淺談船舶三維設計平臺關鍵技術

朱春林

【摘要】計算機技術一直以來就被廣泛應用于船舶設計領域，其有著較多的軟件，且在各大造船廠的應用歷史也比較廣泛。這些軟件包括TRIBON、NAPA、CATIA與CADDS5等，每個軟件都有自己獨特的優(yōu)勢，但是卻由于各個系統(tǒng)之間的封閉性，導致它們之間數(shù)據交換的不通順。鑒于此，本文就針對船舶三維設計平臺的技術進行了研究，并得出了自己的一些見解和建議。

【關鍵詞】船舶設計；三維技術；平臺；關鍵技術

船舶設計是一項大型而又復雜的系統(tǒng)工程，在計算機技術未出現(xiàn)之前，船舶設計主要以螺旋上升的設計方式為主，而再產生了計算機技術之后，設計周期不斷縮短，而且設計流程也更加規(guī)范，但是船舶的結構也越來越復雜了，因此如何能夠更好的在較短時間內完成符合標準的設計，依舊是船舶設計中比較嚴峻的問題。

一、計算機技術在船舶三維設計中的價值性

在整個船舶企業(yè)的設計制造當中，船舶企業(yè)必須要依賴一個設計平臺。來管理整個設計過程，并進行數(shù)據交換與數(shù)據共享。因此為了提高船舶的建造質量，并且降低船舶的建造成本，必須要重視船舶三維設計的重要意義。

首先，船舶三維設計平臺可以對系統(tǒng)的資源進行整合，因為軟件是多樣性的，所以企業(yè)需要利用平臺對軟件系統(tǒng)進行整合，讓每個軟件系統(tǒng)都發(fā)揮自己的優(yōu)勢，這樣就會加快設計的效率。

其次，這個平臺可以管理模型的數(shù)據信息。在船舶的開發(fā)與設計過程中，需要產生大量的數(shù)據，而這些數(shù)據證實船舶制造的關鍵信息，但問題是每個軟件生成的信息不是統(tǒng)一的，這樣一來就增加了信息管理的難度，且軟件的不斷更新、更換或者升級，又有可能會造成數(shù)據丟失。因此利用三維平臺可以讓數(shù)據進行統(tǒng)一規(guī)整與管理，提升效率，保護數(shù)據。

最后，三維設計平臺有利于船舶一體化的設計。船舶設計軟件設計的結果是環(huán)環(huán)相扣的，修改一個數(shù)據機會牽扯到其他數(shù)據，因此采用三維設計平臺，通過統(tǒng)一管理數(shù)據，可以避免很多因為數(shù)據修改而產生的錯誤，并且對船舶一體化的設計有著非常重要的作用。

二、船舶三維設計平臺的技術方案探析

船舶的設計是多方面的，分為較多部分，其中依次是概念的設計、總體的規(guī)劃設計、深化設計以及生產深化設計幾個部分。且這個幾個部分相互關聯(lián)相互影響，呈螺旋上升的過程。因此在三維設計平臺設計船舶的外形及結構設計過程中，因此需要通過平臺對進行資源與數(shù)據整合。

（一）系統(tǒng)的架構分析

CATLA作為三維平臺的核心系統(tǒng)，具有相當重要的意義，其通過Automation技術開發(fā)船體外形，實現(xiàn)船體的基本機構設計。通過XML中間格式文件，實現(xiàn)系統(tǒng)集成。而整個船舶設計功能模塊，是分為5個部分的，但是船舶設計表達通用模型是整個平臺的核心。

（二）核心平臺分析

船舶三維設計平臺在前期的研究中，也是做了比較多的測試與對比的，因此最終選擇的是CATLA作為核心平臺。主要是原因是：首先，其實一款通用的CAD軟件，船舶設計的幾個造型功能非常強大，且操作簡單，精度也是比較高的。在轉換軟件時也能保證完整的模型精度。其次，CATLA軟件提供了比較多的二次開發(fā)接口，資料較為豐富，這也為軟件的開發(fā)降低了難度。其接口能夠提供標準的文件格式，且還可以輸出標準的文件格式。其三，CATLA軟件可以建立船舶的型材庫、板材庫與設備庫等，這樣就能提升設計效率，降低建模時的難度。最后比較重要的一點就是，CATLA軟件具有比較強大的發(fā)展空間，其收購了許多家公司，因此可以預測其再將來的一段時間之內，仍將是船舶設計中的比較主流的一款軟件，這樣就能保證船舶設計三維平臺的生命力與反發(fā)展力。

（三）模型的接口方案分析

船舶三維設計平臺，有很重要的一個功能就是數(shù)據交換功能，實現(xiàn)模型共享，因此其CAX系統(tǒng)的數(shù)據接口主要有三種主要方式：專用、通用以及統(tǒng)一模型的數(shù)據交換。

專用格式數(shù)據交換是為了實現(xiàn)三維模型的映射與轉化，其針對的主要特性系統(tǒng)有CAD的DWG格式、CATLA軟件的CATpart與CATprodurct等。而通用的數(shù)據標準則是由DXF、STEP、LGES、VRML、X3D等，這些數(shù)據格式是中性的，不依賴與任何系統(tǒng)。統(tǒng)一產品模型數(shù)據交換是不同的系統(tǒng)采用相同的數(shù)據管理軟件。因此，由于船舶設計的三維平臺有著跨平臺的優(yōu)越性，因此其具體圖（1）示如下：

圖（1）船舶通用模型數(shù)據信息示意圖

三、船舶設計的表達通用模型分析

船舶設計是牽扯到的因素是方方面面的，其本身就是一個復雜的綜合物體，所以對其進行設計其方案也必定擁有較為復雜的綜合性特點，這些問題包含了流體靜力學、水動力以及結構等多方面的知識。只有把這些學科高度優(yōu)化與融合在一起，才能完整的設計船舶，因此，對于船舶的設計而言，其設計問題是具有綜合性的特點的。因此，在船舶設計到建造施工的過程中，涉及到的設計者、船廠與船檢方等，都需要共同努力。船舶設計者也應該將整個設計的船舶作為研究對象，利用船舶設計表達通用模型。

（一）模型表達中的單位與坐標

船舶設計的不同階段對應相應的設計知識積設計自由度，設計階段越靠后需要的設計知識越多，而設計的自由度卻越低。在船舶的設計過程中，一般以毫米為單位進行建模，針對不同軟件的不同單位制，一般維持在毫米級為準。但是還出于不同三維設計軟件對幾何體的參考數(shù)據精度要求不同，因此一般采用四位小數(shù)點作為有效值的標準方法。

坐標方面，由于船型、重量、船艙容量、速度與穩(wěn)定性、操縱的靈活性、結構與經濟性等。因此對不同類型的船舶進行多學科優(yōu)化設計的時候，需要選擇與其相適應的經驗公式與統(tǒng)計公式模型。以及船舶的構件尺寸不是唯一的，且焊接形式較多，因此需要考慮全局坐標系和局部坐標系的問題。一般來言，船舶設計坐標系采用右手笛卡爾坐標系，原點在船的尾垂線與船中線的交點。

（二）船舶整體模型

船舶設計周期長、學科多以及耦合關系復雜等，因此決定了學科分析需要采用精度更高的方法，然后利用響應面近似模型技術來完成整個設計優(yōu)化過程。如今，多學科設計的優(yōu)化方法已經被飛機甚至是導彈行業(yè)所應用，并且也取得了良好的設計結果。由此可以看得出來其是一項非常科學的、行之有效的方法。船舶的整體模型，包含管系、電氣及設備等模型，具體如下圖（2）所示：

具體為ship為跟元素，其就是整個船體。Shape是外形模型，hull是結構模型，而subdivsion分艙模型。

（三）船舶外型模型

船舶設計的過程重組就是用另一種方式設計船舶，但是在設計中，要注意三維平臺系統(tǒng)雖然功能強大，設計師在設計的時候可以利用它來進行設計，可以將它作為有效地輔助工具，但是，設計者一定要建立在對這個系統(tǒng)的深入理解上，而不只是依靠計算機忽視了思考和創(chuàng)新。因此在傳統(tǒng)的設計方法基礎之上，通過船舶的型表值來表達船型，但是問題是不夠直觀，所以在船體的外形及曲面的三維空間設計中，需要在專用的設計軟件中建立船舶外形模型。

四、結束語

船舶設計三維平臺能夠很快的提高船舶設計的效率，提升船舶設計的水平，并且能夠在設計過程中做到更加徹底和創(chuàng)新，通過過程重組，從而提高船舶制作過程中的質量和降低成本。因此，本文通過對船舶設計三維平臺的關鍵技術進行分析，有著非常重要的意義，其中包括探索數(shù)據接口方案、模型間的信息傳遞等，以及建模等，以期能夠對船舶設計三維平臺的完善與發(fā)展提供建議，為我國造船業(yè)與船舶設計業(yè)做出貢獻。

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