邱鵬，史文杰

（武警海警學(xué)院 機(jī)電管理系, 浙江 寧波 315801）

0 引言

隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的發(fā)展，以及地方海運(yùn)事業(yè)的推進(jìn)，船舶工程領(lǐng)域一直是重工業(yè)發(fā)展的必備板塊，隨之而來的是對船舶設(shè)計(jì)及制造業(yè)的技術(shù)需求。但是，目前我國的船舶工業(yè)領(lǐng)域的智能化設(shè)計(jì)與制作相對于其他造船大國而言，就明顯存在弱勢，因此要想扭轉(zhuǎn)這種局面，達(dá)到船舶產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，加快信息化建設(shè)水平，從而減少船舶設(shè)計(jì)及生產(chǎn)成本，就必須要注重研究船舶設(shè)計(jì)及性能的高水平研究[1]。而船體三維模型對船舶的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造及后期的性能研究都是起著關(guān)鍵性的作用，如何建立準(zhǔn)確的三維模型，就顯得尤為重要。而船舶的型線是光順、不規(guī)則的，同時(shí)其表面是曲面的，因此三維模型的精準(zhǔn)、高效建立一直以來都是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，目前船體的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)逐步向科技化、數(shù)字化發(fā)展，以前的人工樣條放樣方式顯然有些落后，先進(jìn)、智能化的三維軟件在設(shè)計(jì)者的需求中不斷脫穎而出，例如SolidWorks、Pro/E、CATIA、CADDS5等設(shè)計(jì)與計(jì)算軟件都逐步用于船舶設(shè)計(jì)和計(jì)算，大幅度地提高了船舶工作者的工作效率[2]。三維軟件的應(yīng)用，讓船體的設(shè)計(jì)效果由傳統(tǒng)的二維圖樣轉(zhuǎn)向了三維實(shí)體，由平面概率轉(zhuǎn)向了立體思維，表達(dá)形式上更加生動(dòng)、具體，與此同時(shí)，船體的設(shè)計(jì)與計(jì)算也由二維積分變換為三維數(shù)據(jù)的直接讀取，讓船舶的研究變得準(zhǔn)確與高效。但在船舶的建模及各種性能的計(jì)算過程中，還是需要花費(fèi)大量的精力進(jìn)行繁瑣、重復(fù)的輸入和計(jì)算，一定程度上增加了人力成本，因此要想在船舶設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域搶占主動(dòng)權(quán)，就必須實(shí)現(xiàn)船舶研究領(lǐng)域的高度自動(dòng)化、智能化的水平。

目前，海軍大連艦艇學(xué)院的萬林等[3]基于Pro/E三維軟件開展了船體三維模型的建立，重點(diǎn)從建立站面、繪制曲線，草繪站面、質(zhì)量判斷等方面介紹了船體模型的操作步驟；彭勤學(xué)等[4]采用SolidWorks軟件對曲面的設(shè)計(jì)及繪制做了介紹，體現(xiàn)了該三維軟件在曲面繪制方面的強(qiáng)大技術(shù)；大連海事大學(xué)的盧雨等[5]采用VB語言對CAD進(jìn)行了二次開發(fā)，目的是快速地對CAD中的型線點(diǎn)值進(jìn)行讀取，從而在CATIA中進(jìn)行曲面的繪制，該論文的創(chuàng)新點(diǎn)是CAD的二次開發(fā)，自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)并繪線，具有一定的參考性；劉勇杰等[6]采用CATIA軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，對螺旋槳進(jìn)行了三維建模，完成了型值點(diǎn)的快速導(dǎo)入，手動(dòng)繪制了三維實(shí)體模型，驗(yàn)證了CATIA在曲面建模方面的可行性；戰(zhàn)翌婷等[7]借助了VB編程語言，對三維建模SolidWorks軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，編寫了命令代碼，實(shí)現(xiàn)了船舶三維曲面模型的快速建立；徐俊路等[8]采用VB編程的手段，搭建了表格驅(qū)動(dòng)圖形的方法，對船舶的球鼻艏開展了三維模型的有效生成；朱曉軍等[9]開發(fā)了CATIA的宏功能的命令，在Excel上排列了三維型值表，完成了船體外形的快速建模，并在復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行了多角度的手動(dòng)光順，從而對船體外形進(jìn)行了進(jìn)一步的完善；于雁云等[10]則是通過變換函數(shù)的手段，根據(jù)NURBS曲面，最終達(dá)到了船體曲面的整體及局部等的參數(shù)化變換，同時(shí)也保證了變化后的光順性；胡翩等[11]借助VB匯編語言，對CATIA三維軟件的接口進(jìn)行了二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了某船的參數(shù)化自動(dòng)建模。

由此可知，船體三維建模方法的探討已經(jīng)在眾多的研究者中引起了廣泛的興趣，并取得了一些成就，體現(xiàn)了采用三維軟件建立船體曲面的技術(shù)可行性，大致可分為以下3個(gè)步驟：1）獲取三維型值點(diǎn)；2）在三維軟件中進(jìn)行點(diǎn)、線、面的繪制；3）在曲面復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行曲面的修復(fù)及光順。但是現(xiàn)有研究中很少有人就船舶對象展開充分的討論，特別是如何采用簡單的方法對船體的三維型值點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與讀取，從而推廣一種簡單有效的型值獲取途徑。同時(shí)船體對曲面的光順性要求較高，在船尾船艏等部分又存在復(fù)雜曲面，而CATIA三維軟件在曲面建模方面具有對應(yīng)的優(yōu)勢，一是有掃掠功能，二是有修建補(bǔ)差功能，兩個(gè)功能優(yōu)勢恰好滿足了船體這種曲面建模的需求，并且船體的性能研究一般還需要配上螺旋槳和舵，可借助CATIA軟件中參數(shù)化建模的優(yōu)勢，提供了方便性的建模。本文重點(diǎn)對船舶這一特殊對象的型值點(diǎn)如何進(jìn)行簡單地讀取展開了描述，然后在CATIA平臺(tái)中進(jìn)行曲面的繪制作以介紹，以期為今后更復(fù)雜的船體三維模型的建立及性能研究提供一定的參考意見。

1 CATIA三維軟件簡介

CATIA（Computer Aided Tri-dimension Intergrated Analysis）軟件是航天航空、汽車領(lǐng)域市場中占有率最高的CAD/CAE軟件，在造船、建筑等領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。一旦用戶掌握了其參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，建立自己的常用零件庫，將會(huì)進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的效率[12]。該軟件集合了草圖設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)等繪圖方法，在三維曲面設(shè)計(jì)方面具有掃掠、光順等功能優(yōu)勢，并具備了二次開發(fā)的接口，能夠采用VB等簡單匯編語言實(shí)現(xiàn)自動(dòng)命令流的功能的調(diào)動(dòng)，同時(shí)該軟件支持多種模型的輸出與輸入模式，極大地方便了軟件之間的轉(zhuǎn)換[13]。

2 船體型線圖認(rèn)知

船體模型的表達(dá)形式一般主要有基本的主尺度參數(shù)及二維型線圖等。任何物體的三維模型都可通過正視圖、俯視圖、側(cè)視圖3種二維圖來表達(dá)，并且只要知道其中任何兩者視圖就可實(shí)現(xiàn)三維模型的建立。船舶也不例外，因此在前期工作中要先進(jìn)行船體型線的識(shí)圖與讀圖。其中船體的三維數(shù)字建模，基本按以下思路：1）將船分為若干站，先建立站與站之間的曲面，再將每站曲面進(jìn)行拼接與光順；2）在曲面比較復(fù)雜的區(qū)域，例如船艏及船尾，則需要多劃分幾站，從而實(shí)現(xiàn)曲面的準(zhǔn)確過渡，不會(huì)造成曲面過度失真。本節(jié)內(nèi)容以某船為例，介紹船體從二維型線到三維型值點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。某船的基本參數(shù)如表1所示。

表1 某船基本參數(shù)

船體的二維橫剖線圖、側(cè)視圖如圖1、圖2所示。

在橫剖線圖1中，由于船體是對稱的，因此只需展現(xiàn)一半即可，即左邊為0到10站的橫剖線圖，右邊為10到20站的橫剖線圖，在圖1中主要提供了以下3點(diǎn)型值信息：1）每站型線的數(shù)值中的橫坐標(biāo)代表離船中距離，縱坐標(biāo)代表離船底距離；2）每站的型值點(diǎn)離船尾的距離缺失，要根據(jù)圖2側(cè)視圖讀?。?）位置水線的橫坐標(biāo)為側(cè)視圖提供了各水線離船中的距離。圖2中主要提供了以下2點(diǎn)型值信息：1）每條水線的橫坐標(biāo)代表了沿船長方向距離，縱坐標(biāo)代表水線離船底的高度；2）每條水線距離船中的距離缺失，需在圖1 橫剖線圖中讀取。綜上可知，每站的曲線、每條水線的三維型值點(diǎn)都可從橫剖線圖及側(cè)視圖中讀取并獲得。

圖1 橫剖線圖

圖2 側(cè)視圖

3 具體建模過程

建模的主要思路是由點(diǎn)連成線，再繪制成線，最后根據(jù)引導(dǎo)線掃掠成曲面，對于曲面復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)和線的加密處理，從而確保曲面的準(zhǔn)確度，減少模型失真帶來的后期性能評估的偏差。

3.1 數(shù)據(jù)前處理

一般而言，我們需要大量地讀取每站的型值點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)越多，代表擬合程度越高。在CAD軟件中，可以借助讀點(diǎn)工具，直接讀取二維型值點(diǎn)，并配以第三者的值，將數(shù)值記錄在Excel中，從而得到船舶的三維型值點(diǎn)，但是此種方式的不足之處是數(shù)據(jù)處理點(diǎn)多達(dá)上千，手動(dòng)工作量較大，工作繁瑣。因此本文提出一種較為便捷的方法，采用VB平臺(tái)對CAD讀點(diǎn)控件進(jìn)行二次開發(fā)，并發(fā)布成可運(yùn)行的.exe格式，能夠方便使用，將讀取的二維信息自動(dòng)寫入Excel中，能夠連續(xù)進(jìn)行讀點(diǎn)操作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取與寫入。需要注意的是，在操作過程中，選取的型線必須為多線段，否則不可讀取，因此可在CAD中先采用多線段轉(zhuǎn)換的命令進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖3為CAD讀點(diǎn)二次開發(fā)控件讀取點(diǎn)數(shù)據(jù)圖，可以看出，該二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了型值點(diǎn)的自動(dòng)讀取，并自動(dòng)寫入到了Excel工作表中。

圖3 型值點(diǎn)讀取圖

3.2 模型繪制

1）CATIA中提供了較好的數(shù)據(jù)讀入接口，通過CATIA內(nèi)置的宏命令結(jié)合Office Excel軟件快速導(dǎo)入3維型值點(diǎn)，并利用宏的命令代碼自動(dòng)連成曲線，其中宏命令對Excel中的數(shù)據(jù)型值點(diǎn)的排序有一定的格式要求，需要在Excel的開頭部分寫上StartLScurve，讓后中間排入型值點(diǎn)，最后以ECurve結(jié)尾，具體示意圖如圖4所示。

圖4 型值數(shù)據(jù)排列示意圖

2）利用CATIA軟件中的放樣曲面命令進(jìn)行船體曲面建模，首先對船中段曲率變化較小的區(qū)域進(jìn)行建模，再對船體艏艉進(jìn)行建模，艏艉部分需要適當(dāng)增加剖面密度，在曲面拼接時(shí)增加控制線可增加曲面的光順度；在CTAIA軟件中，具備了多截面曲面、填充曲面及高級填充的功能，最終能夠較好地實(shí)現(xiàn)船體的光順，但是在進(jìn)行曲面填充操作時(shí)，要理解邊界條件中切線連續(xù)、點(diǎn)連續(xù)和曲率連續(xù)的區(qū)別所在，切線連續(xù)則是表示兩個(gè)面相連直線的法向量是相切的，能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰2個(gè)曲面的平滑過渡，而點(diǎn)連續(xù)和曲率連續(xù)分別會(huì)出現(xiàn)折角和曲率的突變，因此不能達(dá)到曲面光順。在曲面生成后，可借助創(chuàng)成式曲面或者自由曲面中的斷開、切割等功能來修補(bǔ)曲面，最終達(dá)到船體整體的光順性。建立好的三維模型如圖5、圖6所示。

圖5 型值點(diǎn)及型線圖

圖6 三維模型圖

4 結(jié)語

由于船體的復(fù)雜曲面，導(dǎo)致三維曲面建模的工作一直是研究的難點(diǎn)，如何建立高精度及有效的三維模型，在船舶性能的研究及應(yīng)用方面都占有著不可替代的位置。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，解讀了船體型線圖讀圖的方法，介紹了CATIA三維軟件在船體建模方面的具體優(yōu)勢，開展了基于該三維軟件進(jìn)行船體三維模型建立的基本繪制思路，最終實(shí)現(xiàn)了基于CATIA軟件進(jìn)行船體曲面的建模?；静襟E是首先采用讀點(diǎn)軟件進(jìn)行了型值點(diǎn)的獲取與轉(zhuǎn)換，借助宏命令實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的批量化輸入和線的自動(dòng)繪制，再利用軟件的曲面多方面功能實(shí)現(xiàn)了船體的三維建模，結(jié)果表明本文的建模結(jié)果可靠，建模方法簡單有效，具有一定的實(shí)用性及普適性。