CATIA軟件在船舶設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)應(yīng)用

摘 要：以某集裝箱船雙層底分段為例，介紹CATIA軟件在船舶設(shè)計(jì)中的三維建模、有限元分析、焊接設(shè)計(jì)三點(diǎn)應(yīng)用。討論使用CATIA軟件進(jìn)行船舶計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工作的優(yōu)點(diǎn)，為船舶工程相關(guān)技術(shù)人員使用CATIA軟件提高工作效率提供參考。

關(guān)鍵詞：CATIA；船舶設(shè)計(jì)；三維建模；有限元分析；焊接設(shè)計(jì)

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司出品的優(yōu)秀三維軟件，該軟件在航天航空、汽車(chē)等一些高端技術(shù)制造行業(yè)得到非常廣泛的應(yīng)用并取得非常成功的效果。近年來(lái)，該軟件也開(kāi)始越來(lái)越多的應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)之中。CATIA軟件甚至專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一個(gè)船舶結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)模塊，并將其集成在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，遺憾的是由于該模塊價(jià)格較高，我國(guó)使用范圍較窄。然而，即便在缺少船舶專(zhuān)用模塊的情況下，CATIA的常規(guī)功能仍然可以在船舶的設(shè)計(jì)中發(fā)揮巨大的作用，本文將以某集裝箱船船底分段為例，對(duì)CATIA軟件在船舶設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用予以介紹。

一、分段三維建模

三維建模功能是CATIA軟件最主要的功能，借助此功能可以將傳統(tǒng)的船舶二維平面結(jié)構(gòu)圖紙轉(zhuǎn)化成三維空間結(jié)構(gòu)模型。與機(jī)械零件相比，船體構(gòu)件的形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是鋼板和軋制型材。

圖1給出了某船雙層底分段的橫剖面圖。

從圖中可以看出，該分段構(gòu)件主要包括船底板、內(nèi)底板、縱桁、船底縱骨、內(nèi)底縱骨、實(shí)肋板、加強(qiáng)筋等構(gòu)件，并且各構(gòu)件的二維投影輪廓也已清晰的給出。現(xiàn)以?xún)?nèi)底縱骨為例，說(shuō)明創(chuàng)建三維實(shí)體的方法。本船內(nèi)底縱骨采用HP180×10，首先在AutoCAD中分離出內(nèi)底縱骨的剖面輪廓，（也可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)繪制該球扁鋼剖面圖，）保存成單獨(dú)一張dwg圖。退出“草圖”工作臺(tái)，選擇“凸臺(tái)”功能，輸入該骨材的長(zhǎng)度，即可形成內(nèi)底縱骨的三維實(shí)體模型，如圖2。

同理可制作出其他板材、骨材的三維模型。船體平行中體處的分段，構(gòu)件沒(méi)有曲率變化，全部使用“凸臺(tái)”功能即可完成。當(dāng)構(gòu)件有曲率變化時(shí)，可以使用曲面功能實(shí)現(xiàn)建模。

全部構(gòu)件建模完成之后，即可對(duì)分段進(jìn)行裝配。這里模擬船廠實(shí)際分段的裝配順序，以?xún)?nèi)底板為基面進(jìn)行反造。在CATIA中新建一裝配體，點(diǎn)擊“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工具”-“現(xiàn)有產(chǎn)品”，將制作好的內(nèi)底板構(gòu)件載入，通過(guò)“共面”（相合）約束各塊船底板的相互位置。而后將內(nèi)底縱骨調(diào)入裝配體，由于內(nèi)底縱骨牌號(hào)相同，同一零件可多次調(diào)入，通過(guò)設(shè)置“共面”（相合）、偏移、接觸等約束，形成如圖3所示的效果。進(jìn)一步，將縱桁、肋板、船底板等構(gòu)件依次調(diào)入裝配體，分段最終裝配成型，如圖4所示（為更加清晰的反應(yīng)內(nèi)部構(gòu)件結(jié)構(gòu)，已將部分船底板設(shè)置成隱藏）。

通過(guò)二維結(jié)構(gòu)圖生成三維結(jié)構(gòu)實(shí)體，對(duì)于船舶設(shè)計(jì)尤其是生產(chǎn)設(shè)計(jì)有很大的幫助作用。與二維結(jié)構(gòu)圖紙相比，三維圖能夠更加清晰的反應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，更加明確的給出構(gòu)件之間的連接方式，甚至可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)說(shuō)明不同構(gòu)件的裝配順序，從而極大提高生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的理解程度，提高生產(chǎn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工的效率和準(zhǔn)確性。此外，借助CATIA軟件自身的“材料清單”功能，可以生產(chǎn)全部零件的零件表，借助“測(cè)量慣性”功能，可以方便的計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的面積、重量、重心位置、慣性矩等參數(shù)，從而為整個(gè)分段重量、重心、涂裝面積等計(jì)算提供準(zhǔn)確清晰的信息。圖5給出了系統(tǒng)對(duì)中縱桁和第一旁縱桁間肋板的有關(guān)測(cè)量信息。

CATIA軟件集成了強(qiáng)大的出圖功能，可以方便的生成三維結(jié)構(gòu)任意剖面的投影或剖切視圖。依然以此雙層底分段為例，在全部裝配完成中，選擇“機(jī)械設(shè)計(jì)-工程制圖”功能，選擇空白布局，進(jìn)入機(jī)械制圖工作臺(tái)。選擇內(nèi)底板作為主視圖，選擇“偏移截面視圖”或“剖切截面視圖”，在相應(yīng)的橫向和縱向位置進(jìn)行標(biāo)識(shí)，即可得到相應(yīng)位置的投影視圖和剖切視如圖6所示。應(yīng)指出的是，由于船舶工程圖特殊的線(xiàn)型規(guī)定，由CATIA生成的圖紙還不能直接用于生產(chǎn)，此問(wèn)題可通過(guò)軟件二次開(kāi)發(fā)解決。

總而言之，通過(guò)三維建模、零件表生成、工程圖繪制等功能，CATIA軟件能夠?yàn)樯稍O(shè)計(jì)工作提供極大的輔助作用。在缺少大型生成設(shè)計(jì)軟件的情況下，通過(guò)AutoCAD與CATIA的配合，也完全可以完成生產(chǎn)設(shè)計(jì)的任務(wù)。除此之外，由二維圖紙繪制三維結(jié)構(gòu)，也可以對(duì)各平面結(jié)構(gòu)圖起到檢查的作用，相當(dāng)于在數(shù)字環(huán)境中對(duì)分段進(jìn)行“虛擬建造”。通過(guò)提前發(fā)現(xiàn)并改正圖紙中潛在的不合理之處，使實(shí)際建造能夠提高效率，避免返工。

二、有限元分析

在現(xiàn)代船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有限元分析已經(jīng)發(fā)展成為非常重要的一種計(jì)算工具。前文中重點(diǎn)討論了利用CATIA三維建模功能輔助生產(chǎn)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。事實(shí)上，CATIA軟件也集成了相當(dāng)強(qiáng)大的有限元分析功能，包括靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析。分析的流程可圖7簡(jiǎn)單表示。

利用創(chuàng)建好船體結(jié)構(gòu)三維模型，可以快速簡(jiǎn)便地有限元分析，為船體局部強(qiáng)度的計(jì)算和總縱強(qiáng)度的校核提供有力的支持。完整的有限元分析理論比較復(fù)雜，本文僅以分段結(jié)構(gòu)中船底板格彎曲應(yīng)力計(jì)算為例，說(shuō)明使用CATIA軟件進(jìn)行有限元分析的基本流程。

本船采用縱骨架式，船底縱骨間距620，肋板間距2150，結(jié)構(gòu)吃水5米。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，船底板格可簡(jiǎn)化2150×620，承受5米水頭均布載荷，四周剛性固定的矩形板。在CATIA中首先制造該板的三維實(shí)體，而后選擇[開(kāi)始]-[分析與模擬]-[Generative Structural Analysis]，進(jìn)入有限元分析模塊。彈出的對(duì)話(huà)框中可以選擇靜態(tài)分析（Static Analysis）、限制狀態(tài)固有頻率分析（Frequency Analysis）和自由狀態(tài)固有頻率分析（Free Frequency Analysis）三項(xiàng)。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，選擇Static Analysis。選擇[Restraints]-[clamp]，點(diǎn)選矩形板四周界，添加四周剛性固定約束；點(diǎn)擊[Loads]-[pressure]，在彈出的對(duì)話(huà)框中輸入載荷大小（49KN/m2），完成載荷的添加。如圖8。點(diǎn)擊“compute”命令，即可自動(dòng)劃分網(wǎng)格并開(kāi)始運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)束后可查看點(diǎn)擊[Image]菜單中的命令，可查看網(wǎng)格劃分情況、應(yīng)力分布情況、位移分布情況等。圖9給出了應(yīng)力分布圖。通過(guò)工具中的“Image Extrame”命令，可以顯示最大應(yīng)力點(diǎn)。從圖9可以看出，板格的最大應(yīng)力分布在大約長(zhǎng)邊中點(diǎn)處，這與理論上的解是吻合的。在更加復(fù)雜的計(jì)算中，通過(guò)[Restraints]菜單項(xiàng)，可以實(shí)現(xiàn)各種不同的約束；通過(guò)[Loads]菜單項(xiàng)，可以添加不同的載荷；通過(guò)[開(kāi)始]-[分析與模擬]advanced meshing tools工具，可以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化和優(yōu)化，從而更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

三、焊接設(shè)計(jì)

船舶建造過(guò)程中包含大量焊接作業(yè)，CATIA軟件集成了強(qiáng)大的焊接設(shè)計(jì)功能，可以對(duì)不同構(gòu)件進(jìn)行“虛擬焊接”，實(shí)現(xiàn)焊接效果的可視化?，F(xiàn)已縱桁和內(nèi)底板的焊接為例，說(shuō)明CATIA軟件焊接設(shè)計(jì)功能的使用過(guò)程。

選擇縱桁和內(nèi)底板，按上文所述方法組成裝配體，選擇[開(kāi)始]-[機(jī)械設(shè)計(jì)]-[Weld Design]進(jìn)入焊接設(shè)計(jì)工作臺(tái)。在此工作臺(tái)下可實(shí)現(xiàn)單、雙面角接焊；方形對(duì)接焊；單、雙面V型對(duì)接焊縫等共16種焊接形式?？v桁與內(nèi)底板的焊接應(yīng)采用雙面角接焊接，這里為了對(duì)比焊接效果，采用兩次單面角接焊接。選擇“fillet weld”命令，打開(kāi)創(chuàng)建焊接對(duì)話(huà)框，勾選“selection assistant”，根據(jù)提示依次選擇縱桁右側(cè)面和內(nèi)底板面，輸入焊接結(jié)構(gòu)高度5mm，完成右側(cè)面與內(nèi)底板面的焊接。再次選擇“fillet weld”命令，依次選擇縱桁左側(cè)面和內(nèi)底板面，輸入焊接結(jié)構(gòu)高度10mm，完成左側(cè)面與內(nèi)底板面的焊接。如圖10所示。

圖中可以明顯看出左側(cè)和右側(cè)的焊縫高度的變化。借助CATIA焊接設(shè)計(jì)的功能，船舶設(shè)計(jì)人員可以直觀的發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)對(duì)焊接效果的影響，從而為制定最優(yōu)的焊接方案提供參考。

四、結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要討論了CATIA軟件在船舶設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)應(yīng)用?？梢钥闯?，該軟件可以為船舶工程中的許多工作提供支持。在船舶工程界越發(fā)強(qiáng)調(diào)數(shù)字化造船技術(shù)的今天，合理有效的利用此軟件，必能對(duì)船舶行業(yè)提高設(shè)計(jì)和建造水平帶來(lái)幫助。由于作者水平有限，加之CATIA軟件功能非常強(qiáng)大，文中的內(nèi)容難免有不足和疏漏之處，肯定老師們給予補(bǔ)充指正。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛選禹，CATIA曲線(xiàn)和曲面功能詳解，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]盛選禹，CATIA有限元分析命令詳解與實(shí)例，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]盛選禹，CATIA焊接設(shè)計(jì)實(shí)例教程，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.