船舶三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究

1、船舶三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用強(qiáng)兆新摘 要:本文介紹了船舶三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)中船型生成系統(tǒng)、船舶參數(shù)化分艙和穩(wěn)性計(jì) 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(shí)現(xiàn)等功能。給出了船舶三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用案例,并展望其對(duì)我國(guó)數(shù)字化造船 起到的推動(dòng)作用及積極意義。關(guān)鍵詞:三維模型,參數(shù)化設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)全過程中得到廣泛應(yīng)用。由于船舶產(chǎn)品的相對(duì)復(fù)雜性,其三維參數(shù) 化設(shè)計(jì)的應(yīng)用程度相對(duì)落后。雖然目前國(guó)內(nèi)各大造船企業(yè)均采用了如 TRIBON 、 CADDS5等 軟件來進(jìn)行三維的生產(chǎn)設(shè)計(jì),在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量上取得了顯著的成效,然而這僅僅是在設(shè)計(jì) 后期三維設(shè)計(jì)技術(shù)的基本應(yīng)用。為減少重復(fù)勞動(dòng)和保證設(shè)計(jì)的一致性和連貫性,船舶三維 設(shè)計(jì)技術(shù)正在向詳細(xì)設(shè)計(jì)拓展?！按叭S模型參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用開發(fā)研究” 科研項(xiàng)目是國(guó)防科工委批準(zhǔn)的國(guó)家重 點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,旨在對(duì)現(xiàn)有三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行消

5、化、吸收的基礎(chǔ)上,通過技術(shù)引進(jìn)、自 主開發(fā)、二次開發(fā)等手段,對(duì)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行整合,將船舶三維設(shè)計(jì)技術(shù)向詳細(xì)設(shè)計(jì)拓 展。通過一個(gè)多專業(yè)共用的參數(shù)化模型,實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)計(jì)的并行協(xié)同和眾多設(shè)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(shí)現(xiàn),更體現(xiàn)在船舶各種性能、系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)分析上的一體化實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目的研究框架如圖 1所示: 圖 1. 項(xiàng)目研究的框架結(jié)構(gòu)該項(xiàng)目從三維參數(shù)化船舶設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)體系、 設(shè)計(jì)流程出發(fā), 通過對(duì)參數(shù)化總體模 型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型、結(jié)構(gòu)分析模型的深入研究,實(shí)現(xiàn)了三維船舶設(shè)計(jì)模型在研發(fā)設(shè)計(jì)各階 段的數(shù)據(jù)傳遞、避免了重復(fù)建模、提高了設(shè)計(jì)效率,以下對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹, 并給出應(yīng)用

6、案例。2 船舶三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整合通過對(duì)國(guó)內(nèi)外船舶設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析、對(duì)比,依據(jù)各軟件的應(yīng)用范圍、開放性及國(guó)內(nèi) 各大設(shè)計(jì)單位、船廠的使用情況確定船舶研發(fā)設(shè)計(jì)各階段的平臺(tái)軟件。采取引進(jìn)國(guó)外商用 軟件和國(guó)內(nèi)自主研發(fā)軟件相結(jié)合的技術(shù)路線,充實(shí)船舶設(shè)計(jì)各階段的技術(shù)力量。通過對(duì)引 進(jìn)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(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)的全生命周期中的充分利用。船舶 三維參數(shù)化設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(duì)二維線上的點(diǎn)進(jìn)行擬合,以圓弧曲率為判斷光順的標(biāo)準(zhǔn),三維線的光順以在三個(gè)正交投影面上的投影線都光順為判斷標(biāo)準(zhǔn)。2船舶流體力學(xué)(CFD 分析軟件的選取在船舶線型生成后,通常會(huì)對(duì)船舶的快速性進(jìn)行分析,確定快速性指標(biāo)最準(zhǔn)確的方法 是通過船模實(shí)驗(yàn), 但這會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)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(xué)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(jì)算軟件的選取船舶性能計(jì)算方面, 芬蘭 NAPA 公司開發(fā)的船舶設(shè)計(jì)軟件包在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用都比較廣 泛,項(xiàng)目依托 NAPA 軟件對(duì)依托船進(jìn)行參數(shù)化分艙和穩(wěn)性計(jì)算。4三維結(jié)構(gòu)建模軟件的選取船舶行業(yè)中應(yīng)用的 CAD 系統(tǒng)中各種建模方式的軟件都有應(yīng)用,包括以下幾類:對(duì)于船型生成和性能計(jì)算方面的軟件多采用線框建模和曲面建?；旌系慕７?式,如 Napa , HDS 等對(duì)于面向結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的軟件多采用線框建模為主的建模方式,如 NapaSteel 、 Intelliship 等對(duì)于面向結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的軟件多采用實(shí)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(xiàng)目研究的目的首先是實(shí)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(shè)計(jì)和面 向結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的軟件中進(jìn)行選擇。5有限元分析軟件的選取隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析成為可能,對(duì)于船舶進(jìn)行整體和 局部的有限元分析成為校核船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常規(guī)手段。通用的有限元分析軟件有美國(guó) ANSYS 公司的 ANSYS 、 HKS 公司的 ABAQUS 軟件、 MSC 公司的 PATRAN/NASTRAN。 國(guó)內(nèi)幾種軟件都有應(yīng)用, 其中 PA TRAN/NASTRAN界面操作簡(jiǎn)單、 開放性

10、好, 適合于工程 應(yīng)用。3船舶三維參數(shù)化設(shè)計(jì)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(duì)船型數(shù)據(jù)的分析和處理,即把與船型設(shè)計(jì)有關(guān)的操作(即功能模 塊集成起來,達(dá)到計(jì)算機(jī)輔助船型設(shè)計(jì)的目的。2 NAPA 系統(tǒng)的二次開發(fā)基于對(duì) 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(shè)計(jì)思想,集成總體設(shè)計(jì)的樹狀設(shè)

11、計(jì)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(jìn)行的。 CVMAC 有兩個(gè)特點(diǎn),一是直接調(diào)用 CADDS5的命令,另一個(gè)是直接提取實(shí)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(shí)現(xiàn) 對(duì)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(gè)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、總體幾何參數(shù)和船舶基本設(shè)計(jì)信息管理;板架建模模塊適用于設(shè)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(qiáng)筋工具,用于線型復(fù)雜區(qū)域快速建模; 輸出功能模塊包括重量、重心計(jì)算及材料統(tǒng)計(jì)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(biāo)尺工具,局部坐標(biāo)系工具,參數(shù)化開孔工具,坐標(biāo)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(shè)計(jì)中 CAD 技術(shù)應(yīng)用越來越廣, 各種各樣的船用 CAD 軟件應(yīng)運(yùn)而生, 這些 CAD 軟件各有所長(zhǎng),在不同的設(shè)計(jì)階段發(fā)揮著各自不同的作用。在船舶設(shè)計(jì)的過程中,無論是總

13、體設(shè)計(jì)還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都不可能在同一個(gè)軟件中完成所 有的設(shè)計(jì)內(nèi)容,這就要求對(duì)設(shè)計(jì)流程中的各軟件間的數(shù)據(jù)流動(dòng)關(guān)系進(jìn)行研究。在設(shè)計(jì)流程 的各依托軟件的應(yīng)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(jìn)行 數(shù)據(jù)交換。5船舶三維參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用船舶參數(shù)化設(shè)計(jì)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)、 軟件接口、 數(shù)據(jù)傳遞等方面是否運(yùn)行可靠, 需要通 過一條船的研發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證。 76000噸成品油 /原油船(簡(jiǎn)稱 PC760是在 72000噸 成品油 /原油船的基礎(chǔ)上優(yōu)化開發(fā)出的巴拿馬最大型油船,其各項(xiàng)性能指標(biāo)都比較優(yōu)秀、 資料比較完備。應(yīng)用該船作為項(xiàng)目船能夠很好的驗(yàn)證項(xiàng)目研究成果。同時(shí),可以對(duì)其艏艉 線型進(jìn)一步優(yōu)化,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)化建模和進(jìn)行滿足 CSR 規(guī)范的升級(jí)開發(fā)等工作。完成 的工作及應(yīng)用的模塊如表 1所示:表 1 應(yīng)用項(xiàng)目的具體內(nèi)容和應(yīng)用效果如下:1母型變換首先應(yīng)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(dǎo)入 PC720的型首先應(yīng)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(dǎo)入 PC720 的型 線，選取 HDS 的母型變換菜單，啟動(dòng)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(biāo)船初步型線。母型變換參數(shù)對(duì)