SolidWorks在船舶曲面建模中的應(yīng)用

贠亞杰等

船舶是一種航行于水面上建筑物，需要具有良好的水動力性能，所以船舶表面應(yīng)該是一種復(fù)雜的三維流線型光順曲面。在船舶設(shè)計期間，往往用型線圖等圖樣表示船舶外形，但當需要對船舶進行水動力性能分析或全船結(jié)構(gòu)強度分析時，由于有限元軟件自身不擅長復(fù)雜曲面建模，所以需要借助專業(yè)的三維建模軟件對船舶表面進行建模。本文使用 SolidWorks，采用不同的方法對不同船型進行了建模，建模方法對其他復(fù)雜曲面建模也有一定的參考價值。

本文主要使用 SolidWorks中放樣凸臺命令和 ScanTo3D插件對不同船型進行了建模，具體操作過程如下。

一、利用半寬水線圖放樣船體

大部分散貨船和油船帶有球鼻首和球尾，沿船長方形曲率變化較大，而且這類船舶多屬于肥大型船，具有平底，因此適合利用半寬水線圖放樣船體。 SolidWorks處理復(fù)雜曲面需要較大的計算量，因此在導(dǎo)入型線圖之前，需要對復(fù)雜的型線圖（通常使用 AutoCAD繪制）進行簡化，只留下必要的線條，建模時可以迅速捕捉曲線并提高建模成功率。大部分船舶都是左右對稱的，因此建模時只建一半即可。具體建模操作步驟如下。

1.新建零件，導(dǎo)入簡化后的型線圖

新建一個零件，然后單擊選中 xz面（上視基準面），單擊菜單欄的“插入” →“DXF/DWG”，彈出對話框后選擇已經(jīng)處理好的dwg格式的型線圖文件，單擊“完成”按鈕即可。導(dǎo)入的簡化型線圖如圖 1所示。圖中藍色線條上方為各曲線的名稱，如 500WL表示 500mm水線。

2.建立與上視基準面平行的基準面

半寬水線圖中的各條水線實際上是船舶在不同水線面處剖線的投影，也就是說半寬水線圖上的各條水線應(yīng)該處于不同的高度上，類似于等高線。因此需要建立一些不同高度的基準面來放置這些線條。根據(jù)水線圖上的數(shù)字建立不同高度的基準面，如要建立 500WL所在的基準面，先點擊選中窗口左邊模型樹中的“上視基準面”，在菜單欄選擇“插入”→“參考幾何體”→“基準面”，設(shè)置距離為500mm，點擊對號“ ”即可插入一個參考面，其他參考面采用相似方法建立。也可在建模功能區(qū)點擊“參考幾何體”按鈕插入?yún)⒖济?。建好的參考面如圖 2所示。

3.將半寬水線圖上的線條剪切到相應(yīng)基準面上

單擊選中模型樹中的草圖 1（第 1步導(dǎo)入的草圖），彈出快捷菜單，點擊“編輯草圖按鈕”，草圖處于編輯狀態(tài)。選中一條曲線（如 500WL），按鍵盤上的“Ctrl”+“X”鍵剪切，單擊窗口右上角的“退出草圖”按鈕。單擊選中第 2步新建的 500WL所在的基準面，按鍵盤上的“Ctrl”+“V”鍵粘貼該曲線，則在基準面上自動生成一個包含該曲線的草圖。圖 3為剪切好的曲線。由圖 3可以看出這些線條已經(jīng)初步體現(xiàn)出一半的船舶外形了。

4.添加放樣的引導(dǎo)線

添加引導(dǎo)線可以使放樣結(jié)果更加精確。在菜單欄選擇“插入”→“曲線”→“通過參考點的曲線”，順次拾取屏幕上的點，點擊對號即可光順連接為一條曲線。也可在建模功能區(qū)點擊“曲線”按鈕插入曲線。必要時可以生成多段曲線然后用“組合曲線”命令將多段曲線連接起來。共插入三條引導(dǎo)線。如圖 4所示。

5.放樣船體

點擊建模功能區(qū)中的“放樣凸臺 /基體”按鈕，彈出新窗口后，“輪廓”窗口自動處于激活狀態(tài)，此時順次點選上述處于不同基準面上的曲線（開環(huán)），然后點擊“引導(dǎo)線”窗口，順次點選第 4步生成的三條引導(dǎo)線，點擊對號即可生成船體外形。由于船體首尾端曲率變化都很大，因此用這種方法建模的計算量很大，成功率不高，成功與否取決于型線圖。如果型線圖不合適，可以以導(dǎo)入的型線圖為底手工描繪曲線，或者采用“邊界曲面”命令生成精度稍差的船體外形（“插入”→“曲面”→“邊界曲面”，依次點選曲線為方向 1，引導(dǎo)線為方向 2）。生成的船體外形如圖 5所示。

二、利用橫剖線圖放樣船體

有些小型船舶如快艇、部分三體船和雙體船等沒有平底，也沒有球鼻首和球尾，首尾端曲率變化不大且船尾部為一平面，這類船舶適合采用橫剖線圖進行放樣，并且成效率和生成質(zhì)量都非常高。由于船舶左右對稱，只需建立一半的模型。需要注意的是，在型線圖上，船首半段和尾半段的橫剖線分別繪制在中線的左右兩側(cè)，在 AutoCAD中簡化型線圖時可以將其中一半鏡像到另一邊。下面以一高速三體船的一個單船體為例介紹具體建模步驟。

1.新建零件，導(dǎo)入簡化后的型線圖

新建一個零件，然后單擊選中 yz面（右視基準面），單擊菜單欄的“插入”→“DXF/DWG”，彈出對話框后選擇已經(jīng)處理好的 dwg格式的型線圖文件，單擊“完成”按鈕即可。需要注意的是，船首端是一個尖點，因此船首處的輪廓只是一個點。導(dǎo)入的簡化型線圖如圖6所示。本例中型線圖中的線條本身為分段的，因此導(dǎo)入后也是分段的。

2.建立與右視基準面平行的基準面

橫剖線圖中的各橫剖線實際上是船舶在不同站位處剖線的投影，也就是說橫剖線圖上的各條橫剖線應(yīng)該處于不同的站位上。按照第一個標題中提到的方法，根據(jù)型線圖上各站的位置坐標建立基準面。建好的基準面如圖7所示。圖中基準面的視覺大小不同，而基準面理論上是一個無限大的平面，不影響正常建模。

3.將橫剖線圖上的線條剪切到相應(yīng)基準面上

按照第一個標題中提到的方法，依次將將橫剖線圖上的線條剪切到相應(yīng)基準面上即可。圖 8為剪切好的曲線。

4.添加放樣的引導(dǎo)線

按照第一個標題中提到的方法，插入三條引導(dǎo)線。如圖 9所示。

5.放樣船體

點擊建模功能區(qū)中“放樣凸臺 /基體”按鈕，彈出新窗口后，“輪廓”窗口自動處于激活狀態(tài)，此時順次點選上述處于不同基準面上的曲線（包括船首的那個草圖—“點”），然后點擊“引導(dǎo)線”窗口，順次點選第 4步生成的三條引導(dǎo)線，點擊對號即可生成船體外形。生成的船體外形如圖 10所示。一般情況下船舶型線圖中橫剖線的數(shù)量非常多，因此生成的船體外形也比較精確。本例中橫剖線為封閉的，因此生成的船體為一實體，而不是殼。放樣時也可以選擇生成殼。endprint

三、點云建模

有時我們需要分析的船舶歷史比較久遠或?qū)儆诓还_的設(shè)計，目前已經(jīng)找不到圖樣或無法從相關(guān)部門獲得圖樣，我們可以借助船舶精度控制方面的儀器和軟件得到一系列的點數(shù)據(jù)，這些點數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，被稱為點云。點云建模也可以用于其他產(chǎn)品的逆向工程，即從已有的產(chǎn)品上反向探索設(shè)計圖樣。點云建模需要在 SolidWorks中的工具選項中啟動 ScanTo3D插件。

如果有大量的點云數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的話，點云建模會非常簡單，效率和精度也高。點云數(shù)據(jù)可以存放到 txt文件中， x、y、z坐標用空格分隔，不同的點（三個坐標值）單獨成行即可。本文將點云數(shù)據(jù)存放到“點云 .txt”文件中。建模步驟如下。

1.導(dǎo)入點云

新建一個零件，在菜單欄選擇“文件” →“打開” →“點云.txt”，得到如圖 11所示的點云。

2.由點云生成網(wǎng)格

右鍵點擊上圖左側(cè)模型樹中的“點云 1”，彈出快捷菜單，單擊“網(wǎng)格處理向?qū)А边M入網(wǎng)格處理向?qū)?。如圖 12所示。如果點云質(zhì)量足夠好，則在圖 12所示窗口中一直點擊“下一步”至最后一頁后（不能再點“下一步”為止）點擊對號即可生成網(wǎng)格，模型樹中將產(chǎn)生一個“網(wǎng)格 1”。生成的網(wǎng)格如圖 13所示。

3.在船中部新建基準面

由圖 13可以看出，生成的網(wǎng)格與實船外形已經(jīng)非常接近，但網(wǎng)格是由許多小小的平面組成的，并不是一個曲面。接下來需要用這些網(wǎng)格生成曲面。由于船舶首尾端曲率都很大，而中間段形狀變化不大，為了節(jié)省計算機資源并提高建模成功率，將網(wǎng)格分為首尾兩部分進行建模。在菜單欄選擇“插入”→“參考幾何體”→“基準面”，設(shè)置好參考的基準面和距離，在網(wǎng)格中間部分插入一個基準面用于將“網(wǎng)格 1”拆分，如圖 14所示。

4.將網(wǎng)格拆分為前后兩部分

右鍵點擊“網(wǎng)格1”，彈出快捷菜單，單擊“曲面向?qū)А边M入曲面向?qū)?，如圖 15左所示。點擊“下一步”后在“創(chuàng)建選項”下面的備選方案中選擇“劃分區(qū)域生成曲面”，點擊“下一步”，看到“分割平面”，選擇剛才創(chuàng)建的基準面，點擊“下一步”至最后點擊對號即可。此時“網(wǎng)格1”變?yōu)槲募A，里面包含兩個子網(wǎng)格。單擊“網(wǎng)格 1”前面的加號展開文件夾。

5.生成船體曲面

右鍵點擊“子網(wǎng)格1”，彈出快捷菜單，單擊“曲面向?qū)А边M入曲面向?qū)?，如圖 15左所示。點擊“下一步”后在“創(chuàng)建選項”下面的備選方案中選擇“自動生成”，點擊“下一步”至最后點擊對號即可。生成的曲面是隱藏的，將其顯示即可。用同樣的方法生成“子網(wǎng)格 2”的曲面，生成后曲面如圖 16所示。

四、結(jié)語

本文采用三種不同的方法，針對不同的船型建立了船體曲面模型。如果船型合適，可以用橫剖線圖建立模型，建議使用橫剖線圖，因為橫剖線數(shù)量多，建模比較精確，成功率高。SolidWorks是一款上手很快的軟件，價格也不高，但在曲面建模的精度方面有待改善。本文所使用的建模方法也可以在其他同類軟件，如 Pro/ENGINEER等中使用。endprint