基于FORAN的結構模型管理方法

李軍，李櫻，羅白璐

（中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064）

0 引言

隨著船舶設計技術以及計算機輔助設計（CAD/CAM/CAE）軟件系統(tǒng)的深入應用，船舶設計手段由二維設計轉為三維設計已是大勢所趨。目前，國內許多研究所和造船廠已大量應用具有國際先進水平的三維造船軟件，具有代表性的軟件有TRIBON、NAPA、CADDS5、FORAN等，經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累和二次開發(fā)，這些軟件的應用效果已得到一定體現(xiàn)，并獲得了一定的效益[1][2]。

船體結構三維設計以其基礎性、廣泛性、精細性等特點成為船舶三維設計的重點，而對于較大型且結構較復雜的船舶來說，對眾多結構模型的管理也成為三維設計的難點。FORAN軟件是世界范圍內應用最為廣泛的大型造船專業(yè)軟件之一，由船舶設計師開發(fā)，專供船舶設計師使用[3]，其中的結構三維建模FHULL模塊，可以在一定程度上很好的實現(xiàn)對船舶結構模型的精細管理。本文詳細介紹了FORAN軟件的FHULL模塊在管理船舶結構三維模型上的方法和特點。

1 FORAN簡介

FORAN軟件是西班牙SENER公司為船舶設計與建造專門開發(fā)的一款三維設計軟件。該軟件已在全球30多個國家的150多個用戶中得到應用，并開發(fā)了數(shù)以萬計的各類船舶和海洋平臺[4]。該軟件自2005年進入中國市場以來，以其強大的船舶三維設計功能，取得了良好的初步工程應用成效[5]。

FORAN軟件結構三維建模模塊為FHULL模塊，F(xiàn)HULL模塊下有兩個工作模式，分別為Internal structure平面工作模式和Shell and decks曲面工作模式。在Internal structure模式下，三維結構設計人員可對內部甲板、平臺、艙壁等平面結構進行三維建模；在Shell and decks模式下，三維結構設計人員可對船體外板、上甲板、內底等曲面結構進行三維建模[6]。

本文主要介紹FHULL模塊中兩個工作模式下對結構模型的管理方法。

2 Internal structure模式

2.1 模型管理元素

平面模式下模型的管理需要有Block、Section、Structural element、Parts四個元素，其所代表的含義分別為：

1） Block。Block是船體構件在軟件中存放的區(qū)域，所有船體構件必須存放于某個Block中，零件編號也是在每個Block中順序編號。Block由結構管理員在NORM模塊中定義。Block名稱可由數(shù)字和字母組成，字符串長度不超過4個。

2）Section。Section是在FHULL模塊平面模式中創(chuàng)建的平面，一般包括內部甲板、平臺、艙壁等。在船體結構平面模式下，通過創(chuàng)建Section進行船體結構三維建模。

3）Structural element。Structural element是在FHULL模塊平面模式中創(chuàng)建的結構單元，每個結構單元必須附屬于某個Section，而一個Section上可創(chuàng)建多個結構單元。在結構單元中定義構件的各個默認屬性，如構件規(guī)格、理論線位置、存放Block、是否具有水密特性等，并可按照定義好的屬性創(chuàng)建結構件。

4）Parts。FHULL中所有的結構件（板、筋）被稱為Parts，包括Plate/Internal Plate、Longitudinal/Beam/Frame/Profile。其中，Internal Plate是平面模式中創(chuàng)建的板結構類型的統(tǒng)稱，包含Internal Plate（平面板）、Bracket plate（肘板）、Standard plate（標準板）、Collar plate（補板）等。Profile是平面模式中創(chuàng)建的各種筋的統(tǒng)稱，包括Straight profile（通過直線方式創(chuàng)建的筋）、Grid profile（通過網(wǎng)格創(chuàng)建的筋）、Face bar profile（面板）等。

所有的結構件都必須存放于某個Block。結構件隸屬于Structural element，而Structural element隸屬于Section。

以上四個元素的建模流程及隨著設計深入各元素的處理方法如圖1所示。

圖1 各元素處理方法

2.2 模型管理方法

2.2.1 Block的管理方法

由于FORAN利用Block來存放結構模型，因此在方案設計階段的三維建模之前必須按照一定的規(guī)則和約定來創(chuàng)建Block。并且，隨著設計階段的深入和結構模型的不斷細化，Block也應逐步細化。若一條船劃分為N個總段，則在方案設計階段可按照總段和結構類型來劃分Block（表1）。

表1中，XX表示01～N，不同的結構件被存放在不同的Block中。根據(jù)總段及結構類型可找到對應的結構模型，例如03總段4甲板存放的Block為03D，讀入03D里所有的結構件即可看到03總段4甲板的三維模型。因此，通過不同的Block可在方案設計階段實現(xiàn)對結構模型分門別類的管理。

表1 方案設計階段的Block定義

由于FORAN軟件中Block字符串長度不能超過4個，因此在方案設計階段定義Block時需考慮施工設計階段Block的需求，即命名Block時要留下一定的余量，名字應盡量簡練、精確及易于查找。

方案設計階段只劃分了總段，因此Block存放的內容比較多，即某一個總段某種類型的結構件可以全部存放在一個Block中。隨著設計的不斷深入，到施工設計階段時，一個總段會劃分成若干個立體分段，一個立體分段里面還包含甲板分段、艙壁分段、舷側分段等分段模型，若繼續(xù)沿用方案設計中定義的Block，則查看甲板分段中的某一個小分段時必須打開整個甲板結構的模型，此時，不僅模型讀寫的計算量大，更無法實現(xiàn)對結構模型的精細管理。因此，施工設計階段必須對Block重新定義，每一個小的分段對應一個Block（表2）。

表2 施工設計階段的Block定義

表2中，Block編號由3位數(shù)字和1位字母組成。例如042A，04代表04總段，2代表04總段中第2立體分段，A代表01，即第2立體分段中01分段，依此類推，B代表02，C代表03。

此時，若要查看某一個分段的結構模型，則只需打開其對應Block里的全部結構件即可，而無需打開整個分段結構模型。

2.2.2 Section的管理方法

Section即結構所在的平面，方案設計階段一般會定義主船體結構所在的平面，如甲板、主橫艙壁、主縱艙壁等。方案設計階段創(chuàng)建的Section一般可在施工設計階段繼承使用，即不需要為結構重新創(chuàng)建新的Section，而直接沿用方案設計中的Section即可。但甲板橫梁、縱桁以及其他所有需要用板材建模的T型材等局部結構件則需創(chuàng)建新的Section。

Section的名稱在創(chuàng)建成功后是無法修改的，因此創(chuàng)建之前一定要注意命名規(guī)則，正確的名稱才能方便后期對模型的分辨和查找。

2.2.3 Structural element的管理方法

方案設計階段的船體結構是按照總段和結構類型來分類的，因此Structural element的設置大小與Section的設置一致，其包含的結構件為整個總段內的結構件，且這些結構件全部存放在同一個Block里。查看結構模型時只需讀入該結構所在總段相應的Structural element。

施工設計階段對船體的總段進行細化，每個總段劃分了立體分段，每個立體分段包含多個結構分段，如甲板分段、艙壁分段、輕圍壁分段等。以甲板分段為例（如圖2）。

圖2 甲板分段劃分

圖2為04總段2甲板，方案設計階段Structural element指定的默認Block為04B，其結構件都存放在Block 04B。施工設計階段時被劃分為04102、04202兩個分段，相應分段范圍內的結構件也會被分配存放于Block 041B、Block 042B。此時，除了要對Block重新定義以外，還需按照新的Block創(chuàng)建新的Structural element，使其個數(shù)與甲板分段數(shù)目一致，保證一個Structural element對應一個分段號，同時指定與該分段號相對應的Block，這樣便可實現(xiàn)Structural element、Block、分段之間的一一對應。若繼續(xù)沿用方案設計中的Block和Structural element，則會出現(xiàn)一個Structural element里有多個不屬于默認Block的結構件，無法實現(xiàn)Structural element與Block的一一對應。

該方法下查看某個分段的結構模型，只需讀入與該分段號對應的Structural element即可，而不需讀出整個分段的結構模型。

2.2.4 Parts的管理方法

Parts即結構件，施工設計階段的板材和弱骨材可繼承方案設計階段的模型，但T型材，如橫梁、縱桁、肋骨等，特別是端部有變化的T型材，則需要刪除用型材創(chuàng)建的模型，重新用板材創(chuàng)建新的模型。

在施工設計階段，總段劃分了分段，Block也完成了相應的細化，其所對應區(qū)域的結構模型也必須分配到對應的Block（圖2），原屬于04B Block的結構模型需按照分段劃分區(qū)域切開，然后分別分配到041B、042B兩個Block中（圖3）。

圖3 結構件分配

以上方案可實現(xiàn)Block、Structural element、分段、結構件之間的相互對應，即一個分段只有一個Structural element，該 Structural element指定的默認Block與分段號對應，該Structural element內的所有結構件同屬于默認的Block，從結構件上實現(xiàn)對模型的管理。

3 Shell and decks模式

3.1 模型管理元素

曲面模式下有兩個元素與平面模式下的元素不同，分別為Surface和Zone。

1） Surface。Surface是在總體曲面模塊（FSURF模塊）中創(chuàng)建的曲面，一般包括外板、上甲板、內底等。在船體結構曲面模式下，通過選擇工作Surface和Zone對該工作曲面進行船體結構三維建模。

2）Zone。Zone是FHULL模塊曲面模式下的船體區(qū)域概念。Zone存在的意義在于：三維設計人員可對某一曲面（如外板、上甲板、內底）的不同區(qū)域同時建模。每個項目中可以有多個Zone，但是只有一個Zone0，其它普通的Zone均在Zone0中創(chuàng)建。需要注意的是在曲面模式下創(chuàng)建的構件依然保存在Block中，Zone中不保存任何構件。

由于曲面模式中沒有Section和Structural element的概念，因此既不能繼承Section也不能新建Structural element，而只能通過Surface、Zone、Block來管理結構件。

3.2 模型管理方法

3.2.1 Surface的管理方法

曲面模式中，在對結構進行編輯操作前，需首先選擇結構對應的曲面，如圖4所示。在左欄中選擇曲面，在右欄中選擇需要進入的Zone，曲面是在FSURF模塊中預先定義的，無法在FHULL模塊中編輯和修改。因此，在整個設計階段中，若曲面沒有問題則不需要對其進行修改和變更。

圖4 曲面和Zone的選擇

3.2.2 Zone的管理方法

除了系統(tǒng)默認的Zone0外，設計人員可給船體的每個總段定義一個Zone，例如01總段定義Zone 01，02總段定義Zone 02，依此類推。通過Zone實現(xiàn)對船體結構按照總段進行管理。

利用Surface和Zone可實現(xiàn)區(qū)分結構類型和管理結構總段。而對Block的處理方法可參照平面模式中的做法，由于Block是在NORM模塊中創(chuàng)建的，不受FHULL模塊的約束，因此定義好的Block在平面模式和曲面模式中的效力是一樣的。方案設計階段，某個總段內的結構件可全部存放在同一個Block中，隨著設計深入到施工設計階段和總段劃分分段，此時只需將方案設計中已創(chuàng)建好的結構件在分段縫位置切開，然后將相應分段區(qū)域范圍內的結構件指定到與該分段對應的Block即可。如圖2所示，將原來屬于04B的結構件分別按照分段范圍指定到041B、042B，后期若需查看041B里的結構件則只需讀入該Block里的結構件。

對于曲面模式下用型材創(chuàng)建的橫梁、縱桁等端部有變化的T型材，施工設計階段需刪除用型材創(chuàng)建的模型，重新在平面模式用板材創(chuàng)建新的模型，且對應分段的T型材需存放在與該分段對應的Block中。

4 結論

FORAN軟件的引進為我國船舶工業(yè)的自我創(chuàng)新發(fā)展提供了一個有效的設計平臺，該軟件體現(xiàn)了良好的設計理念，有完善的數(shù)據(jù)庫，可使設計更加安全可靠，并有良好的操作性。

本文提出的基于FORAN的結構模型管理方法，隨著設計階段的不同而不同，對每個設計階段的結構模型都能夠實現(xiàn)高效管理，不僅方便結構模型的查找，更有利于后續(xù)對模型的更改和維護。

但是在一些大而復雜的船舶項目中，隨著結構件的增多，數(shù)據(jù)庫的容量也急劇增大，如果整個船舶的所有結構件都在一個數(shù)據(jù)庫里創(chuàng)建，則上述施工設計階段中對Structural element的處理會給軟件數(shù)據(jù)庫的寫入和讀出帶來更多的計算量，降低工作效率。因此，建議在大型船舶工程項目中，將整個數(shù)據(jù)庫分為多個項目，分別建模，減少單個數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)容量，提高軟件讀寫和計算速度，再結合本文所提出的管理方法，充分發(fā)揮該軟件的優(yōu)勢。

[1]邵開文,馬運義.艦船技術與設計概論[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[2]陳寧.FORAN在船舶數(shù)字化設計全流程中應用技術研究[J].造船技術,2009(4):34-38.

[3]張凱,謝承福,涂躍紅,等.FORAN軟件在船舶總體設計中的應用[J].中國艦船研究,2009(8):76-80.

[4]ROSS J M.ABEAL D.Practical Use of 3D Product Modeling in the Small Shipyard [J].Journal of Ship Production,2001,17(1):27-34.

[5]陳練,張新華.FORAN系統(tǒng)在各國艦艇中的應用情況[G].UFC用戶大會論文集,2007.

[6]Sener Group.FORAN USER GUID[M/CD].Madrid: Sener Group.Company,2007-10.