基于CATIA軟件的船舶鑄鋼件三維建模方法

閆勝楠，秦 龔，仇鳳平

（滬東中華造船（集團）有限公司研發(fā)設(shè)計院，上海200129）

0 引 言

近年來，隨著船舶設(shè)計類軟件的不斷發(fā)展，三維設(shè)計技術(shù)逐漸成為提高船舶研發(fā)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。在國內(nèi)，基于采用CAD自主研發(fā)的SPD（Ship Product Design）和引進(jìn)的Tribon、NAPA等軟件，在船舶三維設(shè)計技術(shù)研究方面取得了一些成果。但是，當(dāng)前船舶鑄鋼件的設(shè)計建造仍主要采用二維圖紙實現(xiàn)，該方法不僅設(shè)計效率低，而且難以克服傳統(tǒng)二維設(shè)計中存在的視角單一、線型重疊不易分辨，以及部分區(qū)域曲面的曲率變化較大導(dǎo)致構(gòu)件定位困難和重量估算不精確等問題。

CATIA是法國達(dá)索公司開發(fā)的CAD／CAE／CAM一體化設(shè)計軟件。作為PLM（Product Lifecycle Management）協(xié)同解決方案的一個重要組成部分，CATIA采用了先進(jìn)的混合建模技術(shù)，提供了豐富的造型工具和強大的曲面設(shè)計模塊，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、工程建筑和消費品等領(lǐng)域中。目前CATIA V6版本提供了較為完善的船舶模塊，已在我國多家船廠和船舶設(shè)計院所推廣應(yīng)用。隨著CATIA在我國船舶行業(yè)應(yīng)用的不斷深入，考慮采用3DE平臺CATIA三維建模軟件，以船舶的艏柱鑄鋼件為例，提出一種在三維環(huán)境下設(shè)計生成船舶鑄鋼件的方法。通過對船舶鑄鋼件進(jìn)行三維建模，實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)與船舶鑄鋼件的協(xié)同設(shè)計，提高艏柱、艉軸管和艉軸架等船舶鑄鋼件的設(shè)計建造效率，以及這些鑄鋼件重量和重心估算的準(zhǔn)確度。

13 000 t重吊船是一種能裝載集裝箱、散貨和特殊設(shè)備等多種貨物的多用途重吊船，其船體結(jié)構(gòu)設(shè)計包含艏柱、艉軸管等鑄鋼件設(shè)計。本文以13 000 t重吊船的艏柱鑄鋼件的CATIA三維建模設(shè)計為例，介紹一種基于CATIA的船舶鑄鋼件三維設(shè)計建模方法。

1 13 000 t重吊船艏柱設(shè)計建模方法

1.1 設(shè)計準(zhǔn)備

船舶鑄鋼件設(shè)計是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成部分，涉及外板線型、區(qū)域甲板和肋板等構(gòu)件。通常情況下，與船體結(jié)構(gòu)連接的鑄鋼（或鍛鋼）的厚度，應(yīng)比相鄰的船體外板的厚度增加25%～50%；艏柱與舷側(cè)外板、底部結(jié)構(gòu)和底板甲板等構(gòu)件牢固相連，形成水密結(jié)構(gòu)；艏柱外露部分和邊緣應(yīng)充分倒圓。在三維環(huán)境下，鑄鋼件的設(shè)計建模工作需以前期的船體外殼（表面）、甲板和肋板等相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作為依據(jù)。圖1為艏柱和艉軸管鑄鋼件CATIA建模效果圖，鑄鋼件要與其相鄰結(jié)構(gòu)分段對接。

圖1 艏柱和艉軸管鑄鋼件CATIA建模效果圖

1.2 CATIA中船舶鑄鋼件設(shè)計建模的總體思路

在CATIA中，對鑄鋼件的建模與船體結(jié)構(gòu)不同：由于鑄鋼件大多是表面為曲面結(jié)構(gòu)的實體且其線型曲率變化較大，無法像結(jié)構(gòu)板架、肘板和艙壁等結(jié)構(gòu)一樣采用平面作為支持面進(jìn)行建模；由于鑄鋼件的厚度不均勻，不能像外板一樣賦予其板架屬性。因此，需利用關(guān)鍵的點、線、面等信息對鑄鋼件的形狀進(jìn)行控制，建模完成的鑄鋼件至少要有2個方向的剖面實現(xiàn)線型光順連接。

1）需調(diào)入前期工作中的船體結(jié)構(gòu)文件和經(jīng)過光順處理的船體外殼曲面文件，以肋位、各層甲板和平臺為剖面，建立各肋位面、甲板和平臺肋板等重要對接構(gòu)件與船體外殼之間的交線，將其作為下一步鑄鋼件與外板相對接部分的骨架線（與外板曲面連接的線型），以及鑄鋼件內(nèi)表面設(shè)計的輔助線。

2）需根據(jù)這些線型和結(jié)構(gòu)特征將鑄鋼件劃分為不同的區(qū)域，分別對其線型和曲面進(jìn)行構(gòu)建。在CATIA中，曲線和曲面的生成方式有多種：可采用任意平面繪制草圖，進(jìn)而向曲面投影形成空間曲線；可通過點、線、面的方式對空間元素直接求交集、剪切和偏移等，生成新元素，通過篩選對有用的元素進(jìn)行重新組合，形成新的三維曲線。

3）針對生成的三維曲線，以填充或多截面曲線等方式生成船舶鑄鋼件的外表面，對該外表面形成的封閉包絡(luò)體進(jìn)行填充，由此即可完成對船舶鑄鋼件結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計建模。

鑄鋼件的幾何特征主要通過GWS（Generative Wire-frame＆Surface）模塊設(shè)計。艏柱鑄鋼件設(shè)計建模流程見圖2。

圖2 艏柱鑄鋼件設(shè)計建模流程

2 CATIA中艏柱的設(shè)計建模

2.1 CAD剖面線獲取

在船體結(jié)構(gòu)前期設(shè)計中，可結(jié)合線型光順的外板曲面和相關(guān)鑄鋼件的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在各水平面、肋位面和與外板對接的過渡節(jié)點對鑄鋼件進(jìn)行相關(guān)設(shè)計，得到艏柱鑄鋼件水平剖面，作出艏柱鑄鋼件中縱剖面和水平面的線型，見圖3和圖4。

圖3 艏柱鑄鋼件部分水平剖面

圖4 艏柱CAD中縱剖面、水平面和部分節(jié)點詳圖

由圖3和圖4可知，根據(jù)CAD部分詳設(shè)剖面圖、部分節(jié)點圖和艏柱鑄鋼件左右對稱的特點，可創(chuàng)建左舷（或右舷），另外一側(cè)可作實體鏡像處理。根據(jù)圖4可得到部分典型位置的線型信息，如中縱剖面輪廓線、部分水平面截交輪廓線和與外板相交處結(jié)構(gòu)形式。在中縱剖面和部分水平面，通過做草圖的方式生成部分剖面輪廓的空間曲線。

2.2 結(jié)構(gòu)對接線型獲取

圖5為艏柱部分船體結(jié)構(gòu)及其與鑄鋼件對接處輪廓線，艏柱位于船體球鼻艏上部區(qū)域。由圖5可知，對于該區(qū)域與艏柱鑄鋼件相連接的結(jié)構(gòu)，采用Extract（抽取功能）獲得船體結(jié)構(gòu)與艏柱鑄鋼件相交部分線型，將這些曲線作為艏柱鑄鋼件船體內(nèi)部曲面的骨架線，通過多截面曲面（Multi-Sections Surface）將這些曲線擬合成艏柱鑄鋼件內(nèi)部曲面。

圖5 艏柱部分船體結(jié)構(gòu)及其與鑄鋼件對接處輪廓線

2.3 曲面的生成與修正

在獲取鑄鋼件典型剖面的線型信息和與船體結(jié)構(gòu)對接部分的線型信息之后，可通過Multi-Sections Surface和填充（Fill）功能大致構(gòu)建一個艏柱鑄鋼件船體內(nèi)部曲面，該曲面可能存在不光順或不合理的情況，需進(jìn)一步對其光順度和精度進(jìn)行提升。通過截交（Intersection）功能可截取不光順部分的關(guān)鍵部位曲線（或點），調(diào)節(jié)曲線（或點）的偏移數(shù)值，對曲面關(guān)鍵的點、線元素進(jìn)行修改、舍棄和添加，從而達(dá)到提升擬合曲面的不光順度的目的。在提取關(guān)鍵的線（或點）之后，要通過斷開連接（Isolate）的方式使線（或點）變?yōu)楣铝⒌膸缀卧?，否則再次引用可能會引發(fā)重復(fù)引用的錯誤，陷入死循環(huán)。

2.4 封閉曲面的生成

抽取艏柱鑄鋼件區(qū)域內(nèi)外板曲面的輪廓線（即圖4中的部分外板邊界線），選用GWS中的分割（Split）功能，從外板中取出艏柱鑄鋼件區(qū)域的外板面。抽取經(jīng)過修正的曲面的邊界，根據(jù)圖1所示的節(jié)點鑄鋼件與外板的連接形式，在平面上做出節(jié)點草圖，并按線段（Feature）的形式分段發(fā)布。在邊界線上選取多處剖面重復(fù)類似操作，發(fā)布的Feature沿曲面邊界線掃略（Sweep），生成新曲面。利用新曲面的邊界線重復(fù)上述操作，直至按圖1所示節(jié)點的形式使艏柱鑄鋼件船體內(nèi)部曲面與外板曲面相連接，形成封閉的曲面。

2.5 實體模型的生成

通過GWS中的相加（Join）功能，可將修正后的曲面、利用修正后曲面邊界線的重復(fù)掃略曲面和外板曲面Join起來，圍成一個空間型閉合曲面。在GWS中，可通過Close Surface功能，利用空間型閉合曲面生成一個實體模型。

以上生成的實體模型只是船體外板內(nèi)部的部分，對于與船體外板對合的部分，以Thick Surface（加厚，厚度與該區(qū)域外板的厚度相同）的方式將在2.3節(jié)中截取的艏柱鑄鋼件區(qū)域外板曲面生成實體，并將實體部分與之前生成的曲面包絡(luò)實體Join，得到最終的艏柱鑄鋼件實體模型。

3 鑄鋼件估重、計算分析

在CATIA中，可對直接實體模型賦予密度和材料等信息，艏柱鑄鋼件為鋼結(jié)構(gòu)，密度取7 850 kg／m，軟件讀取模型體積，以獲取艏柱的重量、重心等信息。這些信息可應(yīng)用于后續(xù)鑄鋼件的運輸和搭載設(shè)計中。

根據(jù)《英國勞氏軍規(guī)》第1卷第2篇第4章，不允許制造或修理鑄鋼連桿，為了得到認(rèn)可，應(yīng)在制造廠采用建議的方法進(jìn)行試驗，以證明鑄件是完好的。應(yīng)進(jìn)行試驗，以證實鑄件（包括曾經(jīng)焊補過的區(qū)域）已具有滿足要求的力學(xué)性能。有了鑄鋼件三維模型之后，可利用該模型對一些鑄鋼件的力學(xué)性能進(jìn)行模擬測試，根據(jù)試驗結(jié)果對鑄鋼件的設(shè)計質(zhì)量進(jìn)行及時掌握和修正，有效避免一些錯誤的產(chǎn)生。

4 結(jié) 語

通過對13 000 t重吊船艏柱鑄鋼件進(jìn)行三維建模設(shè)計，克服了傳統(tǒng)鑄鋼件二維設(shè)計中存在的視角單一、線型重疊等弊端，船體鑄鋼件外型結(jié)構(gòu)表達(dá)更為直觀，施工建造難度下降。同時，通過對鑄鋼件進(jìn)行三維建模設(shè)計，可在設(shè)計管理上實現(xiàn)船舶鑄鋼件與船體結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計，避免因外板對接區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜而引發(fā)對接誤差過大和鑄鋼件重量估算誤差較大等問題，提高船舶結(jié)構(gòu)整體設(shè)計的效率。利用三維建模的方式估算鑄鋼件質(zhì)量，可減小采用傳統(tǒng)方式估算鑄鋼件質(zhì)量產(chǎn)生的誤差，例如13 000 t重吊船艏柱三維模型質(zhì)量估算結(jié)果與實際相比誤差下降10%以上，能提升企業(yè)在鑄鋼件建造報價和委托建造議價等方面的主動性，節(jié)省建造費用。

本文所述鑄鋼件CATIA三維設(shè)計建模方法能用來完成船舶鑄鋼件設(shè)計和質(zhì)量估算等工作，同時能實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)與船舶鑄鋼件的協(xié)同設(shè)計，有效提升船舶結(jié)構(gòu)和鑄鋼件設(shè)計的準(zhǔn)確度、表達(dá)的直觀性，具有一定的工程意義和實用價值。