趙 潔 張 偉

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

基于CAXA與CATIA的船體三維建模技術(shù)比較分析*

趙 潔 張 偉

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

對300箱多用途集裝箱船船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計，分別使用CAXA和CATIA實(shí)體軟件完成三維建模，著重研究船體構(gòu)件建模和裝配模擬，展示三維設(shè)計技術(shù)在船舶生產(chǎn)設(shè)計中的應(yīng)用。對國產(chǎn)軟件CAXA和大型造船三維軟件CATIA在曲面造型和參數(shù)化設(shè)計等方面的功能進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步研究探討三維建模技術(shù)在船體復(fù)雜曲面生產(chǎn)設(shè)計中的運(yùn)用。

船體結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)設(shè)計；三維建模；CAXA；CATIA

0 引言

在以往，船體生產(chǎn)設(shè)計通常是由設(shè)計人員在頭腦中完成工作對象的三維構(gòu)模，再在圖紙上用二維線條描述出來，施工人員利用這些圖紙指導(dǎo)施工。而隨著計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的推廣和應(yīng)用，尤其是三維建模軟件的大規(guī)模使用，使設(shè)計人員可在電腦上直接進(jìn)行三維建模設(shè)計，從而更加直觀地判斷工作對象的具體外形、布置位置及裝配關(guān)系，有效避免人為誤差、設(shè)計偏差和構(gòu)件干涉等問題，并對詳細(xì)設(shè)計起到驗(yàn)證和校核作用，提高設(shè)計質(zhì)量和施工效率。

在船舶生產(chǎn)設(shè)計領(lǐng)域，目前國內(nèi)外使用的三維系統(tǒng)軟件有TRIBON、CAXA、CATIA、CADDS5、FORAN、SBSDS、MASTERSHIP等多種軟件。這些軟件大多基于傳統(tǒng)制造行業(yè)的生產(chǎn)需求而研發(fā)，然而，由于船體結(jié)構(gòu)的特殊性，尤其是船體外板自由曲面的復(fù)雜性，使得很難有一種軟件可以在所有方面都具備明顯優(yōu)勢。

本文利用CAXA和CATIA實(shí)體軟件對300箱多用途集裝箱船進(jìn)行三維建模生產(chǎn)設(shè)計，通過構(gòu)件的創(chuàng)建裝配對造船生產(chǎn)的過程進(jìn)行模擬，并分析兩種軟件在船舶模型建造的不同之處。

1 建模船舶產(chǎn)品特征概述

1.1 船型

該船為單漿、單舵、單甲板、方尾、球鼻首、帶首樓和尾樓的由中速柴油機(jī)驅(qū)動的多用途集裝箱貨船。艉部設(shè)補(bǔ)償導(dǎo)管節(jié)能裝置。

1.2 主尺度

表1為該船主尺度值。

表 1 300箱多用途集裝箱船主尺度

1.3 三維造型的體系結(jié)構(gòu)

船體構(gòu)件種類和數(shù)目繁多，形狀復(fù)雜多變，可概括為骨架結(jié)構(gòu)和板材結(jié)構(gòu)[1]。型材剖面形狀通常都有固定的，不同之處在剖面尺寸和軸線形狀。板材結(jié)構(gòu)中，船體外板特別是首尾部都具有非常復(fù)雜的形狀，船體曲面建模在船舶設(shè)計和建造中起著基礎(chǔ)作用，為其它船體結(jié)構(gòu)建模提供曲線曲面信息[2]。故運(yùn)用三維設(shè)計軟件進(jìn)行船體曲線曲面設(shè)計是建模時遇到的困難之一。三維建模的核心是零部件、曲面的生成以及模型的裝配，然后就是裝配構(gòu)件、形成所需工程圖。

圖1即為三維實(shí)體設(shè)計的框架圖，對船體三維實(shí)體設(shè)計工作進(jìn)行分解后可以看出主要有以下相關(guān)項(xiàng)目：

(1)骨材和板材構(gòu)件的建模；

(2)構(gòu)件的裝配；

(3)外板和曲面的生成；

(4)干涉檢查；

(5)生成裝配動畫，完成結(jié)構(gòu)部件間的裝配關(guān)系模擬；

(6)生成需要的剖視圖和節(jié)點(diǎn)圖。

圖 1 三維實(shí)體設(shè)計框架圖

2 CAXA船體三維實(shí)體的完成

2.1 完成實(shí)體造型

標(biāo)準(zhǔn)的型材如扁鋼、角鋼、球扁鋼、槽鋼、工字鋼等零件在CAXA軟件的設(shè)計元素庫中直接調(diào)用然后編輯截面和修改尺寸，復(fù)雜骨材等零件可以運(yùn)用特性生成工具即拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣來完成，然后建立自定義零件庫。復(fù)雜的板材曲面生成可以通過直紋面、放樣面和導(dǎo)動面等功能來完成，普通外板這種零件表面的曲面生成，可以利用已經(jīng)繪制出的船體肋骨型線等三維曲線通過放樣面來完成。

在利用拉伸、旋轉(zhuǎn)功能進(jìn)行零件設(shè)計繪制草圖過程中，CAXA可以從已繪制好的AutoCAD圖形中導(dǎo)入直接使用，這是它的一大特色，減少了很多繪制二維曲線的時間[3]。圖2為CAXA軟件建模生成的部分船體零部件。

圖 2 CAXA船體零部件生成

2.2 裝配構(gòu)件

通過選擇裝配的中心點(diǎn)，以船長和船寬為坐標(biāo)將船體構(gòu)件由小到大進(jìn)行裝配，一般情況是先裝配和定位肋骨，然后再裝配定位其它的骨材，最后生成外板等[4]。在裝配的過程中，CAXA顯示三維球強(qiáng)大而靈活的三維空間定位功能，通過平移、旋轉(zhuǎn)和其它復(fù)雜的三維空間變換精確定位任何一個三維物體。按空格鍵使三維球與零件分離后，可以拖動三維球到零件的指定點(diǎn)，然后利用三維球與其它點(diǎn)、線、面的關(guān)系來精確地定位到任意的位置。圖3為利用CAXA三維球進(jìn)行精確到點(diǎn)的船體構(gòu)件裝配。

圖 3 CAXA三維球和船體構(gòu)件裝配

2.3 干涉檢查

CAXA實(shí)體設(shè)計可檢查到裝配過程中可能出現(xiàn)的干涉并形象的表示出來，包括裝配件、零件內(nèi)部、多個零件和零件之間的干涉現(xiàn)象。系統(tǒng)經(jīng)過計算后檢查到構(gòu)件相互干涉，會對干涉部分加亮顯示出來。當(dāng)零件出現(xiàn)干涉時，可雙擊零件使其進(jìn)入智能圖素編輯狀態(tài)并根據(jù)需要改變零件的屬性和尺寸。

2.4 裝配動畫

裝配動畫就是模擬實(shí)際的裝配過程，按照實(shí)際的生產(chǎn)順序通過骨架和板材的裝配形成分段，分段裝配再形成總段[5]。通過利用自定義動畫向?qū)Ъ奥窂皆O(shè)置工具，可以自行設(shè)定和修改每個零件特的動畫路徑，智能動畫編輯器可以調(diào)整每個零件開始和結(jié)束的時間。圖4為利用CAXA軟件進(jìn)行的船體構(gòu)件裝配。

圖 4 CAXA船體構(gòu)件裝配

2.5 生成剖面圖和節(jié)點(diǎn)圖

利用三維實(shí)體來生成標(biāo)準(zhǔn)視圖，選擇主視圖、左視圖或者俯視圖等，可以移動視圖和修改比例，接著在標(biāo)準(zhǔn)視圖上來進(jìn)行剖視。生成的剖視圖可以保存為AutoCAD格式的圖形，可以直接在圖紙上直接修改，利用局部放大工具在節(jié)點(diǎn)處放大后的部分就是節(jié)點(diǎn)圖。圖5分別是利用CAXA軟件所繪制的船尾立體分段圖、剖面圖和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)圖。

3 CAXA與CATIA三維建模的比較和分析

CAXA和CATIA都是相對成熟的主流通用三維軟件，在船舶三維設(shè)計中有著很多的優(yōu)點(diǎn)：軟件通用性強(qiáng)，能解決特殊產(chǎn)品造型的特殊問題；大量引進(jìn)了先進(jìn)的計算機(jī)輔助技術(shù)，代表了國際上三維CAD軟件的發(fā)展方向；支持的數(shù)據(jù)庫開發(fā)性強(qiáng)，具有很好的開發(fā)平臺；造型手段豐富，操作靈活，易于修改。

圖 5 CAXA軟件繪制的船尾立體分段圖、剖面圖和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)圖

3.1 曲面造型功能方面

CAXA和CATIA零件造型等方面有很多相似的地方。但在實(shí)體設(shè)計的過程中，面對船體首尾復(fù)雜的曲面CAXA軟件的曲面設(shè)計功能很多時候不能夠滿足需要，很難建立與實(shí)際相符合的曲面。

CATIA具有很強(qiáng)的曲面生成和三維造型功能，非常適合船體曲面建模。它在機(jī)械、汽車和航空等行業(yè)里應(yīng)用很廣，但是在船舶行業(yè)應(yīng)用得還不是很多，特別是它強(qiáng)大的曲面設(shè)計功能沒有充分利用[6]。

CATIA的曲面的造型有常規(guī)曲面造型和自由曲面造型，常規(guī)曲面造型即規(guī)則曲面的生成，可以通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、偏移、掃描填充、多截面曲面、拼接曲面等完成，與CAXA的功能有很多相似的地方；自由曲面則是應(yīng)對于曲面設(shè)計要求的提高，解決傳統(tǒng)方法不能滿足的那些復(fù)雜的曲面設(shè)計，主要有綴面、圓角面、填充面、網(wǎng)格面、掃描曲面，可以說自由曲面設(shè)計能夠讓設(shè)計者創(chuàng)建出任意形狀的曲面。圖6為利用CATIA軟件所建的船尾模型。

3.2 參數(shù)化設(shè)計功能方面

CATIA軟件可自定義變量，再通過公式修改零件的幾何尺寸，且變量之間可以建立函數(shù)的聯(lián)系，即對各個變量做約束。通過修改零件的一個或多個參數(shù)，就可以改變其它的零件參數(shù)。利用Formulas可通過函數(shù)關(guān)系表示變量與自定義變量和其他一些參數(shù)之間的關(guān)系，Rules可以通過編寫程序代碼實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動和特性驅(qū)動，Checks可以著重表明在校驗(yàn)過程中涉及的參數(shù)，方便地確認(rèn)違反了哪條標(biāo)準(zhǔn)或約束。

圖 6 CATIA船體尾部模型圖

同時，根據(jù)需要選擇指定的參數(shù)導(dǎo)出生成Excel表格，直接在Excel中修改參數(shù)的值來改變零部件的幾何尺寸，Excel表格在這里實(shí)現(xiàn)各個文件之間的數(shù)據(jù)共享。

3.3 裝配方面

CAXA的三維空間定位功能相對而言特別強(qiáng)大，三維球可以通過平移、旋轉(zhuǎn)和其它復(fù)雜的三維空間變換精確定位任何一個三維物體，在裝配的過程中可以發(fā)現(xiàn)兩者之間有很多相似的地方，但相對CATIA而言，CAXA的裝配定位特別精確、方便。

由于船舶的裝配中零部件眾多，通過比較，發(fā)現(xiàn)CATIA的裝配和修改比CAXA的更直觀和方便。CATIA的裝配由部件和零件組成，組件產(chǎn)品和零部件的關(guān)系在特征樹上面表現(xiàn)得很清楚，而且關(guān)系也可以調(diào)整。特征樹上列出了所有創(chuàng)建的特征，并且在特征樹上自動以子樹關(guān)系表示特征之間的父子關(guān)系和各個構(gòu)件之間的約束關(guān)系，用戶可以有一個清晰直觀的認(rèn)識。同時，CATIA在裝配的圖中可以查看每個分段或部件的體面積、形心和慣性矩等幾何特性，能夠跟實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)用很好的結(jié)合。圖7為利用CATIA軟件所進(jìn)行的船體裝配。

圖 7 CATIA船體裝配圖

4 結(jié)語

本文通過運(yùn)用三維設(shè)計技術(shù)對300箱多用途集裝箱船進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計，探討了模擬船舶生產(chǎn)的過程，并且比較了兩個軟件的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。同時利用實(shí)體設(shè)計三維的立體圖形對生產(chǎn)設(shè)計起到了一定的指引和先導(dǎo)作用，能夠顯著地提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，對今后的工作和船舶實(shí)際生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)的意義。

面對高要求的船舶三維設(shè)計，每個軟件都有獨(dú)特的優(yōu)勢和特色也有其弱勢和不足，船舶設(shè)計和建造單位應(yīng)該根據(jù)各自應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行選擇。船舶的三維軟件能夠在船體設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用，還有很長的路要走，有待對此作進(jìn)一步努力和研究。

[1]黃永生，劉俊梅.船體三維建模技術(shù)研究[J].船海工程，2006，173(4)：70-72.

[2]彭輝.船體三維建模應(yīng)用技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[3]張?jiān)平?CAXA實(shí)體設(shè)計2013案例課堂[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015：25-27.

[4]徐兆康.船體建造工藝學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2000：116-118.

[5]黃浩.船體工藝手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013：337-339.

[6]張?jiān)平?喬建軍.CATIA V5-6 R2013中文版曲面設(shè)計教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014：213-215.

10.3969/j.issn.1672-9846.2017.03.015

U662

A

1672-9846(2017)03-0084-04

2017-07-06

趙 潔(1983-)，女，湖北棗陽人，武漢交通職業(yè)學(xué)院講師，主要從事船舶設(shè)計等教學(xué)研究。張 偉(1982-)，男，安徽岳西人，武漢交通職業(yè)學(xué)院講師，主要從事船舶設(shè)計等教學(xué)研究。