基于CATIA V6三維模型的空船質量重心統(tǒng)計

董海杰，渠繼東，葉效偉

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2.深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

船舶的質量重心對其浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性、操縱性、耐波性以及設備的使用性等方面都有著較大的影響[1]。因此，不僅需要在船廠制造現(xiàn)場嚴格控制船舶質量重心，還應在各個設計階段開展質量重心的統(tǒng)計用以指導設計工作。在很長一段時間內，船舶的初步設計、方案設計等過程基本依賴二維平面設計方法，質量重心統(tǒng)計也主要采用平面圖填表的方法。

對于采用平面圖填表方法的質量重心統(tǒng)計工作，業(yè)界已形成了較為固定、成熟的流程和模式，同時也有相應的標準規(guī)范提供參考。如在各設計階段對船舶進行質量重心統(tǒng)計時，可參考文獻[2]將載荷依次按類、節(jié)、組、項分類并繪制相應的統(tǒng)計表格，然后從二維布置圖中獲取各載荷項的重心數(shù)據(jù)，通過填表的方式開展相應工作。隨著新型船舶的功能越來越豐富、構成越來越復雜、系統(tǒng)設備越來越多，這種完全依靠人工采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法不僅工作量巨大、數(shù)據(jù)極易出錯(正負號寫反、小數(shù)點錯位等)，而且容易漏項，對于設計業(yè)務比較成熟的單位或團隊仍難避免上述問題，且一旦出現(xiàn)問題，需要逐項排查，工作效率低[3]。此外，對于外形復雜的載荷項，在二維布置圖上只能大致量取其重心坐標值，影響統(tǒng)計結果的精確度。

近年來，三維設計正在逐漸成為船舶行業(yè)的技術發(fā)展方向，CADDS5、FORAN、Tribon等專用軟件[4-5]以及SolidWorks、CATIA等通用軟件[6-7]被先后引入國內并在船舶設計領域得到了很好的應用，使得基于三維設計模型的船舶質量重心統(tǒng)計方法成為可能。與傳統(tǒng)平面圖填表方法相比，基于三維模型進行質量重心統(tǒng)計具有計算速度快、不易漏項、統(tǒng)計結果精確等優(yōu)點，可進一步節(jié)約設計時間，提高設計質量。

CATIA是法國達索公司開發(fā)的一款CAD/CAE/CAM一體化軟件，在該領域內居世界領先地位，在國內外已廣泛應用于航空航天、造船、汽車制造、機械設計等領域。CATIA V6是目前該軟件的最新版本，為用戶提供了較為完整的船舶設計模塊，可用于總、船、機、電等各個專業(yè)的三維協(xié)同設計[8-9]。本文主要介紹在船舶設計過程中基于CATIA V6三維設計模型，進行空船質量重心統(tǒng)計的方法。該方法有助于設計人員在利用CATIA V6軟件進行船舶設計時，實時掌握船舶質量重心信息，評估設計方案的合理性，提高設計質量和效率。

1 三維模型的質量重心屬性

采用CATIA V6軟件可建立較為完整、詳細的船舶三維設計模型，但一般不包括貨物、燃料、糧食、淡水和人員等，因此基于CATIA V6三維設計模型一般只統(tǒng)計空船質量，即船舶總質量減去可變載重量之后所剩的不變質量部分，包括船體鋼料、木作舾裝、機電設備等3大部分[10-11]以及其重心。

要在CATIA V6上實現(xiàn)空船質量重心統(tǒng)計，需在前期的建模過程中對三維設計模型進行質量重心屬性的定義。根據(jù)屬性定義方法的不同，CATIA V6將模型分為2類：聲明質量的模型(直接定義模型的質量和重心坐標)和計算質量的模型(僅定義模型各部分的材料密度，軟件結合模型體積計算其質量重心)。需要指出的是，聲明質量的模型在定義其重心位置時，輸入的坐標是相對于模型局部坐標系的數(shù)據(jù)，在將模型裝配至全船模型中后，軟件會自動根據(jù)安裝位置計算其重心在全船坐標系中的值。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：m為空船的總質量；x、y、z為全船的重心坐標；n1和n2分別為聲明質量模型和計算質量模型的數(shù)量；mi為第i個聲明質量模型的質量；xi、yi和zi分別為該聲明質量模型的重心在全船坐標系中3個方向上的坐標；ρj和Vj分別為第j個計算質量模型的廣義密度(體密度或線密度)和廣義體積(體積或長度)；xj、yj和zj分別為該計算質量模型的重心在全船坐標系中3個方向上的坐標。

2 B.I. Essentials功能簡介

如圖1所示，CATIA V6的B.I.Essentials命令提供了強大的統(tǒng)計和檢查分析功能，主要包括：

圖1 CATIA V6的B.I.Essentials命令

(1)Modification Status，即修改狀態(tài)檢查，主要用于統(tǒng)計當前狀態(tài)下裝配體中各模型的修改情況，并用不同的顏色區(qū)分表示。

解 因為tr A=0, tr2A=-3, det A=-2,由定理3，yn=An滿足矩陣值三階差分方程

(2)Design State，即設計狀態(tài)統(tǒng)計，用于顯示裝配體各部分模型的技術狀態(tài)(包括In Work、Frozen、Released等)并用不同的顏色加以區(qū)分。

(3)Weight Definition，即質量定義，主要用于定義模型的質量重心數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計，也可用來檢查模型質量定義的完整度。

(4)Weight Distribution，即質量分布統(tǒng)計，主要用于統(tǒng)計當前裝配體中不同質量的模型在全船的分布情況。

除上述4項外，還包括Assembly Design、Core Material Definition、Reserve Status等統(tǒng)計功能。本文主要介紹如何使用Weight Definition功能進行模型的質量重心定義和空船的質量重心統(tǒng)計。

3 聲明質量的模型

船舶設備和裝置(如錨設備、系泊設備、消防與救生設備等)、生活設備及工作用具、主副機械設備、船舶電氣設備、導航設備等一般都是向供貨商采購成熟的貨架產品或者由特定廠商專門定制，同時也由供貨方直接提供設備的質量和重心數(shù)據(jù)。因此，這些設備的三維模型可歸類為聲明質量的模型。

以某一具體設備為例，在該三維模型創(chuàng)建完成后，選擇B.I.Essentials命令的質量定義功能，這時軟件主界面中的模型會顯示為紅色以表示當前還未賦予質量重心屬性。選擇“Click this hyperlink to declare a weight on this element”(聲明質量)選項打開定義質量重心屬性的表格窗口，填寫設備的質量、重心等項的值，如圖2所示。再次說明，此表中應填寫重心在局部坐標系中的值，與設備模型在全船的裝配位置無關。關閉此窗口，此時主界面中的三維模型已顯示為藍色，說明該模型已成功定義了質量、重心等屬性。

圖2 聲明質量模型的質量重心定義

4 計算質量的模型

船體結構、木作舾裝中的船體木作及金屬屬具、全船管路等一般都會選用特定的材料且材料組成較簡單，其質量和重心可由材料密度和模型體積計算得出，這些模型可歸類為計算質量的模型。

4.1 船體結構

在應用CATIA V6進行船體結構建模之前需要建立結構資源庫，包括資源數(shù)據(jù)配置和結構標準件創(chuàng)建等兩大方面[12]。資源數(shù)據(jù)配置的其中一項工作就是配置材料表，用于定義設計所需的材質、型材截面和板材厚度等。在結構建庫完成之后，用戶可通過包含尺寸驅動和特征驅動的參數(shù)化結構設計方式，有效提取到結構資源數(shù)據(jù)，完成三維建模。

CATIA V6的結構設計形式分為結構功能設計(Structure Function Design,SFD)和結構詳細設計(Structure Detail Design,SDD)。SFD主要用于方案設計階段，結構的SFD模型雖然具有材料、截面、厚度等屬性，但并不是實體模型。SFD模型可減少船體結構模型的數(shù)據(jù)量，實現(xiàn)快速修改，但不能直接用于質量重心統(tǒng)計。SDD主要用于詳細設計階段，SDD模型為實體模型。若采用SFD形式創(chuàng)建船體結構模型，則在統(tǒng)計質量重心時需將其轉化為SDD模型，得到對應的實體模型。

在船體結構SDD模型創(chuàng)建完成(直接創(chuàng)建或由SFD模型轉化得到)后，選擇質量定義功能，點擊“Click this hyperlink to compute the weight of this element”(計算質量)選項，軟件會根據(jù)各部分選用材料的密度和對應模型的體積自動計算其質量及其重心位置。由于是通過計算得到的，表中的數(shù)據(jù)無法人為更改。此外，若表中Weight Maturity的值為100%或顯示界面中的三維模型全部變成綠色，則表明計算沒有遺漏。

4.2 全船管路

CATIA V6提供了從管路原理圖繪制到三維放樣的功能，可滿足輪機專業(yè)的三維設計需求。在開展具體項目的管路建模與布置工作之前，需由設計人員配置管路基礎資源庫，包括工程技術表、規(guī)格書和標準件庫[8，13]。

在管路布置時，首先需要修改資源管理文件使其指向正確的資源庫，然后在Piping &Tubing 3D Design模塊下確定管線的三維走向，選擇該管路的功能類，在庫中尋找相匹配的管路進行布放，生成三維管路模型。由于已經(jīng)在工程技術表中定義了管路選用材料的密度(或線密度)、截面類型與尺寸等，軟件可通過計算得到模型的質量和重心。選中管路模型節(jié)點，與第4.1節(jié)相同，打開質量重心計算窗口，即可計算得到管路模型的質量和重心數(shù)據(jù)。

空船質量一般還包括空船狀態(tài)下機械設備正常運轉時所需的各種液體的質量(如潤滑油、液壓油、冷卻水等質量)。若需考慮管路中這些介質的質量，可通過人為換算將其計入管路的線密度值中，由設計人員在配置資源庫時進行設置或在建模時于模型的屬性列表中填寫。需要說明的是：在同時定義了管路線密度屬性和材料(即密度)的情況下，軟件將優(yōu)先采用線密度計算管路模型的質量和重心。

4.3 其他模型

木作舾裝中的船體木作、金屬屬具及其他材料組成較為簡單的模型，都可由軟件自動計算其質量重心。為此，需要設計人員在建模時賦予模型相應的材料屬性，即通過Material Browser命令，在材料庫中選擇相應的材料應用到當前的三維模型中。當操作成功后，在模型的結構樹上會增加Materials節(jié)點。成功賦予材料屬性的實體模型即可計算其質量重心，具體操作過程與第4.1節(jié)相同，此處不再贅述。

5 全船質量重心統(tǒng)計

在完成全船所有船體結構、舾裝件、機電設備、管路等模型的創(chuàng)建、質量重心聲明、材料屬性賦予等工作后，即可統(tǒng)計全船的質量重心值。選中全船裝配節(jié)點，在質量定義功能下，點擊計算質量選項，打開質量重心統(tǒng)計窗口，點擊左上角的Update按鈕，更新得到當前狀態(tài)最新的全船質量重心數(shù)據(jù)(見圖3)。此圖提供了全船模型的總質量、重心在全船坐標系中的位置、模型體積(未計入聲明質量模型的體積)等相關數(shù)據(jù)。同時，還可以統(tǒng)計全船不同質量類型模型的數(shù)量比重，包括聲明質量的模型、計算質量的模型、未定義質量屬性的模型等，并用不同的顏色進行區(qū)分，可以有效避免漏項、直觀地顯示全船模型的質量組成等。

圖3 全船質量重心統(tǒng)計表

此外，可以點擊表格左上角的Publication按鈕導出Excel表格，得到詳細的數(shù)據(jù)并可對其進行后續(xù)處理。

如果在設計過程中由于設計變更調整了部分模型布置位置或更改了模型內容、修改了模型的材料屬性或聲明質量重心，只需重新打開全船模型的質量重心統(tǒng)計表格并點擊Update按鈕，即可得到最新的全船質量重心統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

6 結 語

基于CATIA V6三維設計模型，從船體結構、船舶設備和裝置、管路等不同模型入手，詳細介紹了采用該軟件進行全船質量重心統(tǒng)計的方法。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的二維圖填表方法完全依靠人工采集數(shù)據(jù)，需要多人同時獨立開展統(tǒng)計工作相互驗證以避免出現(xiàn)問題，一旦出現(xiàn)問題需逐項進行排查，工作效率低；對于外形復雜的結構或管路等，只能大致獲取其重心數(shù)據(jù)，影響統(tǒng)計結果精確度；在處理大量數(shù)據(jù)時，容易漏項。本文介紹的基于CATIA V6三維設計模型的質量重心統(tǒng)計方法只需在建模時增加各模型質量重心的屬性定義操作，全船的統(tǒng)計結果由軟件自動計算，統(tǒng)計效率高；外形復雜的結構或管路等模型的重心數(shù)據(jù)可根據(jù)其三維形狀和密度分布計算得出精確值，保證了統(tǒng)計結果的精確性；可通過Weight Definition功能進行檢查，直觀顯示全船模型質量重心定義的完整度，不易漏項。因此，本文介紹的統(tǒng)計方法可提高設計效率、提升設計質量。

然而，若采用本文介紹的方法，焊料、油漆、結構建造誤差以及前文提及的變動載荷等均未能計入全船的質量重心統(tǒng)計結果中。若需考慮這些質量，可進行相應的二次開發(fā)或者結合傳統(tǒng)的方法進行統(tǒng)計。