Solidworks應(yīng)用于船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的可行性研究

方舟++戴錦陽++賀振洋

摘 要：通過船體外形和結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字建模，進(jìn)行板材、型材等零件制作，完成虛擬裝配，自動(dòng)生成零部件明細(xì)并按照船體制圖標(biāo)準(zhǔn)出圖，驗(yàn)證了SolidWorks應(yīng)用于船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的可行性。該技術(shù)的進(jìn)一步完善和推廣應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)內(nèi)河造船企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：SolidWorks 船體結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)設(shè)計(jì) 建模 出圖

中圖分類號(hào)：U662.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0083-02

1 三維造船軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀

三維數(shù)字建模技術(shù)是造船CAD/CAM 發(fā)展方向，工程人員通過結(jié)構(gòu)三維數(shù)字建模技術(shù)，進(jìn)行板材、型材等零件制作，完成虛擬裝配，實(shí)現(xiàn)零部件屬性鏈接，自動(dòng)生成零部件明細(xì)并按照船體制圖標(biāo)準(zhǔn)出圖。目前大型設(shè)計(jì)單位或船廠主要是通過專用造船CAD/CAM 軟件實(shí)現(xiàn)，比如TRIBON、NAPA等進(jìn)口軟件，技術(shù)上已經(jīng)非常成熟。而國(guó)內(nèi)大量中小型企業(yè)還停留在二維設(shè)計(jì)階段（主要軟件是AutoCAD）。一方面是因?yàn)檫M(jìn)口軟件價(jià)格昂貴，且相關(guān)的硬件配套要求較高，這是規(guī)模有限、產(chǎn)值較低的中小企業(yè)難以承受的，而且進(jìn)口軟件主要適用大型海船的設(shè)計(jì)，應(yīng)用于沿海和內(nèi)河中小型船舶的設(shè)計(jì)，效費(fèi)比不高。另一方面，這些進(jìn)口軟件較為復(fù)雜，學(xué)習(xí)和熟練掌握的周期較長(zhǎng)，使用這些軟件開展設(shè)計(jì)項(xiàng)目，需要一個(gè)具有較高專業(yè)知識(shí)水平、受過相關(guān)軟件應(yīng)用培訓(xùn)的技術(shù)人才團(tuán)隊(duì)，而許多中小造船企業(yè)由于各種條件的限制，本身就存在著專業(yè)人才隊(duì)伍匱乏的問題。

2 造船領(lǐng)域SolidWorks的實(shí)用價(jià)值

我國(guó)內(nèi)河造船企業(yè)長(zhǎng)期徘徊在船舶修造的低水平、低層次上，造船自動(dòng)化、機(jī)械化程度都偏低，只有少數(shù)船廠已經(jīng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)放樣、數(shù)控切割等現(xiàn)代造船設(shè)備和技術(shù)，船型也都是低水平的重復(fù)建設(shè)，工藝的落后和管理的粗放，以及施工的隨意性，造成板材的大量浪費(fèi)。很多企業(yè)直接用船檢批準(zhǔn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)送審圖紙施工，根本沒有做所謂的生產(chǎn)設(shè)計(jì)或施工設(shè)計(jì)，許多詳細(xì)設(shè)計(jì)中隱藏的問題，直到建造時(shí)才暴露，導(dǎo)致不同程度的現(xiàn)場(chǎng)修改、返工，浪費(fèi)材料，耽誤工期，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。SolidWorks是目前世界流行的CAD/CAM軟件，操作簡(jiǎn)便，易學(xué)易用，成本較低，也比較適合船舶產(chǎn)品的建模特點(diǎn)，結(jié)合船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，經(jīng)過適量二次開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)三維數(shù)字建模與出圖。該技術(shù)如果能夠得到推廣應(yīng)用，對(duì)轉(zhuǎn)變船舶設(shè)計(jì)方式和建造模式，提高中小造船企業(yè)的設(shè)計(jì)、建造質(zhì)量與生產(chǎn)效率，有著較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，并能帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益，必將對(duì)內(nèi)河船舶修造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

3 主要研究?jī)?nèi)容

3.1 船體外形建模和型線光順

（1）創(chuàng)建曲面片邊界網(wǎng)格，作為各個(gè)曲面片的邊界。按曲面片邊界網(wǎng)格逐個(gè)計(jì)算曲面片的控制格，從而得到整個(gè)船體曲面的控制網(wǎng)格。

（2）根據(jù)船舶主尺度和船體理論型值表，用船體線框模型設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)建船體線框模型。由于生成的船體邊界曲線和三組剖面線未進(jìn)行光順，用曲面覆蓋時(shí)會(huì)產(chǎn)生縫隙。

（3）利用渲染、等照度線等曲面光順性檢查工具，檢查曲面的光順性，交互修改或自動(dòng)光順船體曲面的控制網(wǎng)格，直至船體曲面光順。船體光順后的效果見圖1。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

船舶設(shè)計(jì)的型材截面數(shù)據(jù)、各種尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件記錄等數(shù)據(jù)，必須建立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)資源。數(shù)據(jù)庫(kù)包括設(shè)計(jì)參數(shù)庫(kù)、型材數(shù)據(jù)庫(kù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件庫(kù)。

設(shè)計(jì)參數(shù)庫(kù)儲(chǔ)存系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中用戶提供的或計(jì)算產(chǎn)生的各種參數(shù)，供后續(xù)設(shè)計(jì)查詢用；型材數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存了角鋼、球扁鋼、扁鋼、圓鋼、槽鋼、工字鋼等各種型鋼在加工中有設(shè)計(jì)過程中用戶自定義的T型材截面參數(shù)和規(guī)定的型號(hào)，供設(shè)計(jì)人員選擇，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)出型鋼的截面尺寸參數(shù)，滿足結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)際需要；結(jié)構(gòu)構(gòu)件庫(kù)記錄了構(gòu)件編號(hào)、類型、規(guī)格、位置等數(shù)據(jù)，后續(xù)設(shè)計(jì)可以提取構(gòu)件明細(xì)表，統(tǒng)計(jì)預(yù)估船舶建造中所需鋼料及型材。

3.3 船體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

船體結(jié)構(gòu)分為主船體和上層建筑兩大部分，分別建模完成后再將其裝配組成一個(gè)整體。在各個(gè)模塊中按構(gòu)件大小的順序依次建立外板、艙壁、縱桁、強(qiáng)橫梁、肋板、縱骨、扶強(qiáng)材、肘板等。整個(gè)結(jié)構(gòu)建模過程都在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)和三維模型庫(kù)的支持下進(jìn)行，構(gòu)件的尺寸、幾何關(guān)系等參數(shù)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取。由系統(tǒng)調(diào)用SolidWorks數(shù)據(jù)庫(kù)的型材構(gòu)件信息自動(dòng)建立船舶的三維結(jié)構(gòu)模型。

通常船舶結(jié)構(gòu)零件劃分為板材與型材兩類。板材和型材又按照形狀不同分為平直與曲面兩類。平直與單曲度的零件由于有在某個(gè)平面內(nèi)零件截面形狀尺寸保持不變的特點(diǎn)，所以可以使用SolidWorks中拉伸命令生成實(shí)體。例如肋板、艙壁板、甲板等。船首尾的雙向復(fù)雜曲面則需要借助于二次開發(fā)完成。

3.4 船體結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配方案

SolidWorks提供自下而上與自上而下兩種裝配方法。前者適用于在裝配造型之前已經(jīng)具備所有零件的情況，后者則是先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行整體描述，然后再逐層分解為各個(gè)零部件，直至最底層零件。內(nèi)河船舶船體結(jié)構(gòu)建模的構(gòu)件數(shù)量繁多，裝配關(guān)系較為簡(jiǎn)單的，選用自下而上的裝配方法更為合適。

具體到船舶結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配方案的設(shè)計(jì)也可以有兩種選擇。第一種，參照實(shí)船建造時(shí)的裝配方案，先將零件裝配成部件，再裝配成分段結(jié)構(gòu)。例如，雙層底分段中的肋板與其上扶強(qiáng)材可以先行裝配生成部件，然后作為一個(gè)整體進(jìn)入分段裝配體中。這類裝配結(jié)構(gòu)層次分明，設(shè)計(jì)修改時(shí)能準(zhǔn)確找到修改對(duì)象，出錯(cuò)率低，后續(xù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)方便進(jìn)行小部件裝配圖出圖。另一種，可以將平面分段中同類型且尺寸相同的構(gòu)件編成一組，形成小裝配體后再進(jìn)行分段裝配。例如，將尺寸相同的內(nèi)底縱骨先進(jìn)行定位裝配，形成底部小骨材裝配體后再進(jìn)入底部分段裝配。這樣對(duì)零件依據(jù)類型進(jìn)行分類，分段出圖時(shí)便于定義相同零件材料，并提取重量、重心等資料，而且裝配后生成的文件不會(huì)太大。兩種方法各有優(yōu)劣，工程上要統(tǒng)一用一種方法，避免施工中出現(xiàn)矛盾。endprint

3.5 出圖

船體制圖常見視圖類型有軸測(cè)圖、投影圖、展開圖、剖視圖、局部詳圖等，可以利用SolidWorks系統(tǒng)強(qiáng)大的工程圖設(shè)計(jì)功能，迅速便捷地生成相關(guān)圖紙。并且SolidWorks在工程圖和零部件或裝配體三維模型之間提供全相關(guān)功能，對(duì)零部件或裝配體三維模型進(jìn)行修改時(shí)，所有相關(guān)工程視圖將自動(dòng)更新，以反映零部件和裝配體的形狀和尺寸變換。在實(shí)際造船中，面向生產(chǎn)主要提供的圖紙有：零件加工工作圖，部件裝配工作圖和分段結(jié)構(gòu)施工詳圖（見圖2～圖4）。這三類圖紙分別可以在使用SolidWorks數(shù)字建模的不同階段完成。

船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)完成以后，利用數(shù)控切割機(jī)編程系統(tǒng)提供的多種圖形輸入手段，建立編輯零件圖形，實(shí)現(xiàn)鋼板套料。將編號(hào)的程序輸入切割機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)控下料切割等工作，能夠有效提高鋼材利用率，提高切割生產(chǎn)準(zhǔn)備的工作效率。

4 結(jié)語

經(jīng)過初步實(shí)踐證明，應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)建模與出圖在生產(chǎn)上是完全可行的。但是SolidWorks在某些方面還不能與專用船舶設(shè)計(jì)軟件相媲美，比如船體線型光順，艏艉復(fù)雜曲面外板建模，構(gòu)件線型與外板曲度自動(dòng)匹配等方面。實(shí)踐中只能依賴于第三方軟件幫助完善，或者使用程序語言對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)加以解決。另外，運(yùn)用SolidWorks完成船體結(jié)構(gòu)建模和裝配，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，相應(yīng)的購(gòu)置費(fèi)用也隨之增加，目前不是很利于在中小造船企業(yè)和院校船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)中推廣普及。SolidWorks軟件功能十分強(qiáng)大，除了在生產(chǎn)中應(yīng)用以外，在船舶技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域可以用其自帶插件進(jìn)行有限元計(jì)算和流體分析計(jì)算船舶性能。今后隨著高性能計(jì)算機(jī)的普及，SolidWorks在船舶設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域還是有很大潛力可以挖掘的。

參考文獻(xiàn)

[1] 周啟學(xué).船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)[M].人民交通出版社，2007.

[2] 馬勝祥，易傳云，李鮮明.Solidworks的二次開發(fā)研究[J].機(jī)械工程師，2005（8）：60-62.

[3] 李忠林.船體建造工藝學(xué)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

[4] 彭公武.船體結(jié)構(gòu)與制圖[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

[5] 王偉，吉曉民.基于特征的SolidWorks標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)體庫(kù)的建立[C]//.制造技術(shù)自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2004.endprint

3.5 出圖

船體制圖常見視圖類型有軸測(cè)圖、投影圖、展開圖、剖視圖、局部詳圖等，可以利用SolidWorks系統(tǒng)強(qiáng)大的工程圖設(shè)計(jì)功能，迅速便捷地生成相關(guān)圖紙。并且SolidWorks在工程圖和零部件或裝配體三維模型之間提供全相關(guān)功能，對(duì)零部件或裝配體三維模型進(jìn)行修改時(shí)，所有相關(guān)工程視圖將自動(dòng)更新，以反映零部件和裝配體的形狀和尺寸變換。在實(shí)際造船中，面向生產(chǎn)主要提供的圖紙有：零件加工工作圖，部件裝配工作圖和分段結(jié)構(gòu)施工詳圖（見圖2～圖4）。這三類圖紙分別可以在使用SolidWorks數(shù)字建模的不同階段完成。

船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)完成以后，利用數(shù)控切割機(jī)編程系統(tǒng)提供的多種圖形輸入手段，建立編輯零件圖形，實(shí)現(xiàn)鋼板套料。將編號(hào)的程序輸入切割機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)控下料切割等工作，能夠有效提高鋼材利用率，提高切割生產(chǎn)準(zhǔn)備的工作效率。

4 結(jié)語

經(jīng)過初步實(shí)踐證明，應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)建模與出圖在生產(chǎn)上是完全可行的。但是SolidWorks在某些方面還不能與專用船舶設(shè)計(jì)軟件相媲美，比如船體線型光順，艏艉復(fù)雜曲面外板建模，構(gòu)件線型與外板曲度自動(dòng)匹配等方面。實(shí)踐中只能依賴于第三方軟件幫助完善，或者使用程序語言對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)加以解決。另外，運(yùn)用SolidWorks完成船體結(jié)構(gòu)建模和裝配，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，相應(yīng)的購(gòu)置費(fèi)用也隨之增加，目前不是很利于在中小造船企業(yè)和院校船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)中推廣普及。SolidWorks軟件功能十分強(qiáng)大，除了在生產(chǎn)中應(yīng)用以外，在船舶技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域可以用其自帶插件進(jìn)行有限元計(jì)算和流體分析計(jì)算船舶性能。今后隨著高性能計(jì)算機(jī)的普及，SolidWorks在船舶設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域還是有很大潛力可以挖掘的。

參考文獻(xiàn)

[1] 周啟學(xué).船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)[M].人民交通出版社，2007.

[2] 馬勝祥，易傳云，李鮮明.Solidworks的二次開發(fā)研究[J].機(jī)械工程師，2005（8）：60-62.

[3] 李忠林.船體建造工藝學(xué)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

[4] 彭公武.船體結(jié)構(gòu)與制圖[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

[5] 王偉，吉曉民.基于特征的SolidWorks標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)體庫(kù)的建立[C]//.制造技術(shù)自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2004.endprint

3.5 出圖

船體制圖常見視圖類型有軸測(cè)圖、投影圖、展開圖、剖視圖、局部詳圖等，可以利用SolidWorks系統(tǒng)強(qiáng)大的工程圖設(shè)計(jì)功能，迅速便捷地生成相關(guān)圖紙。并且SolidWorks在工程圖和零部件或裝配體三維模型之間提供全相關(guān)功能，對(duì)零部件或裝配體三維模型進(jìn)行修改時(shí)，所有相關(guān)工程視圖將自動(dòng)更新，以反映零部件和裝配體的形狀和尺寸變換。在實(shí)際造船中，面向生產(chǎn)主要提供的圖紙有：零件加工工作圖，部件裝配工作圖和分段結(jié)構(gòu)施工詳圖（見圖2～圖4）。這三類圖紙分別可以在使用SolidWorks數(shù)字建模的不同階段完成。

船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)完成以后，利用數(shù)控切割機(jī)編程系統(tǒng)提供的多種圖形輸入手段，建立編輯零件圖形，實(shí)現(xiàn)鋼板套料。將編號(hào)的程序輸入切割機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)控下料切割等工作，能夠有效提高鋼材利用率，提高切割生產(chǎn)準(zhǔn)備的工作效率。

4 結(jié)語

經(jīng)過初步實(shí)踐證明，應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行船舶結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)建模與出圖在生產(chǎn)上是完全可行的。但是SolidWorks在某些方面還不能與專用船舶設(shè)計(jì)軟件相媲美，比如船體線型光順，艏艉復(fù)雜曲面外板建模，構(gòu)件線型與外板曲度自動(dòng)匹配等方面。實(shí)踐中只能依賴于第三方軟件幫助完善，或者使用程序語言對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)加以解決。另外，運(yùn)用SolidWorks完成船體結(jié)構(gòu)建模和裝配，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，相應(yīng)的購(gòu)置費(fèi)用也隨之增加，目前不是很利于在中小造船企業(yè)和院校船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)中推廣普及。SolidWorks軟件功能十分強(qiáng)大，除了在生產(chǎn)中應(yīng)用以外，在船舶技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域可以用其自帶插件進(jìn)行有限元計(jì)算和流體分析計(jì)算船舶性能。今后隨著高性能計(jì)算機(jī)的普及，SolidWorks在船舶設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域還是有很大潛力可以挖掘的。

參考文獻(xiàn)

[1] 周啟學(xué).船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)[M].人民交通出版社，2007.

[2] 馬勝祥，易傳云，李鮮明.Solidworks的二次開發(fā)研究[J].機(jī)械工程師，2005（8）：60-62.

[3] 李忠林.船體建造工藝學(xué)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

[4] 彭公武.船體結(jié)構(gòu)與制圖[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

[5] 王偉，吉曉民.基于特征的SolidWorks標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)體庫(kù)的建立[C]//.制造技術(shù)自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2004.endprint