(中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

近年來，隨著設計軟件的不斷發(fā)展，三維設計技術已逐漸成為提高船舶研制效率和改進產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，國內(nèi)在船舶設計制造領域先后引入了TRIBON、NAPA、FORAN、CATIA等三維設計軟件，并獲得了初步成效[1-4]。但在船體外板結構設計方面，目前仍然以二維圖紙為主，不僅效率較低，而且難以克服傳統(tǒng)外板二維設計過程中存在的視角單一、線型重疊不易分辨以及部分區(qū)域曲率較大導致的構件定位、重量不精確等問題。為此，考慮基于CATIA V6軟件平臺，建立一種在三維環(huán)境下直接設計生成船體外板結構的方法，通過二次開發(fā)結合軟件自身的功能，完成船體外板板架的自動檢查，提高外板結構設計的效率和準確性。

1 三維環(huán)境下船體外板板架設計方法

1.1 設計準備

船體外板板架設計是船體結構設計的重要組成部分，涉及外板板的排列和外板骨架中縱向、橫向構件的布置(見圖1)，包括平板龍骨、船底板、舭列板、舷側板、舷頂列板等區(qū)域的劃分和板厚的確定，底桁材、龍骨、底部及舷側縱骨、肋板、肋骨及加強筋等的布置形式和尺寸的選取等。通常情況下，外板板架設計需要參考總布置圖、型線圖、按設計規(guī)范制定的計算書,以及基本的結構圖紙等技術資料。在三維環(huán)境下，外板板架的設計工作需要將前期的船體外殼表面、各甲板、平臺、艙壁的布置以及相關的結構設計要求作為依據(jù)。

圖1 船體外板板架形式

1.2 CATIA中外板板架的設計方法

首先,需要建立各肋位平面以及甲板、平臺、縱艙壁等重要的分艙表面與船體外殼的交線，作為下一步骨架布置和外板劃分的基礎。其次,需要根據(jù)這些交線將外板劃分成不同區(qū)域，分別進行構件軌跡線和板縫線的布置。在CATIA V6軟件中構件軌跡線和板縫線有多種生成方式：既可以選擇任意平面繪制草圖，進而向外殼表面投影成為空間曲線，也可以對空間元素直接進行求交、剪切、偏移等操作生成三維曲線，完成船體外板縱向構件和板縫的布置。最后,針對生成的跡線進行外板板格尺寸的檢查，進而建立外板板、骨材、桁材等構件的三維模型。

CATIA中外板板架的設計流程見圖2。

圖2 CATIA V6外板板架三維設計流程

其中，幾何特征主要通過Generative Wireframe & Surface(GWS)模塊完成，而創(chuàng)建船體結構構件則主要由Structure Function Design(SFD)模塊和Structure Detail Design(SDD)模塊構成，其中SFD模塊屬于輕量化建模的模塊，便于快速建模，并能夠與其他專業(yè)進行協(xié)同修改，比較適合船體外板板架的設計工作。

2 CATIA中船體外板板架的生成

在CATIA軟件中，首先需要利用已有的船體外殼、甲板、平臺、艙壁等幾何面和肋位坐標面生成船體的肋骨型線、甲板邊線等曲線，將船殼劃分為不同的區(qū)域，作為外板骨架布置的基礎。其次，利用草圖和曲線編輯工具生成外板各個區(qū)域的骨材跡線和板縫線，最終以這些幾何信息作為支撐，通過調(diào)用相應的型材庫生成三維環(huán)境下的外板骨架。

2.1 肋骨型線、甲板邊線的生成

肋骨型線和甲板邊線是外板骨材布置的基礎，通過他們可以將外板劃分為不同的區(qū)域，針對不同區(qū)域使用不同的方法進行骨材和板縫的布置。因此，在設計之初需要生成外殼、甲板、艙壁等幾何面。以某船為例，見圖3。

圖3 某船外殼及甲板幾何面

在此基礎上，利用批量求交線的方法創(chuàng)建甲板邊線和肋骨型線，見圖4。

圖4 肋骨型線及甲板邊線

圖中肋骨型線用實線顯示，甲板、平臺以及內(nèi)底等邊線用虛線顯示。

2.2 外板板縫線和骨材跡線的創(chuàng)建

在CATIA軟件中外板骨材跡線與板縫線的創(chuàng)建方式主要分為2種：①基于任意平面(如橫剖面、縱剖面、水平面等)繪制跡線草圖，進而向船體外殼投影生成空間曲線；②基于已有的空間點和曲線(如甲板邊線、船體折角線等)，通過曲線生成和編輯工具等操作直接創(chuàng)建。此前已經(jīng)將船體外板分成的不同區(qū)域，可根據(jù)實際情況選擇合適的方法進行板縫線和骨材跡線的創(chuàng)建。例如,在船舶平行中體等線型平緩的區(qū)域可使用投影法，而艏艉線型變化劇烈的區(qū)域則較適用于空間曲線的直接創(chuàng)建。

按照投影方法在不同方向平面上繪制板縫跡線草圖見圖5～7。

圖5 縱剖面板縫劃分草圖

圖6 底部骨材跡線投影草圖

圖7 橫剖面骨材跡線投影草圖

從圖中可以看出，在三維環(huán)境下設計者可以通過靈活的挑選草圖平面，更加方便快速的生成各個區(qū)域所需要的曲線，從而克服了傳統(tǒng)二維圖紙只有一個視角的局限，也能夠更好的把握全船骨材的布置和走向。利用甲板邊線沿船殼曲面平移創(chuàng)建的縱向骨材跡線見圖8。

圖8 通過曲線編輯創(chuàng)建骨材跡線

通過調(diào)節(jié)曲線偏移的數(shù)值，可以嚴格保證外板骨材間距滿足規(guī)范計算要求；此外，利用裁剪功能可靈活調(diào)整骨材跡線的起止點，十分適用于艏部外飄、球鼻艏、艉軸出口等線型特殊的區(qū)域。相比于傳統(tǒng)的外板展開圖，這種方法能夠更加精確的進行骨材構件的定位和后續(xù)重量重心的統(tǒng)計，具有明顯的優(yōu)勢。通過結合以上幾種方法，即可較快地生成全船骨材跡線和板縫線，用于下一步的實體建模工作。

2.3 三維外板板架的生成

在CATIA V6軟件中外板板架的三維建模與平面板架不同：由于外板為三維曲面，其上的骨材跡線多為空間曲線，無法像甲板、艙壁等結構用平面作為支持面進行創(chuàng)建。因此需要利用骨材跡線作為輸入生成外板的實體模型。此外，由于外板曲面比較復雜，構件數(shù)量較多，往往需要按船體分段或總段縫進行分別建模，便于后期的修改和管理。

某船CATIA模型中部分底部外板的三維模型見圖9，其支持面選擇船殼外表面，利用生成的板縫線完成船體外板的劃分。

圖9 底部外板三維模型

外板縱骨的三維模型見圖10，在創(chuàng)建縱骨時既可以選擇已生成的縱骨跡線，也可由跡線進一步拉伸生成縱骨支持面。

圖10 外板縱骨三維模型

最后根據(jù)橫向構件跡線和肋位平面等生成橫向構件，完成外板板架的創(chuàng)建，見圖11。

3 自動檢查

外板板架設計的重要要求之一就是縱橫交叉構件所形成的外板板格尺寸須符合規(guī)范計算的要求，一般來說板格的寬度不應超過規(guī)范計算得到的某一限制值。

采用CATIA軟件自帶的知識工程語言(EKL)，通過二次開發(fā)實現(xiàn)每個肋位上縱向構件間距的自動測量和輸出，并根據(jù)規(guī)范計算得出的限制值自動判斷板格大小是否符合要求。程序首先求出肋位線與縱骨線之間的交點，進而計算每根肋骨線上相鄰兩點之間的距離并進行判斷，最后將結果輸出到Excel表格中。其核心代碼如下。

3.1 計算肋骨線與縱骨線的交點

pTemp=intersect(CurTemp,CurveTemp) /定義交點/

let px,py,pz(length) pTemp.coord(px,py,pz)

if(px<>0mm and py<>0mm and pz<>0mm)

{ let p(Point)

p=new("Point",CurTemp.Name+"+"+CurveTemp.Name,GSPointTemp) /交點輸出名稱用相交的肋骨線和縱骨線表示/

p=pTemp}

3.2 計算肋骨線上兩點之間的距離

let LenTemp(Length)

LenTemp=length(iCurve, pointList.GetItem(j), pointList.GetItem(j+1)) /計算沿肋骨線兩個相鄰點之間的距離，即板格的長度/

let strLenTemp(String)

strLenTemp=ToString(LenTemp)

let strBoolean(string)

if(LenTemp<=Len1+0.01mm) strBoolean="True" /判斷板格長度是否滿足設定的要求，Len1為人工設定的判斷值/

else strBoolean="False"

3.3 將所有計算結果輸出到Excel表格中

strInstersect1=ListTemp.GetItem(1) /獲取板格第一個點的名稱/

strInstersect2=ListTemp.GetItem(2) /獲取板格第二個點的名稱/

strDistance=ListTemp.GetItem(3) /獲取板格長度/

strBoolean=ListTemp.GetItem(4) /獲取判斷結果/

/將以上信息輸出至Excel表格/

oXLSheet.SetCell(indx+1,1,strInstersect1)

oXLSheet.SetCell(indx+1,2,strInstersect2)

oXLSheet.SetCell(indx+1,3,strDistance)

oXLSheet.SetCell(indx+1,4,strBoolean)

CATIA軟件中的執(zhí)行界面見圖12。對關注的縱骨跡線、肋位線和船殼曲面進行板格尺寸檢查，執(zhí)行結果見圖13。

圖12 外板板架自動檢查工具界面

該程序不僅可以快速定位外板板架中超標的板格，還可檢查船體外板板縫之間的間距是否超過原始板材的規(guī)格。設計者基于檢查結果可對外板板架設計進行快速修改，形成最終的三維外板板架模型。與傳統(tǒng)二維設計使用人工校審相比，大幅提升了設計校核的效率以及準確性。

圖13 外板板架自動檢查結果

4 結論

通過在三維船殼上直接進行外板板縫劃分和骨材布置，克服了傳統(tǒng)外板二維設計中視角單一、線型重疊等弊端，同時避免了由于外板展開帶來的曲率較大區(qū)域構件定位、重量統(tǒng)計不精確等問題。利用外板自動檢查工具，可快速準確定位不符合規(guī)范要求的局部板架，提高了檢查修改的效率，確保了板架設計的準確性和合理性。實際工程應用表明該方法能夠實現(xiàn)船體外板板架三維模型的快速生成、檢查和修改，在高效完成船體外板結構三維設計的同時，提升了設計的準確度，具有一定的工程意義和實用價值。