除尺寸較小的構(gòu)件孔及穿越孔（小構(gòu)件孔以及穿越孔對(duì)于結(jié)果的影響比較小。如果保留這種小構(gòu)件孔，對(duì)于其周邊網(wǎng)格的質(zhì)量會(huì)造成很大的影響）。但是，尺寸在800 mm × 600 mm 以上的減輕孔，或舭部R角大于1 000 mm 的孔應(yīng)當(dāng)保留（圖6）。

圖6 刪除長(zhǎng)邊尺寸小于800 mm 的小孔Fig. 6 Deletion of holes with longitudinal dimension smaller than 800 mm

在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般會(huì)在孔的邊界與鄰近的強(qiáng)框架之間保持100～200 mm 距離，這里的強(qiáng)框架指的是板、筋等對(duì)船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響大的構(gòu)件。搜索與孔鄰近的強(qiáng)框架（如板架、筋），在孔與強(qiáng)框架的中間位置做適當(dāng)?shù)挠邢拊W(wǎng)格細(xì)化處理。

在對(duì)孔進(jìn)行簡(jiǎn)化后或有些無(wú)法按真實(shí)情況模擬的連續(xù)開(kāi)孔，其孔所屬板的面積會(huì)相應(yīng)增大（比如刪除連續(xù)小構(gòu)件孔）或減?。ㄖ苯觿h除一個(gè)網(wǎng)格單元作為開(kāi)孔信息）。在某些特殊要求下，需要按照開(kāi)孔面積除以整板面積的比例，適當(dāng)減少或增加板厚以保證板重量不變。

2.1.2 針對(duì)板的簡(jiǎn)化

1） 一邊圓角化的板。根據(jù)有限元簡(jiǎn)化原則和高質(zhì)量的網(wǎng)格需求，將一邊有圓角的板簡(jiǎn)化成一塊直板。圖7 給出了1 塊典型的帶圓角的板簡(jiǎn)化后的示意圖。2） T 型梁上的防傾肘板。將T 型梁上有斜度的防傾肘板簡(jiǎn)化成直板，畫成1 個(gè)網(wǎng)格單元，如圖8 所示。

圖7 帶圓角的板簡(jiǎn)化處理方式Fig. 7 Simplification of a plate with round corners

圖8 防傾肘板簡(jiǎn)化處理方式Fig. 8 Simplification of an anti-tipping knee plate

3） 肘板。肢端尺寸小于300 mm 的肘板可以刪除，若計(jì)算之后的強(qiáng)度校核不滿足，則細(xì)化網(wǎng)格加入該地方的肘板。相對(duì)的，尺寸大于300 mm的肘板數(shù)據(jù)保留在設(shè)計(jì)模型中。

2.1.3 針對(duì)型材的簡(jiǎn)化

1） 刪除小構(gòu)件筋。根據(jù)船舶有限元分析知識(shí)，小構(gòu)件筋對(duì)于結(jié)果的影響比較小，而且如果保留這種小構(gòu)件筋，對(duì)于其周邊網(wǎng)格的質(zhì)量會(huì)造成很大的影響（網(wǎng)格尺寸可能遠(yuǎn)大于小構(gòu)件筋尺寸，自動(dòng)網(wǎng)格劃分器很難保證在此處進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分），因此需要在分析模型中對(duì)其刪除，如圖9 所示。

圖9 小構(gòu)件筋的刪除Fig. 9 Deletion of the small dimension stiffener

2） 修補(bǔ)頂點(diǎn)不在強(qiáng)框架上的筋。

船舶有限元分析中，任何一個(gè)頂點(diǎn)不在強(qiáng)框架上的筋都可以認(rèn)為是對(duì)分析影響小的筋，如果保留這樣的筋，對(duì)其周邊網(wǎng)格的質(zhì)量會(huì)造成很大影響，因此可以考慮將其刪除。但是有些時(shí)候，考慮到后續(xù)建造需要，設(shè)計(jì)時(shí)在筋的頂點(diǎn)與幾何上連接的鄰近強(qiáng)框架之間留出一段距離以方便建造（如焊接）。這種筋就不能刪除，生成分析模型時(shí)需要將其自動(dòng)延伸到鄰近的強(qiáng)框架上，同時(shí)也保證了此處的應(yīng)力傳遞，如圖10 所示。

圖10 筋到鄰近強(qiáng)框架的延伸Fig. 10 Extension of stiffener to the adjacent main frame

2.1.4 板縫的處理

船舶設(shè)計(jì)時(shí)，通常都要求將“板縫”與強(qiáng)框架之間交接的地方預(yù)留距離差，目的是為了后期的制造工藝要求（焊接）以及基于可靠性考慮。直接在這種模型上劃分網(wǎng)格，將導(dǎo)致此板縫與強(qiáng)框架交接處出現(xiàn)很狹長(zhǎng)的四邊形單元，影響計(jì)算結(jié)果。生成分析模型時(shí)需要自動(dòng)將該板縫移動(dòng)至強(qiáng)框架交接處，以保證有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算精度，如圖11 所示。

圖11 移動(dòng)板縫至強(qiáng)框架交接處Fig. 11 Movement of seam to the main frame junction

以上所有的簡(jiǎn)化操作都是有限元接口軟件自動(dòng)完成，用戶可根據(jù)需要對(duì)軟件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可選擇是否刪除構(gòu)件或小于多少的尺寸需要?jiǎng)h除等，確保生成的有限元模型符合送審要求。

3 中間文件和接口

3.1 中間文件

要實(shí)現(xiàn)在不同平臺(tái)間的數(shù)據(jù)傳遞，還需借助中間文件對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)CAD/CAM 系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)傳遞多采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式，如IGES，STEP 等[12-13]。但這些數(shù)據(jù)格式過(guò)于復(fù)雜，可讀性和擴(kuò)展性較差。為此，本研究采用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML 格式對(duì)前文數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)?？蓴U(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言的子集）是一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)語(yǔ)言，使用一系列簡(jiǎn)單的標(biāo)記描述數(shù)據(jù)，而這些標(biāo)記方便建立。雖然可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言占用的空間比二進(jìn)制數(shù)據(jù)更多，但可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言極其簡(jiǎn)單,易于掌握和使用，這是我們選擇XML 格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的主要原因。

關(guān)于XML 格式表達(dá)船舶設(shè)計(jì)通用模型數(shù)據(jù)的形式可參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。需要說(shuō)明的是，由于本研究希望能實(shí)現(xiàn)同一數(shù)據(jù)文件在不同平臺(tái)的模型轉(zhuǎn)化，所以第2 章中所述的分析模型的簡(jiǎn)化處理均放入模型轉(zhuǎn)換的輸入接口中，則中間文件XML僅存儲(chǔ)設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)。即在重構(gòu)CAD 模型和轉(zhuǎn)化生成CAE 模型時(shí)使用同一個(gè)XML 文件，該文件中存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)模型信息，如外形信息、材料信息、板厚與型材朝向等，都會(huì)在對(duì)應(yīng)的軟件接口中讀取并繼承到重構(gòu)的CAD 模型和CAE 模型中。

3.2 模型參數(shù)的讀寫接口

存儲(chǔ)在XML 文件中的數(shù)據(jù)，需要對(duì)應(yīng)的接口才能被CAD 和CAE 軟件讀取和調(diào)用。采用如下功能模塊，對(duì)送審模型和分析模型進(jìn)行讀取。

1） 設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入接口。包括：板架類型參數(shù)讀寫模塊；板架支持面參數(shù)讀寫模塊；板厚、厚度偏移及厚度方向等參數(shù)讀寫模塊；板架和型材的材質(zhì)參數(shù)讀寫模塊；板架邊界參數(shù)讀寫模塊；型材類型參數(shù)讀寫模塊；型材支持面參數(shù)讀寫模塊；型材規(guī)格、錨點(diǎn)、生長(zhǎng)方法，球頭朝向等參數(shù)讀寫模塊；筋的端頭參數(shù)讀寫模塊；定義開(kāi)孔模塊；標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)孔參數(shù)讀寫模塊?；跀?shù)據(jù)接口讀取XML 文件中的數(shù)據(jù)，自動(dòng)構(gòu)建CAD 板架結(jié)構(gòu)，包括生成板，創(chuàng)建型鋼，生成開(kāi)孔等。

2） 分析模型導(dǎo)入接口。包括：模型轉(zhuǎn)換及簡(jiǎn)化/修補(bǔ)模塊；劃分網(wǎng)格模塊；創(chuàng)建分組模塊；創(chuàng)建屬性模塊；FEM 元素與幾何元素匹配模塊。

以CATIA 為例，運(yùn)用CAA 接口CATIStrUse-CategoryMngt->SetCategory()，即可定義零件類型信息；調(diào)用CATIStrUsePanelSurf 接口對(duì)板架支持面參數(shù)進(jìn)行讀寫；調(diào)用CATIStrUsePlateExtrusionMngt 接口進(jìn)行板厚、厚度偏移及厚度方向等參數(shù)讀寫；運(yùn)用接口CATIStrUseOpeningMngt 命令在板架上新建開(kāi)孔，再調(diào)用 CATIStrUseOpening3DObject->SetIntersectingElement()定義貫穿對(duì)象，即可實(shí)現(xiàn)批量開(kāi)孔等。

4 實(shí)例分析

按照以上的數(shù)據(jù)分析和格式說(shuō)明，我們整理了某船1 個(gè)艙段模型的數(shù)據(jù)，該艙段模型包含雙層底、雙舷側(cè)、甲板、艙壁、骨材以及開(kāi)孔信息和依附關(guān)系。整理的XML 文件部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖12 所示。

圖12 XML 文件部分?jǐn)?shù)據(jù)Fig. 12 Partial data in XML file

4.1 設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)入

使用3DE 軟件平臺(tái)上自帶接口讀入XML 文件，二次開(kāi)發(fā)重構(gòu)模型的接口軟件，交互界面如圖13 所示。

圖13 CATIA 二次開(kāi)發(fā)接口軟件交互界面Fig. 13 Secondary developed interface of CATIA software

交互界面中的功能信息說(shuō)明如下：

1） CreatePanels 功能框。功能按鈕CreatePanels用于將數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建為板材模型；選項(xiàng)框Limit-Panels 用于選擇模型處于船舶結(jié)構(gòu)中的布置方位，X表示相對(duì)平行于肋位Frame 方向，Y表示相對(duì)平行于縱骨longitudinal 方向，Z表示相對(duì)平行于甲板Deck 方向；功能按鈕LimitPanels 用于修正板材模型邊界拓?fù)潢P(guān)系；功能按鈕Create Opening用于為板材模型開(kāi)孔。

2） Create Stiffener 功能框。功能按鈕Create Stiffeners 用于將數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建為型材模型；功能按鈕Limit Stiffeners 用于修正型材模型邊界拓?fù)潢P(guān)系。

讀取模型信息重構(gòu)模型數(shù)據(jù)后生成CATIA 3DE 軟件內(nèi)的設(shè)計(jì)模型（SFD），模型的建立依靠輸入的接口軟件和少數(shù)的人工干預(yù)完成。重構(gòu)的模型如圖14 所示，該送審模型數(shù)據(jù)類型和原生船舶專用設(shè)計(jì)模塊生成的模型數(shù)據(jù)一致，可采用船體結(jié)構(gòu)解決方案進(jìn)行進(jìn)一步編輯。

圖14 重構(gòu)的“送審”模型Fig. 14 Reconstructed “inspection-oriented” model

4.2 分析模型轉(zhuǎn)入

在Patran 軟件上二次開(kāi)發(fā)XML 文件輸入的接口軟件，讀取模型信息，接口軟件的功能界面如圖15 所示。Import 為模型轉(zhuǎn)換及簡(jiǎn)化/修補(bǔ)模塊；Mesh 為劃分網(wǎng)格模塊；Group 為創(chuàng)建分組模塊；Material 為定義材料屬性模塊；Property 為創(chuàng)建單元屬性模塊；Refine 可對(duì)模型進(jìn)行細(xì)化。

圖15 接口軟件的功能界面Fig. 15 Functional interface of the connection software

模型的簡(jiǎn)化/修補(bǔ)處理是接口軟件的重要組成部分，以接口的人機(jī)互動(dòng)操作完成，避免出現(xiàn)“一刀切”的情況。按照2.2 節(jié)的內(nèi)容，進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換及簡(jiǎn)化/修補(bǔ)模塊的編譯工作，交互界面如圖16 所示。圖16 中第1 個(gè)對(duì)話框Arc/Hole 表示圓弧/孔的處理，包括生成圓弧的節(jié)點(diǎn)數(shù)，是否移除小孔，若移除小孔則移除長(zhǎng)邊尺寸為多大的孔等；第2 個(gè)對(duì)話框Plate 表示對(duì)板的操作，如是否移除尺寸較小的板，可選擇根據(jù)長(zhǎng)邊或面積的大小對(duì)板進(jìn)行刪除等；第3 個(gè)對(duì)話框Stiffener 表示對(duì)筋的操作，如是否移除尺寸較小的筋，可根據(jù)筋的尺寸大小來(lái)進(jìn)行篩選，是否延伸筋頂點(diǎn)至鄰近的強(qiáng)框架等；第4 個(gè)對(duì)話框Other 表示對(duì)板縫、小穿越孔等操作。

圖16 模型轉(zhuǎn)換及簡(jiǎn)化/修補(bǔ)模塊交互界面Fig. 16 Interface of model transformation and simplification/mending

其中板的開(kāi)孔是識(shí)別XML 文件中圓弧2 個(gè)頂點(diǎn)（或孔的圓心）和半徑進(jìn)行幾何線的生成，用戶自定義需要在圓弧上添加多少個(gè)點(diǎn)來(lái)模擬圓弧以離散圓弧/孔的幾何線。圖17 以半圓、添加3 個(gè)點(diǎn)為例來(lái)說(shuō)明圓弧/孔的生成方法。

圖17 有限元模型中圓弧/孔的生成方法Fig. 17 Generating method of the arc/hole in FEM model

由于有限元模型是離散的，所以不需要考慮構(gòu)件之間的連接關(guān)系，而是依靠XML 文件中的原始坐標(biāo)和局部坐標(biāo)位置來(lái)定義構(gòu)件的位置關(guān)系，筋模型是通過(guò)已生成的板模型單元邊界進(jìn)行生成的，軟件界面如圖18 所示，先劃分板單元，再生成梁?jiǎn)卧?。圖中對(duì)網(wǎng)格的控制暫時(shí)提供3 個(gè)參數(shù)：網(wǎng)格平均尺寸、網(wǎng)格最小尺寸及網(wǎng)格最大尺寸。

圖18 板、梁?jiǎn)卧膭澐諪ig. 18 Mesh generation for the shell and bar elements

提交給法國(guó)船級(jí)社BV 的有限元模型僅僅是用于局部強(qiáng)度計(jì)算的粗網(wǎng)格模型，生成的有限元模型如圖19 所示。

圖19 生成的有限元分析模型Fig. 19 Generated FE analysis model

在CATIA 3DE 軟件和Patran 軟件中重新生成的模型質(zhì)量和信息完整性都較好，在CATIA 3DE 上重構(gòu)的設(shè)計(jì)模型提交給法國(guó)船級(jí)社審查，是可以在審圖軟件上識(shí)別和進(jìn)行操作的。在Patran上生成的分析模型進(jìn)行加載和邊界條件設(shè)定，可以進(jìn)行局部強(qiáng)度分析計(jì)算。法國(guó)船級(jí)社基于三維模型無(wú)紙化審圖和退審工作，完成了部分規(guī)范校核、強(qiáng)度計(jì)算。船級(jí)社給出的審圖意見(jiàn)可在網(wǎng)站VPM 上登錄查看，與設(shè)計(jì)單位實(shí)時(shí)交互共享三維模型數(shù)據(jù)，是一種三維模型退審意見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方法。本研究截取了該艙段的退審意見(jiàn)，如圖20 所示。

圖20 法國(guó)船級(jí)社部分退審意見(jiàn)Fig. 20 Part of the review letter from the Bureau Veritas (BV)based on the 3D virtual model

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)面向送審的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)信息和特點(diǎn)進(jìn)行分析說(shuō)明，對(duì)分析模型的數(shù)據(jù)要求和簡(jiǎn)化處理進(jìn)行闡述，并介紹了中間文件格式和接口。采取XML 文件格式，整理了某船艙段模型的數(shù)據(jù)，對(duì)CATIA 3DE 軟件和Patran 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，完成了該艙段設(shè)計(jì)模型的重構(gòu)和分析模型的生成。

實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)模型的規(guī)范計(jì)算和艙段強(qiáng)度分析，打通了三維模型審圖全流程，驗(yàn)證了面向送審的三維詳細(xì)設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)可行性。三維審圖可以完全實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的紙質(zhì)/電子版圖紙審圖的功能和目標(biāo)。與傳統(tǒng)的審圖方式相比，設(shè)計(jì)者不需要提供紙質(zhì)/電子版圖紙，僅以三維模型為對(duì)象完成審圖。

該實(shí)例表明，利用XML 文件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)分析平臺(tái)的輸入接口，可以在不同平臺(tái)上完成模型的重構(gòu)和生成。XML 格式具有簡(jiǎn)單易用、便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)榇安煌脚_(tái)模型間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式提供一種新途徑。而利用XML 文件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)的輸入接口，也是實(shí)現(xiàn)面向送審的三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化一種新的嘗試。

利用本文所提出的XML 格式對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可以在不同平臺(tái)上完成模型的重構(gòu)和生成，實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)的模型轉(zhuǎn)換，達(dá)到減少設(shè)計(jì)人員重復(fù)勞動(dòng)的目的。當(dāng)然，模型質(zhì)量和重構(gòu)信息是否完整，也依賴于輸入接口編譯功能是否完整。但對(duì)于現(xiàn)在船舶行業(yè)三維送審模型轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，通用數(shù)據(jù)格式文件共享率更高，而且二次開(kāi)發(fā)的輸入軟件接口數(shù)量相對(duì)比專用軟件接口數(shù)量少。