船舶三維模型參數(shù)化設計技術(shù)開發(fā)及應用研究

1、船舶三維模型參數(shù)化設計技術(shù)開發(fā)及應用強兆新摘 要:本文介紹了船舶三維模型參數(shù)化設計中船型生成系統(tǒng)、船舶參數(shù)化分艙和穩(wěn)性計 算系統(tǒng)、船體結(jié)構(gòu)參數(shù)化生成、有限元模型快速生成系統(tǒng)、船舶模型在各系統(tǒng)間無縫傳遞 的實現(xiàn)等功能。給出了船舶三維模型參數(shù)化設計的應用案例,并展望其對我國數(shù)字化造船 起到的推動作用及積極意義。關(guān)鍵詞:三維模型,參數(shù)化設計,技術(shù)開發(fā)Ship 3D Parametric Design Technology Development and Application QIANG Zhao-xin(China Ship Design & Research Center Co., Lt

2、d, Beijing 100081, ChinaAbstract: In this paper, 3D model of the ship design parameters of the system to generate ship, ship parameters of the subdivision and stability calculation, the parameters of the hull structure of production, rapid finite element model generation systems, ships models in the

3、 seamless delivery systems such as the realization of the Function. Gives three-dimensional model of the ship design parameters of the application of the case and its outlook on China's Digital Shipbuilding and play a role in promoting positive.Key words: 3D model, Parametric Design, Technology

4、Development1 引 言三維參數(shù)化設計是提高產(chǎn)品設計質(zhì)量和效率的重要手段, 目前已在航空、 航天、 汽車 工業(yè)等行業(yè)的研發(fā)設計全過程中得到廣泛應用。由于船舶產(chǎn)品的相對復雜性,其三維參數(shù) 化設計的應用程度相對落后。雖然目前國內(nèi)各大造船企業(yè)均采用了如 TRIBON 、 CADDS5等 軟件來進行三維的生產(chǎn)設計,在提高設計質(zhì)量上取得了顯著的成效,然而這僅僅是在設計 后期三維設計技術(shù)的基本應用。為減少重復勞動和保證設計的一致性和連貫性,船舶三維 設計技術(shù)正在向詳細設計拓展。“船舶三維模型參數(shù)化設計技術(shù)應用開發(fā)研究” 科研項目是國防科工委批準的國家重 點科技攻關(guān)項目,旨在對現(xiàn)有三維設計系統(tǒng)進行消

5、化、吸收的基礎上,通過技術(shù)引進、自 主開發(fā)、二次開發(fā)等手段,對三維設計系統(tǒng)進行整合,將船舶三維設計技術(shù)向詳細設計拓 展。通過一個多專業(yè)共用的參數(shù)化模型,實現(xiàn)船舶設計的并行協(xié)同和眾多設備、系統(tǒng)的集 成和協(xié)調(diào)。不僅體現(xiàn)在布置上的一體化實現(xiàn),更體現(xiàn)在船舶各種性能、系統(tǒng)功能的設計分析上的一體化實現(xiàn)。項目的研究框架如圖 1所示: 圖 1. 項目研究的框架結(jié)構(gòu)該項目從三維參數(shù)化船舶設計的模型結(jié)構(gòu)體系、 設計流程出發(fā), 通過對參數(shù)化總體模 型、結(jié)構(gòu)設計模型、結(jié)構(gòu)分析模型的深入研究,實現(xiàn)了三維船舶設計模型在研發(fā)設計各階 段的數(shù)據(jù)傳遞、避免了重復建模、提高了設計效率,以下對其關(guān)鍵技術(shù)進行簡要的介紹, 并給出應用

6、案例。2 船舶三維參數(shù)化設計系統(tǒng)的整合通過對國內(nèi)外船舶設計軟件進行分析、對比,依據(jù)各軟件的應用范圍、開放性及國內(nèi) 各大設計單位、船廠的使用情況確定船舶研發(fā)設計各階段的平臺軟件。采取引進國外商用 軟件和國內(nèi)自主研發(fā)軟件相結(jié)合的技術(shù)路線,充實船舶設計各階段的技術(shù)力量。通過對引 進軟件的二次開發(fā),完善商用軟件的功能;通過完善各軟件間的數(shù)據(jù)接口,使數(shù)據(jù)在設計 流程中的傳遞更加流暢,保證模型數(shù)據(jù)文件在產(chǎn)品設計的全生命周期中的充分利用。船舶 三維參數(shù)化設計系統(tǒng)的構(gòu)成包括:1船型參數(shù)化生成及精光順軟件以 702所自主研發(fā)的 HDS 軟件作為船型參數(shù)化生成及精光順技術(shù)的依托軟件,該軟 件不僅具有母型變換功能,

7、同時還具有球艏、艉框的參數(shù)化修改功能及全船統(tǒng)一光順的功 能。軟件的光順系統(tǒng)對船體采用傳統(tǒng)的網(wǎng)格描述,描述船體的數(shù)據(jù)都是三維相關(guān)的,采用雙圓弧樣條對二維線上的點進行擬合,以圓弧曲率為判斷光順的標準,三維線的光順以在三個正交投影面上的投影線都光順為判斷標準。2船舶流體力學(CFD 分析軟件的選取在船舶線型生成后,通常會對船舶的快速性進行分析,確定快速性指標最準確的方法 是通過船模實驗, 但這會花費大量的時間和人力、 物力, 不利于多方案的快速比較。 因此, 專用于船舶阻力及快速性分析的船舶流體力學分析軟件(船舶 CFD 分析軟件隨之產(chǎn)生。 船舶 CFD 分析軟件中 SHIPFLOW 和 FLUEN

8、T 是其中比較領(lǐng)先的軟件。3參數(shù)化分艙布置及穩(wěn)性計算軟件的選取船舶性能計算方面, 芬蘭 NAPA 公司開發(fā)的船舶設計軟件包在國內(nèi)外的應用都比較廣 泛,項目依托 NAPA 軟件對依托船進行參數(shù)化分艙和穩(wěn)性計算。4三維結(jié)構(gòu)建模軟件的選取船舶行業(yè)中應用的 CAD 系統(tǒng)中各種建模方式的軟件都有應用,包括以下幾類:對于船型生成和性能計算方面的軟件多采用線框建模和曲面建模混合的建模方 式,如 Napa , HDS 等對于面向結(jié)構(gòu)概念設計的軟件多采用線框建模為主的建模方式,如 NapaSteel 、 Intelliship 等對于面向結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設計的軟件多采用實體建模為主的建模方式,如 TRIBON 、 CA

9、DDS5、 CATIA 等有限元分析軟件多采用線框建模和曲面建模的混合方式,如 ansys 、 Patran 等 本項目研究的目的首先是實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模,因此從面向結(jié)構(gòu)概念設計和面 向結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設計的軟件中進行選擇。5有限元分析軟件的選取隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,對復雜結(jié)構(gòu)進行有限元分析成為可能,對于船舶進行整體和 局部的有限元分析成為校核船舶結(jié)構(gòu)設計的常規(guī)手段。通用的有限元分析軟件有美國 ANSYS 公司的 ANSYS 、 HKS 公司的 ABAQUS 軟件、 MSC 公司的 PATRAN/NASTRAN。 國內(nèi)幾種軟件都有應用, 其中 PA TRAN/NASTRAN界面操作簡單、 開放性

10、好, 適合于工程 應用。3船舶三維參數(shù)化設計關(guān)鍵軟件開發(fā)及二次開發(fā)1 HDS 系統(tǒng)的開發(fā)HDS (Hull Design System系統(tǒng)由船型數(shù)據(jù)輸入接口、母型船變換、船型局部參數(shù)化 變換、船體型線光順、船型數(shù)據(jù)輸出接口等功能模塊及系統(tǒng)綜合管理模塊構(gòu)成。 圖 2.HDS 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的核心工作是對船型數(shù)據(jù)的分析和處理,即把與船型設計有關(guān)的操作(即功能模 塊集成起來,達到計算機輔助船型設計的目的。2 NAPA 系統(tǒng)的二次開發(fā)基于對 NAPA 軟件 NAPA-MANAGER 模塊的二次開發(fā),通過修改、增加宏程序的方 式建立符合需求的模塊,完成如下功能:基于總體設計思想,集成總體設計的樹狀設

11、計流程;甲板參數(shù)化定義;內(nèi)殼參數(shù)化定義;分艙信息正確性的圖形校正;軟件使用統(tǒng)一命名規(guī)則;3 CADDS 5系統(tǒng)的二次開發(fā)模塊數(shù)據(jù)庫的開發(fā)是利用 CADDS 5提供的二次開發(fā)語言 CVMAC 和 CV ACT 進行的。 CVMAC 有兩個特點,一是直接調(diào)用 CADDS5的命令,另一個是直接提取實體的數(shù)據(jù)。 CV ACT 是專門做界面的軟件包,可開發(fā)出非常完整的與 CADDS5系統(tǒng)一致的界面,實現(xiàn) 對界面的操作以及保存界面的參數(shù)和調(diào)用 CVMAC 編寫的程序。菜單由 19個功能按鈕組成,共分為管理及輸入模塊、板架建模模塊、通用建模模塊、 輸出功能模塊、輔助功能模塊五部分,各部分功能如下:管理及輸入

12、模塊用于設計數(shù)據(jù)、總體幾何參數(shù)和船舶基本設計信息管理;板架建模模塊適用于設有中縱槽形艙壁和橫向槽形艙壁的大型雙底雙殼油船的貨艙區(qū) 平直區(qū)域的船體結(jié)構(gòu)三維建模;通用建模模塊包括通用板架建模工具和通用加強筋工具,用于線型復雜區(qū)域快速建模; 輸出功能模塊包括重量、重心計算及材料統(tǒng)計匯總,提取三維模型中的結(jié)構(gòu)信息等功 能模塊;輔助模塊有肋位標尺工具,局部坐標系工具,參數(shù)化開孔工具,坐標顯示工具; 4船舶三維模型間數(shù)據(jù)的無縫傳遞隨著船舶設計中 CAD 技術(shù)應用越來越廣, 各種各樣的船用 CAD 軟件應運而生, 這些 CAD 軟件各有所長,在不同的設計階段發(fā)揮著各自不同的作用。在船舶設計的過程中,無論是總

13、體設計還是結(jié)構(gòu)設計都不可能在同一個軟件中完成所 有的設計內(nèi)容,這就要求對設計流程中的各軟件間的數(shù)據(jù)流動關(guān)系進行研究。在設計流程 的各依托軟件的應用中,既要保證本系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)暢通,也要能和其他的 CAD 軟件進行 數(shù)據(jù)交換。5船舶三維參數(shù)化設計技術(shù)應用船舶參數(shù)化設計流程的各個環(huán)節(jié)、 軟件接口、 數(shù)據(jù)傳遞等方面是否運行可靠, 需要通 過一條船的研發(fā)設計進行實船驗證。 76000噸成品油 /原油船(簡稱 PC760是在 72000噸 成品油 /原油船的基礎上優(yōu)化開發(fā)出的巴拿馬最大型油船,其各項性能指標都比較優(yōu)秀、 資料比較完備。應用該船作為項目船能夠很好的驗證項目研究成果。同時,可以對其艏艉 線型進一步優(yōu)化,結(jié)構(gòu)設計進行參數(shù)化建模和進行滿足 CSR 規(guī)范的升級開發(fā)等工作。完成 的工作及應用的模塊如表 1所示:表 1 應用項目的具體內(nèi)容和應用效果如下:1母型變換首先應用母型變換法從 PC720得到 PC760的初步型線。直接從數(shù)據(jù)庫導入 PC720的型首先應用母型變換法從 PC720 得到 PC760 的初步型線。直接從數(shù)據(jù)庫導入 PC720 的型 線，選取 HDS 的母型變換菜單，啟動母型變換法線型生成模塊，通過輸入變換參數(shù)完成船 型變換，得到需要的 PC760 目標船初步型線。母型變換參數(shù)對