張 凱 謝承福 涂躍紅 鄧愛民

1海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海200083 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

FORAN軟件在船舶總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張 凱1謝承福2涂躍紅2鄧愛民2

1海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海200083 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

采用先進(jìn)的三維造船軟件并逐步深化其應(yīng)用，已是國(guó)內(nèi)造船行業(yè)的趨勢(shì)，介紹了船舶制造三維設(shè)計(jì)軟件FORAN的開發(fā)內(nèi)容、特點(diǎn)及總體設(shè)計(jì)部分模塊的應(yīng)用情況。并結(jié)合1艘60 m海事巡邏艇的施工設(shè)計(jì)為例，應(yīng)用FORAN軟件進(jìn)行三維建模、靜水力計(jì)算及艙容積計(jì)算。

FORAN；三維設(shè)計(jì)技術(shù)；船舶型線建模；船舶性能計(jì)算

1 引言

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)可以提高船舶設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)造船行業(yè)的共識(shí)。國(guó)內(nèi)多數(shù)研究所和造船廠已經(jīng)較大范圍應(yīng)用了國(guó)際先進(jìn)水平的三維造船軟件，具有代表性的軟件是FORAN、TRIBON、MAXSURF、NAPA和CADDS5等，經(jīng)過多年的經(jīng)驗(yàn)積累和二次開發(fā)，應(yīng)用水平達(dá)到了一定的高度，獲得了一定的效益，目前正在擴(kuò)大應(yīng)用范圍［1］。在許多尚未采用三維船舶設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)單位和造船廠，也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到三維軟件的重要性，正在進(jìn)行軟件的策劃和考察，以期盡早升級(jí)到三維設(shè)計(jì)軟件上，提高設(shè)計(jì)水平和競(jìng)爭(zhēng)能力［2］。

采用先進(jìn)的三維造船軟件不僅可以提高造船行業(yè)的設(shè)計(jì)能力、船舶建造質(zhì)量，同時(shí)可以縮短交船周期，降低造船成本［3］。FORAN軟件是世界上應(yīng)用最為廣泛的大型造船專業(yè)軟件之一，與其他綜合性三維設(shè)計(jì)軟件不同的是，F(xiàn)ORAN是由船舶設(shè)計(jì)師開發(fā)，專門供船舶設(shè)計(jì)師使用的軟件，符合船舶設(shè)計(jì)師、船廠的工作模式和生產(chǎn)特點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹FORAN軟件在船舶總體設(shè)計(jì)上的應(yīng)用情況。

2 FORAN軟件簡(jiǎn)介

FORAN軟件由西班牙SENER集團(tuán)開發(fā)，該公司以船舶設(shè)計(jì)起家，已有50年的歷史，具有40多年的造船CAD軟件開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)［4］。

FORAN軟件主要包括以下設(shè)計(jì)模塊：

1）用于總體設(shè)計(jì)的FSURF模塊、HYDROS模塊、VOLUME模塊、LOAD模塊、FLOOD模塊、SEAKP模塊、LAUNCH模塊和POWER模塊；

2）用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的NORM模塊、NEST模塊、FHULL模塊等；

3）用于管路設(shè)計(jì)的FMODEL模塊、FPIPE模塊等；

4）用于電氣設(shè)計(jì)的FCABLE模塊、EPOWER模塊等；

5）用于出圖的FDESIGN模塊。

本文主要介紹FSURF模塊、HYDROS模塊和VOLUME模塊，并應(yīng)用這3個(gè)模塊對(duì)1艘60 m級(jí)海事巡邏艇作施工設(shè)計(jì)實(shí)例。

3 設(shè)計(jì)對(duì)象簡(jiǎn)介

船型為鋼質(zhì)、單層連續(xù)甲板、單底、傾斜艏柱、單體船的kt60艇。主要技術(shù)參數(shù)：

總長(zhǎng) 64.0 m

型寬 10.2 m

型深 5.0 m

設(shè)計(jì)吃水 3.0 m

滿載出港排水量 800 t

4 FSURF模塊建模

FSURF模塊是FORAN軟件進(jìn)行船舶總體設(shè)計(jì)的核心部分，它不僅是總體性能計(jì)算的基礎(chǔ)，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管路設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)等模塊的基礎(chǔ)［5］。FSURF模塊包括一整套用一個(gè)或多個(gè)三維NURBS曲面進(jìn)行三維船體建模的工具，可使船舶設(shè)計(jì)師快速、精確地設(shè)計(jì)并優(yōu)化出各種船舶的主船體、上層建筑和附體型線。

FSURF模塊型線建模的流程圖見圖1。

圖1 FSURF模塊型線建模流程圖

1）點(diǎn)（Point）的生成。FORAN可以通過輸入點(diǎn)坐標(biāo)、選取曲線上任意點(diǎn)、選取曲線端點(diǎn)、選取曲線拐點(diǎn)、選取兩個(gè)元素交點(diǎn)（包括線線、線面等）等多種方法生成。

2）線（Curve）的生成。FORAN生成線的方法也有多種，常用的有通過選取點(diǎn)（或者直接輸入點(diǎn)坐標(biāo)）生成；通過三點(diǎn)或兩點(diǎn)加半徑生成圓弧；通過已有的Polyline生成；選取面（Patches）的邊界線、交線或者網(wǎng)格線等。

3）面（Patch）的生成。常用的有通過選取曲線作為面的網(wǎng)格線生成（最少需要4根）；通過選取曲線作為面的邊界線生成 （由最先選中的2根決定）。

4）特征線（Special line）的生成。通過選取已經(jīng)存在的曲線（Curves）生成。

5）主船體Patches基本建立之后就可以通過Build ship生成Hull。

6）打開型線管理器，將前面生成的Patches和Special lines放入Hull中。主船體存放于Enternal Hull中，上層建筑存放于Internal Hull中，如圖2所示。

圖2FORAN的型線管理器

7）甲板（Deck）的生成。通過輸入甲板中心線自動(dòng)形成與船體（Hull）相交生成甲板。FORAN可以生成平面甲板、階梯形甲板、拋物線形甲板、圓弧形甲板等。對(duì)于有梁拱的甲板只需按梁拱計(jì)算出甲板中心線的位置就能獲得準(zhǔn)確定位的甲板。

8）艙壁（Bulkhead）的生成。首先通過艙壁所在橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)或者艙壁所在平面方程定位，再選定艙壁邊界生成艙壁。FORAN可以生成普通橫艙壁、縱艙壁以及槽型艙壁。

建模過程中如需對(duì)某個(gè)元素進(jìn)行修改，只需右鍵點(diǎn)擊需要修改對(duì)象 （包括Points、Ploylines、Curves、Patches、Decks、Bulkheads、Hulls），這時(shí)會(huì)彈出對(duì)話框可以顯示對(duì)象屬性，或進(jìn)行復(fù)制、移動(dòng)、編輯、修改等操作，比菜單欄Modify下的命令更全面。

至此，船體型線建模已經(jīng)基本完成。當(dāng)然這只是完全依靠FORAN軟件來(lái)完成型線建模，而船舶設(shè)計(jì)一般是跟據(jù)母型船的資料進(jìn)行修改優(yōu)化而得到的新船型，這就要求我們能夠利用已有的資料，來(lái)簡(jiǎn)化我們建模的時(shí)間。FORAN提供了良好的與其他軟件的接口，我們可以通過導(dǎo)入.dxf文件直接形成Ploylines，或者導(dǎo)入.igs文件直接形成Patches，這樣我們就能通過已有船型的資料快速完成我們的型線建模。

對(duì)于方案設(shè)計(jì)來(lái)說，建立粗糙的船體外殼模型，我們以前用過的軟件MAXSURF更為方便快捷，但是FORAN在外形光順優(yōu)化上功能更為強(qiáng)大。鑒于篇幅問題，線型光順在此不作展開。此次模型正是在導(dǎo)入MAXSURF生成的主船體模型的.igs文件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過光順優(yōu)化，再建立艉封板、尾滑道、甲板、上層建筑以及艙壁完成的總體建模。

60 m級(jí)海事巡邏艇Kt60用FSURF建模的最終結(jié)果如圖3所示。

圖3 Kt60艇型線建模結(jié)果圖

模型建立之后通過出圖模塊就能迅速得到船舶型線圖、簡(jiǎn)單的總布置圖和粗略計(jì)算的靜水力數(shù)據(jù)。

5 HYDROS模塊靜水力計(jì)算

HYDROS模塊的功能包含靜水力計(jì)算以及靜水力曲線圖的繪制、穩(wěn)性橫截曲線的計(jì)算及繪制、邦戎曲線的計(jì)算及繪制、干舷計(jì)算和可浸長(zhǎng)度的計(jì)算。

HYDROS模塊的界面如圖4所示。

進(jìn)行靜水力計(jì)算首先選定需要計(jì)算的項(xiàng)目并設(shè)定結(jié)果輸出時(shí)的順序。FORAN的靜水力計(jì)算包含以下項(xiàng)目：排水量、排水體積、浮心縱向坐標(biāo)（含附體或不含附體）、浮心垂向坐標(biāo)、水線面面積、最大橫截面積、橫穩(wěn)心半徑、縱穩(wěn)心半徑、中橫剖面系數(shù)、菱形系數(shù)、方形系數(shù)、水線面系數(shù)、每厘米縱傾力矩、濕面積、每厘米吃水噸數(shù)、漂心縱向坐標(biāo)、橫穩(wěn)心垂向坐標(biāo)和縱穩(wěn)心垂向坐標(biāo)共19項(xiàng)。如有不需要計(jì)算的項(xiàng)目，在Position欄輸入0。

圖4HYDROS模塊界面

運(yùn)行計(jì)算前根據(jù)需要定義海水密度、甲板厚度、附體情況等參數(shù)。輸入對(duì)話框如圖5所示。

圖5 靜水力參數(shù)設(shè)定對(duì)話框

參數(shù)設(shè)定完成之后運(yùn)行計(jì)算就能很快得到結(jié)果，同時(shí)可選擇繪制靜水力曲線圖和邦戎曲線圖。

穩(wěn)性橫截曲線、干舷和可浸長(zhǎng)度計(jì)算也可以類似地獲得。

6 VOLUME模塊艙容計(jì)算

VOLUME模塊的功能包含艙容計(jì)算、噸位計(jì)算、測(cè)深計(jì)算和自由液面慣性矩的計(jì)算，以及繪制艙室布置圖。

對(duì)艙室進(jìn)行定義是本模塊所有計(jì)算的前提。VOLUME模塊定義艙室的操作界面雖然略顯復(fù)雜，但是功能強(qiáng)大。通過定義艙室的前壁后壁、左舷右舷、艙底艙頂，可以完成對(duì)規(guī)則形狀的艙室定義；還可以通過選取艙室所圍各艙壁或定義艙室各邊界形狀，再利用增加和扣除功能來(lái)定義任意形狀的不規(guī)則艙室，大大提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

Kt60艇液艙艙室定義完成之后的界面如圖6所示。

圖6 Kt60艇液艙定義結(jié)果圖

進(jìn)行計(jì)算前先設(shè)定各種裝載的密度，見圖7。

圖7 裝載密度設(shè)定對(duì)話框

然后選擇需要計(jì)算的液艙，按需要設(shè)定計(jì)算水線，運(yùn)行艙容計(jì)算就能立即得到所選液艙的艙容計(jì)算結(jié)果。類似的還可以得到噸位計(jì)算、測(cè)深計(jì)算和自由液面慣性矩的計(jì)算結(jié)果。

7 FORAN軟件的特點(diǎn)及其在應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

FORAN軟件的特點(diǎn)：

1）FORAN是由船舶設(shè)計(jì)師開發(fā)、為船舶設(shè)計(jì)師使用的軟件，符合船舶設(shè)計(jì)師、船廠的工作模式和生產(chǎn)特點(diǎn)；FORAN軟件可以用于各種船型的設(shè)計(jì)和建造，包括常規(guī)客輪、貨船、非對(duì)稱船、雙體船等，以及各種軍用艦船包括航空母艦、巡洋艦、驅(qū)逐艦、潛艇等，也可用于FPSO、海洋平臺(tái)等［6］。

2）FORAN覆蓋了造船領(lǐng)域所有的專業(yè)，包括總體設(shè)計(jì)、船體結(jié)構(gòu)、管路及HVAC、舾裝、設(shè)備、電氣、住艙設(shè)計(jì)等。同時(shí)，F(xiàn)ORAN可以滿足初始設(shè)計(jì)、送審設(shè)計(jì)和詳細(xì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的全部需求。

3）全船的三維產(chǎn)品模型保證了設(shè)計(jì)的一致性和數(shù)據(jù)的精確度，同時(shí)可隨時(shí)進(jìn)行干涉檢查，可在極大程度上避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、提高下料精度、減少切割和焊接的余量。這樣可以節(jié)約大量設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的時(shí)間，節(jié)約原材料，為模塊化生產(chǎn)、分段制造、殼舾涂一體化等提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

4）在全船的設(shè)計(jì)中應(yīng)用了拓?fù)浠═opological）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了船體結(jié)構(gòu)、舾裝、管路、HVAC、電氣、住艙等各種組件及其相互關(guān)系的相對(duì)位置定義，在某一處出現(xiàn)修改時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)約束條件對(duì)相關(guān)組件自動(dòng)修改，解除了設(shè)計(jì)師修改設(shè)計(jì)時(shí)的顧慮，極大地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

5）FORAN軟件將設(shè)計(jì)和生產(chǎn)緊密聯(lián)系在一起，所有的設(shè)計(jì)可以隨時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行套料、管段制造和安裝，并直接生成小票圖、材料清單（BOM）、自動(dòng)產(chǎn)生數(shù)控路徑和程序；每一分段或模塊可計(jì)算出重量和重心，為指導(dǎo)生產(chǎn)提供依據(jù)。

6）FORAN軟件提供了一系列接口，用于與各種軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其中包括常用的IGES、DXF、DWG、STEP、XML等；其Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)完全向用戶開放，可以根據(jù)需要提取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與其他應(yīng)用系統(tǒng)（PDM、ERP、物流管理等）的集成。

FORAN軟件應(yīng)用過程中應(yīng)注意的問題［7，8］。

FSURF模塊：

1）在Build ship的時(shí)候FNAM名必須與工程代號(hào)（Project）一致；

2）導(dǎo)入二維.dxf文件時(shí)，要注意比例的變化，并需要先將其存為R14的格式；

3）將所有Patches的邊線生成Special lines，以方便結(jié)構(gòu)建模使用。其中需要在型線圖中表示的除中縱剖面線的類型選用Profile，其他均選用Knuckle；

4）右鍵選取對(duì)象時(shí)，若因多個(gè)對(duì)象交叉不易選中，可以通過Tab鍵來(lái)改變對(duì)象以選取需要的元素；

5）完成選取點(diǎn)的命令之后，需要通過Shift＋F鍵退出選點(diǎn)模式，才能進(jìn)行其他操作，要回到選點(diǎn)模式按下Shift＋X鍵；

6）模型基本建立之后，如出現(xiàn)需要修改的Patches或者Lines，一定要在原模型上修改，切忌刪除重新建立，否則其他專業(yè)在此基礎(chǔ)上作的建模會(huì)出現(xiàn)混亂；

7）如同其他常用三維軟件，F(xiàn)ORAN軟件本身也存在不穩(wěn)定性，所以最好經(jīng)常存盤，并在有較大修改前備份fsf文件。

HYDROS模塊：

利用HYDROS進(jìn)行干舷計(jì)算時(shí)，由于應(yīng)用的規(guī)范不同，計(jì)算結(jié)果可能不滿足需要，所以不推薦使用該軟件進(jìn)行計(jì)算。

VOLUME模塊：

利用VOLUME定義艙室的時(shí)候必須通過保存（Store selected space）或者退出（Quit selected space）來(lái)退出當(dāng)前艙室，這樣才能進(jìn)行新建或修改艙室等其他操作。

8 結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用中，船舶設(shè)計(jì)者首先應(yīng)具備堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，遵循各種船舶設(shè)計(jì)的基本原理和步驟，將上述FORAN軟件的各模塊視為一個(gè)有機(jī)整體，相輔相成、互為貫通地靈活應(yīng)用，才能取得滿意的應(yīng)用效果。

任何計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)和建造軟件都只是船舶設(shè)計(jì)者的應(yīng)用工具。能否設(shè)計(jì)和建造出優(yōu)秀的船舶，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)者自身的水平和能否真正了解并掌握應(yīng)用軟件自身的特點(diǎn)。目前FORAN軟件在我國(guó)計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)和建造領(lǐng)域的應(yīng)用雖然僅僅處于起步階段，但已經(jīng)在多個(gè)實(shí)際應(yīng)用工程中顯示出獨(dú)特的自身優(yōu)勢(shì)。只要我國(guó)的船舶設(shè)計(jì)工作者，能揚(yáng)長(zhǎng)避短，就一定能很好地借鑒和吸收國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出具有21世紀(jì)世界先進(jìn)水平的船舶和海洋工程。隨著我國(guó)船舶設(shè)計(jì)技術(shù)研究、企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)以及技術(shù)改造步伐的不斷加快，F(xiàn)ORAN軟件在我國(guó)計(jì)算機(jī)輔助船舶設(shè)計(jì)與建造領(lǐng)域的應(yīng)用前景一定會(huì)非常廣闊。

［1］邵開文，馬運(yùn)義.艦船技術(shù)與設(shè)計(jì)概論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［2］BENTHALL L.，BRIGGS T.Step for shipbuilding：a solution for product model data exchange［J］.Journal of Ship Production，2003，19（1）：44－52.

［3］謝子明.國(guó)產(chǎn)化船舶制造三維設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)與應(yīng)用［J］.造船技術(shù)，2004（3）：44-46.

［4］ROSS J M，ABEAL D.Practical Use of 3D Product Modeling in the Small Shipyard［J］.Journal of Ship Production，2001，17（1）：27－34.

［5］陳練，張新華.FORAN系統(tǒng)在各國(guó)艦艇中的應(yīng)用情況［G］／／UFC用戶大會(huì)論文集，2007.

［6］Brazilian Navy Presentation.FORAN applications on initial and basic submarine design［G］／／Forum FORAN Users meeting，2006.

［7］李雪峰.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用中應(yīng)注意的問題［J］.山西建筑，2007，33（17）：90-91.

［8］蘇文榮，陳錦晨，劉斌華.三維CAD技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)上的應(yīng)用［J］.上海造船，2006（1）：33-36.

Application of FORAN to the General Design for Ships

Zhang Kai1Xie Cheng-fu2Tu Yue－h(huán)ong2Deng Ai－min2
1 Shanghai Representative Office of the Equipment Department of PLAN，Shanghai 200083，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

It is a trend in China shipbuilding industry to use and gradually expand advanced 3D shipbuilding software.This paper introduces such software FORAN，regarding its development，features and applications of general ship design modules.Under an example of manufacturing design of a 60 mclass maritime patrol vessel，F(xiàn)ORAN is used to create 3D ship lines model and to compute the static hydraulic and liquid capacity.

FORAN；3D design technology；ship lines modeling；calculation of ship performances

U662

A

1673－3185（2009）04－76－05

2008-09-23

張 凱（1978－），男，助理工程師。研究方向：船舶工程

謝承福（1975－），男，工程師。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)

涂躍紅（1982-），男，工程師，碩士。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)。E-mail：tuyuehong＠yahoo.com.cn

鄧愛民（1972－），男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船總體設(shè)計(jì)。E-mail：dengaimin＠126.com