方舟++戴錦陽++賀振洋

摘 要：通過船體外形和結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字建模，進行板材、型材等零件制作，完成虛擬裝配，自動生成零部件明細并按照船體制圖標準出圖，驗證了SolidWorks應(yīng)用于船體生產(chǎn)設(shè)計的可行性。該技術(shù)的進一步完善和推廣應(yīng)用，對促進內(nèi)河造船企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，具有重要的實用價值。

關(guān)鍵詞：SolidWorks 船體結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)設(shè)計 建模 出圖

中圖分類號：U662.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0083-02

1 三維造船軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀

三維數(shù)字建模技術(shù)是造船CAD/CAM 發(fā)展方向，工程人員通過結(jié)構(gòu)三維數(shù)字建模技術(shù)，進行板材、型材等零件制作，完成虛擬裝配，實現(xiàn)零部件屬性鏈接，自動生成零部件明細并按照船體制圖標準出圖。目前大型設(shè)計單位或船廠主要是通過專用造船CAD/CAM 軟件實現(xiàn)，比如TRIBON、NAPA等進口軟件，技術(shù)上已經(jīng)非常成熟。而國內(nèi)大量中小型企業(yè)還停留在二維設(shè)計階段（主要軟件是AutoCAD）。一方面是因為進口軟件價格昂貴，且相關(guān)的硬件配套要求較高，這是規(guī)模有限、產(chǎn)值較低的中小企業(yè)難以承受的，而且進口軟件主要適用大型海船的設(shè)計，應(yīng)用于沿海和內(nèi)河中小型船舶的設(shè)計，效費比不高。另一方面，這些進口軟件較為復(fù)雜，學(xué)習(xí)和熟練掌握的周期較長，使用這些軟件開展設(shè)計項目，需要一個具有較高專業(yè)知識水平、受過相關(guān)軟件應(yīng)用培訓(xùn)的技術(shù)人才團隊，而許多中小造船企業(yè)由于各種條件的限制，本身就存在著專業(yè)人才隊伍匱乏的問題。

2 造船領(lǐng)域SolidWorks的實用價值

我國內(nèi)河造船企業(yè)長期徘徊在船舶修造的低水平、低層次上，造船自動化、機械化程度都偏低，只有少數(shù)船廠已經(jīng)應(yīng)用計算機放樣、數(shù)控切割等現(xiàn)代造船設(shè)備和技術(shù)，船型也都是低水平的重復(fù)建設(shè)，工藝的落后和管理的粗放，以及施工的隨意性，造成板材的大量浪費。很多企業(yè)直接用船檢批準的詳細設(shè)計送審圖紙施工，根本沒有做所謂的生產(chǎn)設(shè)計或施工設(shè)計，許多詳細設(shè)計中隱藏的問題，直到建造時才暴露，導(dǎo)致不同程度的現(xiàn)場修改、返工，浪費材料，耽誤工期，影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。SolidWorks是目前世界流行的CAD/CAM軟件，操作簡便，易學(xué)易用，成本較低，也比較適合船舶產(chǎn)品的建模特點，結(jié)合船舶產(chǎn)品設(shè)計流程，經(jīng)過適量二次開發(fā)，可以實現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)三維數(shù)字建模與出圖。該技術(shù)如果能夠得到推廣應(yīng)用，對轉(zhuǎn)變船舶設(shè)計方式和建造模式，提高中小造船企業(yè)的設(shè)計、建造質(zhì)量與生產(chǎn)效率，有著較強的現(xiàn)實意義，并能帶來較好的經(jīng)濟效益，必將對內(nèi)河船舶修造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級產(chǎn)生巨大的推動作用。

3 主要研究內(nèi)容

3.1 船體外形建模和型線光順

（1）創(chuàng)建曲面片邊界網(wǎng)格，作為各個曲面片的邊界。按曲面片邊界網(wǎng)格逐個計算曲面片的控制格，從而得到整個船體曲面的控制網(wǎng)格。

（2）根據(jù)船舶主尺度和船體理論型值表，用船體線框模型設(shè)計方法，創(chuàng)建船體線框模型。由于生成的船體邊界曲線和三組剖面線未進行光順，用曲面覆蓋時會產(chǎn)生縫隙。

（3）利用渲染、等照度線等曲面光順性檢查工具，檢查曲面的光順性，交互修改或自動光順船體曲面的控制網(wǎng)格，直至船體曲面光順。船體光順后的效果見圖1。

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

船舶設(shè)計的型材截面數(shù)據(jù)、各種尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件記錄等數(shù)據(jù)，必須建立系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)資源。數(shù)據(jù)庫包括設(shè)計參數(shù)庫、型材數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)構(gòu)件庫。

設(shè)計參數(shù)庫儲存系統(tǒng)設(shè)計過程中用戶提供的或計算產(chǎn)生的各種參數(shù)，供后續(xù)設(shè)計查詢用；型材數(shù)據(jù)庫儲存了角鋼、球扁鋼、扁鋼、圓鋼、槽鋼、工字鋼等各種型鋼在加工中有設(shè)計過程中用戶自定義的T型材截面參數(shù)和規(guī)定的型號，供設(shè)計人員選擇，系統(tǒng)自動調(diào)出型鋼的截面尺寸參數(shù)，滿足結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計的實際需要；結(jié)構(gòu)構(gòu)件庫記錄了構(gòu)件編號、類型、規(guī)格、位置等數(shù)據(jù)，后續(xù)設(shè)計可以提取構(gòu)件明細表，統(tǒng)計預(yù)估船舶建造中所需鋼料及型材。

3.3 船體結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

船體結(jié)構(gòu)分為主船體和上層建筑兩大部分，分別建模完成后再將其裝配組成一個整體。在各個模塊中按構(gòu)件大小的順序依次建立外板、艙壁、縱桁、強橫梁、肋板、縱骨、扶強材、肘板等。整個結(jié)構(gòu)建模過程都在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和三維模型庫的支持下進行，構(gòu)件的尺寸、幾何關(guān)系等參數(shù)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取。由系統(tǒng)調(diào)用SolidWorks數(shù)據(jù)庫的型材構(gòu)件信息自動建立船舶的三維結(jié)構(gòu)模型。

通常船舶結(jié)構(gòu)零件劃分為板材與型材兩類。板材和型材又按照形狀不同分為平直與曲面兩類。平直與單曲度的零件由于有在某個平面內(nèi)零件截面形狀尺寸保持不變的特點，所以可以使用SolidWorks中拉伸命令生成實體。例如肋板、艙壁板、甲板等。船首尾的雙向復(fù)雜曲面則需要借助于二次開發(fā)完成。

3.4 船體結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配方案

SolidWorks提供自下而上與自上而下兩種裝配方法。前者適用于在裝配造型之前已經(jīng)具備所有零件的情況，后者則是先對產(chǎn)品進行整體描述，然后再逐層分解為各個零部件，直至最底層零件。內(nèi)河船舶船體結(jié)構(gòu)建模的構(gòu)件數(shù)量繁多，裝配關(guān)系較為簡單的，選用自下而上的裝配方法更為合適。

具體到船舶結(jié)構(gòu)數(shù)字化裝配方案的設(shè)計也可以有兩種選擇。第一種，參照實船建造時的裝配方案，先將零件裝配成部件，再裝配成分段結(jié)構(gòu)。例如，雙層底分段中的肋板與其上扶強材可以先行裝配生成部件，然后作為一個整體進入分段裝配體中。這類裝配結(jié)構(gòu)層次分明，設(shè)計修改時能準確找到修改對象，出錯率低，后續(xù)生產(chǎn)設(shè)計時方便進行小部件裝配圖出圖。另一種，可以將平面分段中同類型且尺寸相同的構(gòu)件編成一組，形成小裝配體后再進行分段裝配。例如，將尺寸相同的內(nèi)底縱骨先進行定位裝配，形成底部小骨材裝配體后再進入底部分段裝配。這樣對零件依據(jù)類型進行分類，分段出圖時便于定義相同零件材料，并提取重量、重心等資料，而且裝配后生成的文件不會太大。兩種方法各有優(yōu)劣，工程上要統(tǒng)一用一種方法，避免施工中出現(xiàn)矛盾。endprint

3.5 出圖

船體制圖常見視圖類型有軸測圖、投影圖、展開圖、剖視圖、局部詳圖等，可以利用SolidWorks系統(tǒng)強大的工程圖設(shè)計功能，迅速便捷地生成相關(guān)圖紙。并且SolidWorks在工程圖和零部件或裝配體三維模型之間提供全相關(guān)功能，對零部件或裝配體三維模型進行修改時，所有相關(guān)工程視圖將自動更新，以反映零部件和裝配體的形狀和尺寸變換。在實際造船中，面向生產(chǎn)主要提供的圖紙有：零件加工工作圖，部件裝配工作圖和分段結(jié)構(gòu)施工詳圖（見圖2～圖4）。這三類圖紙分別可以在使用SolidWorks數(shù)字建模的不同階段完成。

船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計完成以后，利用數(shù)控切割機編程系統(tǒng)提供的多種圖形輸入手段，建立編輯零件圖形，實現(xiàn)鋼板套料。將編號的程序輸入切割機控制，實現(xiàn)數(shù)控下料切割等工作，能夠有效提高鋼材利用率，提高切割生產(chǎn)準備的工作效率。

4 結(jié)語

經(jīng)過初步實踐證明，應(yīng)用SolidWorks軟件進行船舶結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計，實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)建模與出圖在生產(chǎn)上是完全可行的。但是SolidWorks在某些方面還不能與專用船舶設(shè)計軟件相媲美，比如船體線型光順，艏艉復(fù)雜曲面外板建模，構(gòu)件線型與外板曲度自動匹配等方面。實踐中只能依賴于第三方軟件幫助完善，或者使用程序語言對SolidWorks進行二次開發(fā)加以解決。另外，運用SolidWorks完成船體結(jié)構(gòu)建模和裝配，對計算機性能要求較高，相應(yīng)的購置費用也隨之增加，目前不是很利于在中小造船企業(yè)和院校船體生產(chǎn)設(shè)計教學(xué)中推廣普及。SolidWorks軟件功能十分強大，除了在生產(chǎn)中應(yīng)用以外，在船舶技術(shù)設(shè)計領(lǐng)域可以用其自帶插件進行有限元計算和流體分析計算船舶性能。今后隨著高性能計算機的普及，SolidWorks在船舶設(shè)計與制造領(lǐng)域還是有很大潛力可以挖掘的。

參考文獻

[1] 周啟學(xué).船體生產(chǎn)設(shè)計[M].人民交通出版社，2007.

[2] 馬勝祥，易傳云，李鮮明.Solidworks的二次開發(fā)研究[J].機械工程師，2005（8）：60-62.

[3] 李忠林.船體建造工藝學(xué)[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.

[4] 彭公武.船體結(jié)構(gòu)與制圖[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

[5] 王偉，吉曉民.基于特征的SolidWorks標準件實體庫的建立[C]//.制造技術(shù)自動化學(xué)術(shù)會議論文集.2004.endprint

3.5 出圖

船體制圖常見視圖類型有軸測圖、投影圖、展開圖、剖視圖、局部詳圖等，可以利用SolidWorks系統(tǒng)強大的工程圖設(shè)計功能，迅速便捷地生成相關(guān)圖紙。并且SolidWorks在工程圖和零部件或裝配體三維模型之間提供全相關(guān)功能，對零部件或裝配體三維模型進行修改時，所有相關(guān)工程視圖將自動更新，以反映零部件和裝配體的形狀和尺寸變換。在實際造船中，面向生產(chǎn)主要提供的圖紙有：零件加工工作圖，部件裝配工作圖和分段結(jié)構(gòu)施工詳圖（見圖2～圖4）。這三類圖紙分別可以在使用SolidWorks數(shù)字建模的不同階段完成。

船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計完成以后，利用數(shù)控切割機編程系統(tǒng)提供的多種圖形輸入手段，建立編輯零件圖形，實現(xiàn)鋼板套料。將編號的程序輸入切割機控制，實現(xiàn)數(shù)控下料切割等工作，能夠有效提高鋼材利用率，提高切割生產(chǎn)準備的工作效率。

4 結(jié)語

經(jīng)過初步實踐證明，應(yīng)用SolidWorks軟件進行船舶結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計，實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)建模與出圖在生產(chǎn)上是完全可行的。但是SolidWorks在某些方面還不能與專用船舶設(shè)計軟件相媲美，比如船體線型光順，艏艉復(fù)雜曲面外板建模，構(gòu)件線型與外板曲度自動匹配等方面。實踐中只能依賴于第三方軟件幫助完善，或者使用程序語言對SolidWorks進行二次開發(fā)加以解決。另外，運用SolidWorks完成船體結(jié)構(gòu)建模和裝配，對計算機性能要求較高，相應(yīng)的購置費用也隨之增加，目前不是很利于在中小造船企業(yè)和院校船體生產(chǎn)設(shè)計教學(xué)中推廣普及。SolidWorks軟件功能十分強大，除了在生產(chǎn)中應(yīng)用以外，在船舶技術(shù)設(shè)計領(lǐng)域可以用其自帶插件進行有限元計算和流體分析計算船舶性能。今后隨著高性能計算機的普及，SolidWorks在船舶設(shè)計與制造領(lǐng)域還是有很大潛力可以挖掘的。

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[5] 王偉，吉曉民.基于特征的SolidWorks標準件實體庫的建立[C]//.制造技術(shù)自動化學(xué)術(shù)會議論文集.2004.endprint

3.5 出圖

船體制圖常見視圖類型有軸測圖、投影圖、展開圖、剖視圖、局部詳圖等，可以利用SolidWorks系統(tǒng)強大的工程圖設(shè)計功能，迅速便捷地生成相關(guān)圖紙。并且SolidWorks在工程圖和零部件或裝配體三維模型之間提供全相關(guān)功能，對零部件或裝配體三維模型進行修改時，所有相關(guān)工程視圖將自動更新，以反映零部件和裝配體的形狀和尺寸變換。在實際造船中，面向生產(chǎn)主要提供的圖紙有：零件加工工作圖，部件裝配工作圖和分段結(jié)構(gòu)施工詳圖（見圖2～圖4）。這三類圖紙分別可以在使用SolidWorks數(shù)字建模的不同階段完成。

船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計完成以后，利用數(shù)控切割機編程系統(tǒng)提供的多種圖形輸入手段，建立編輯零件圖形，實現(xiàn)鋼板套料。將編號的程序輸入切割機控制，實現(xiàn)數(shù)控下料切割等工作，能夠有效提高鋼材利用率，提高切割生產(chǎn)準備的工作效率。

4 結(jié)語

經(jīng)過初步實踐證明，應(yīng)用SolidWorks軟件進行船舶結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計，實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)建模與出圖在生產(chǎn)上是完全可行的。但是SolidWorks在某些方面還不能與專用船舶設(shè)計軟件相媲美，比如船體線型光順，艏艉復(fù)雜曲面外板建模，構(gòu)件線型與外板曲度自動匹配等方面。實踐中只能依賴于第三方軟件幫助完善，或者使用程序語言對SolidWorks進行二次開發(fā)加以解決。另外，運用SolidWorks完成船體結(jié)構(gòu)建模和裝配，對計算機性能要求較高，相應(yīng)的購置費用也隨之增加，目前不是很利于在中小造船企業(yè)和院校船體生產(chǎn)設(shè)計教學(xué)中推廣普及。SolidWorks軟件功能十分強大，除了在生產(chǎn)中應(yīng)用以外，在船舶技術(shù)設(shè)計領(lǐng)域可以用其自帶插件進行有限元計算和流體分析計算船舶性能。今后隨著高性能計算機的普及，SolidWorks在船舶設(shè)計與制造領(lǐng)域還是有很大潛力可以挖掘的。

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[5] 王偉，吉曉民.基于特征的SolidWorks標準件實體庫的建立[C]//.制造技術(shù)自動化學(xué)術(shù)會議論文集.2004.endprint