(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,上海 200011)

近年來，隨著設(shè)計軟件的不斷發(fā)展，三維設(shè)計技術(shù)已逐漸成為提高船舶研制效率和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，國內(nèi)在船舶設(shè)計制造領(lǐng)域先后引入了TRIBON、NAPA、FORAN、CATIA等三維設(shè)計軟件，并獲得了初步成效[1-4]。但在船體外板結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，目前仍然以二維圖紙為主，不僅效率較低，而且難以克服傳統(tǒng)外板二維設(shè)計過程中存在的視角單一、線型重疊不易分辨以及部分區(qū)域曲率較大導(dǎo)致的構(gòu)件定位、重量不精確等問題。為此，考慮基于CATIA V6軟件平臺，建立一種在三維環(huán)境下直接設(shè)計生成船體外板結(jié)構(gòu)的方法，通過二次開發(fā)結(jié)合軟件自身的功能，完成船體外板板架的自動檢查，提高外板結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性。

1 三維環(huán)境下船體外板板架設(shè)計方法

1.1 設(shè)計準(zhǔn)備

船體外板板架設(shè)計是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分，涉及外板板的排列和外板骨架中縱向、橫向構(gòu)件的布置(見圖1)，包括平板龍骨、船底板、舭列板、舷側(cè)板、舷頂列板等區(qū)域的劃分和板厚的確定，底桁材、龍骨、底部及舷側(cè)縱骨、肋板、肋骨及加強(qiáng)筋等的布置形式和尺寸的選取等。通常情況下，外板板架設(shè)計需要參考總布置圖、型線圖、按設(shè)計規(guī)范制定的計算書,以及基本的結(jié)構(gòu)圖紙等技術(shù)資料。在三維環(huán)境下，外板板架的設(shè)計工作需要將前期的船體外殼表面、各甲板、平臺、艙壁的布置以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求作為依據(jù)。

圖1 船體外板板架形式

1.2 CATIA中外板板架的設(shè)計方法

首先,需要建立各肋位平面以及甲板、平臺、縱艙壁等重要的分艙表面與船體外殼的交線，作為下一步骨架布置和外板劃分的基礎(chǔ)。其次,需要根據(jù)這些交線將外板劃分成不同區(qū)域，分別進(jìn)行構(gòu)件軌跡線和板縫線的布置。在CATIA V6軟件中構(gòu)件軌跡線和板縫線有多種生成方式：既可以選擇任意平面繪制草圖，進(jìn)而向外殼表面投影成為空間曲線，也可以對空間元素直接進(jìn)行求交、剪切、偏移等操作生成三維曲線，完成船體外板縱向構(gòu)件和板縫的布置。最后,針對生成的跡線進(jìn)行外板板格尺寸的檢查，進(jìn)而建立外板板、骨材、桁材等構(gòu)件的三維模型。

CATIA中外板板架的設(shè)計流程見圖2。

圖2 CATIA V6外板板架三維設(shè)計流程

其中，幾何特征主要通過Generative Wireframe & Surface(GWS)模塊完成，而創(chuàng)建船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件則主要由Structure Function Design(SFD)模塊和Structure Detail Design(SDD)模塊構(gòu)成，其中SFD模塊屬于輕量化建模的模塊，便于快速建模，并能夠與其他專業(yè)進(jìn)行協(xié)同修改，比較適合船體外板板架的設(shè)計工作。

2 CATIA中船體外板板架的生成

在CATIA軟件中，首先需要利用已有的船體外殼、甲板、平臺、艙壁等幾何面和肋位坐標(biāo)面生成船體的肋骨型線、甲板邊線等曲線，將船殼劃分為不同的區(qū)域，作為外板骨架布置的基礎(chǔ)。其次，利用草圖和曲線編輯工具生成外板各個區(qū)域的骨材跡線和板縫線，最終以這些幾何信息作為支撐，通過調(diào)用相應(yīng)的型材庫生成三維環(huán)境下的外板骨架。

2.1 肋骨型線、甲板邊線的生成

肋骨型線和甲板邊線是外板骨材布置的基礎(chǔ)，通過他們可以將外板劃分為不同的區(qū)域，針對不同區(qū)域使用不同的方法進(jìn)行骨材和板縫的布置。因此，在設(shè)計之初需要生成外殼、甲板、艙壁等幾何面。以某船為例，見圖3。

圖3 某船外殼及甲板幾何面

在此基礎(chǔ)上，利用批量求交線的方法創(chuàng)建甲板邊線和肋骨型線，見圖4。

圖4 肋骨型線及甲板邊線

圖中肋骨型線用實(shí)線顯示，甲板、平臺以及內(nèi)底等邊線用虛線顯示。

2.2 外板板縫線和骨材跡線的創(chuàng)建

在CATIA軟件中外板骨材跡線與板縫線的創(chuàng)建方式主要分為2種：①基于任意平面(如橫剖面、縱剖面、水平面等)繪制跡線草圖，進(jìn)而向船體外殼投影生成空間曲線；②基于已有的空間點(diǎn)和曲線(如甲板邊線、船體折角線等)，通過曲線生成和編輯工具等操作直接創(chuàng)建。此前已經(jīng)將船體外板分成的不同區(qū)域，可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法進(jìn)行板縫線和骨材跡線的創(chuàng)建。例如,在船舶平行中體等線型平緩的區(qū)域可使用投影法，而艏艉線型變化劇烈的區(qū)域則較適用于空間曲線的直接創(chuàng)建。

按照投影方法在不同方向平面上繪制板縫跡線草圖見圖5～7。

圖5 縱剖面板縫劃分草圖

圖6 底部骨材跡線投影草圖

圖7 橫剖面骨材跡線投影草圖

從圖中可以看出，在三維環(huán)境下設(shè)計者可以通過靈活的挑選草圖平面，更加方便快速的生成各個區(qū)域所需要的曲線，從而克服了傳統(tǒng)二維圖紙只有一個視角的局限，也能夠更好的把握全船骨材的布置和走向。利用甲板邊線沿船殼曲面平移創(chuàng)建的縱向骨材跡線見圖8。

圖8 通過曲線編輯創(chuàng)建骨材跡線

通過調(diào)節(jié)曲線偏移的數(shù)值，可以嚴(yán)格保證外板骨材間距滿足規(guī)范計算要求；此外，利用裁剪功能可靈活調(diào)整骨材跡線的起止點(diǎn)，十分適用于艏部外飄、球鼻艏、艉軸出口等線型特殊的區(qū)域。相比于傳統(tǒng)的外板展開圖，這種方法能夠更加精確的進(jìn)行骨材構(gòu)件的定位和后續(xù)重量重心的統(tǒng)計，具有明顯的優(yōu)勢。通過結(jié)合以上幾種方法，即可較快地生成全船骨材跡線和板縫線，用于下一步的實(shí)體建模工作。

2.3 三維外板板架的生成

在CATIA V6軟件中外板板架的三維建模與平面板架不同：由于外板為三維曲面，其上的骨材跡線多為空間曲線，無法像甲板、艙壁等結(jié)構(gòu)用平面作為支持面進(jìn)行創(chuàng)建。因此需要利用骨材跡線作為輸入生成外板的實(shí)體模型。此外，由于外板曲面比較復(fù)雜，構(gòu)件數(shù)量較多，往往需要按船體分段或總段縫進(jìn)行分別建模，便于后期的修改和管理。

某船CATIA模型中部分底部外板的三維模型見圖9，其支持面選擇船殼外表面，利用生成的板縫線完成船體外板的劃分。

圖9 底部外板三維模型

外板縱骨的三維模型見圖10，在創(chuàng)建縱骨時既可以選擇已生成的縱骨跡線，也可由跡線進(jìn)一步拉伸生成縱骨支持面。

圖10 外板縱骨三維模型

最后根據(jù)橫向構(gòu)件跡線和肋位平面等生成橫向構(gòu)件，完成外板板架的創(chuàng)建，見圖11。

3 自動檢查

外板板架設(shè)計的重要要求之一就是縱橫交叉構(gòu)件所形成的外板板格尺寸須符合規(guī)范計算的要求，一般來說板格的寬度不應(yīng)超過規(guī)范計算得到的某一限制值。

采用CATIA軟件自帶的知識工程語言(EKL)，通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)每個肋位上縱向構(gòu)件間距的自動測量和輸出，并根據(jù)規(guī)范計算得出的限制值自動判斷板格大小是否符合要求。程序首先求出肋位線與縱骨線之間的交點(diǎn)，進(jìn)而計算每根肋骨線上相鄰兩點(diǎn)之間的距離并進(jìn)行判斷，最后將結(jié)果輸出到Excel表格中。其核心代碼如下。

3.1 計算肋骨線與縱骨線的交點(diǎn)

pTemp=intersect(CurTemp,CurveTemp) /定義交點(diǎn)/

let px,py,pz(length) pTemp.coord(px,py,pz)

if(px<>0mm and py<>0mm and pz<>0mm)

{ let p(Point)

p=new("Point",CurTemp.Name+"+"+CurveTemp.Name,GSPointTemp) /交點(diǎn)輸出名稱用相交的肋骨線和縱骨線表示/

p=pTemp}

3.2 計算肋骨線上兩點(diǎn)之間的距離

let LenTemp(Length)

LenTemp=length(iCurve, pointList.GetItem(j), pointList.GetItem(j+1)) /計算沿肋骨線兩個相鄰點(diǎn)之間的距離，即板格的長度/

let strLenTemp(String)

strLenTemp=ToString(LenTemp)

let strBoolean(string)

if(LenTemp<=Len1+0.01mm) strBoolean="True" /判斷板格長度是否滿足設(shè)定的要求，Len1為人工設(shè)定的判斷值/

else strBoolean="False"

3.3 將所有計算結(jié)果輸出到Excel表格中

strInstersect1=ListTemp.GetItem(1) /獲取板格第一個點(diǎn)的名稱/

strInstersect2=ListTemp.GetItem(2) /獲取板格第二個點(diǎn)的名稱/

strDistance=ListTemp.GetItem(3) /獲取板格長度/

strBoolean=ListTemp.GetItem(4) /獲取判斷結(jié)果/

/將以上信息輸出至Excel表格/

oXLSheet.SetCell(indx+1,1,strInstersect1)

oXLSheet.SetCell(indx+1,2,strInstersect2)

oXLSheet.SetCell(indx+1,3,strDistance)

oXLSheet.SetCell(indx+1,4,strBoolean)

CATIA軟件中的執(zhí)行界面見圖12。對關(guān)注的縱骨跡線、肋位線和船殼曲面進(jìn)行板格尺寸檢查，執(zhí)行結(jié)果見圖13。

圖12 外板板架自動檢查工具界面

該程序不僅可以快速定位外板板架中超標(biāo)的板格，還可檢查船體外板板縫之間的間距是否超過原始板材的規(guī)格。設(shè)計者基于檢查結(jié)果可對外板板架設(shè)計進(jìn)行快速修改，形成最終的三維外板板架模型。與傳統(tǒng)二維設(shè)計使用人工校審相比，大幅提升了設(shè)計校核的效率以及準(zhǔn)確性。

圖13 外板板架自動檢查結(jié)果

4 結(jié)論

通過在三維船殼上直接進(jìn)行外板板縫劃分和骨材布置，克服了傳統(tǒng)外板二維設(shè)計中視角單一、線型重疊等弊端，同時避免了由于外板展開帶來的曲率較大區(qū)域構(gòu)件定位、重量統(tǒng)計不精確等問題。利用外板自動檢查工具，可快速準(zhǔn)確定位不符合規(guī)范要求的局部板架，提高了檢查修改的效率，確保了板架設(shè)計的準(zhǔn)確性和合理性。實(shí)際工程應(yīng)用表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)船體外板板架三維模型的快速生成、檢查和修改，在高效完成船體外板結(jié)構(gòu)三維設(shè)計的同時，提升了設(shè)計的準(zhǔn)確度，具有一定的工程意義和實(shí)用價值。