NAPA STEEL在豪華郵輪開發(fā)設計中的應用

沈童偉，楊曉銳，徐旭敏，樊祥棟

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

NAPA STEEL在豪華郵輪開發(fā)設計中的應用

沈童偉，楊曉銳，徐旭敏，樊祥棟

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

為掌握一套成熟有效的豪華郵輪開發(fā)設計流程和方法，準確、高效地完成船舶結構設計工作，保證豪華郵輪的安全性和舒適性，從結構三維一體化設計總體思路、結構建模和數(shù)據(jù)輸出及幾何模型轉換有限元模型等3個方面介紹上海船舶研究設計院運用NAPA STEEL開發(fā)設計7萬總噸豪華郵輪的實踐經(jīng)驗。將該設計與傳統(tǒng)設計相對比，分析結構三維一體化設計的效率優(yōu)勢。同時，針對現(xiàn)階段存在的不足和未來的發(fā)展方向提出相應的改進建議。

豪華郵輪；NAPA STEEL；結構三維一體化設計；有限元模型轉換

0 引 言

豪華郵輪被譽為造船業(yè)“皇冠上的明珠”，是公認的高技術、高附加值船型。在其前期開發(fā)設計中，結構領域面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如快速應對方案變化帶來的結構調(diào)整、處理眾多復雜結構間的空間關系、判斷大開孔外板參與總縱強度的程度、進行更為科學有效的振動和噪聲分析及提供相對精確的質(zhì)量和重心數(shù)據(jù)等。豪華郵輪作為高端裝備制造業(yè)的典型代表，融合了先進的裝備制造業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)，集觀光、旅游、休閑及娛樂等功能于一體，是高度集成化、系統(tǒng)化、信息化的“海上移動度假村”。與傳統(tǒng)的三大主流船型相比，豪華郵輪的設計理念先進、建造難度巨大，可直接反映出一個國家的綜合科技水平和綜合工業(yè)能力。

上海船舶研究設計院（以下簡稱上船院）作為中國船舶工業(yè)集團公司旗下的大型綜合性船舶研究設計院，參與了我國工業(yè)和信息化部牽頭的高技術船舶科研項目，圍繞7萬總噸豪華郵輪的開發(fā)，開展中型豪華郵輪功能設置和總體布置關鍵技術研究；同時，在結構設計的關鍵問題上投入大量資源進行計算分析。在項目開發(fā)伊始，即確立結構三維一體化設計的理念，并將NAPA STEEL引入到開發(fā)設計中。NAPA STEEL[1]是芬蘭NAPA公司基于NAPA平臺開發(fā)的三維結構設計模塊，此前在上船院散貨船、集裝箱船、油船及滾裝船等船型[2]的前期設計和詳細設計中得到應用。通過對NAPA STEEL進行具體實踐，在滿足基本的模型創(chuàng)建和數(shù)據(jù)輸出的同時，可為高效、高質(zhì)量地輸出全船有限元模型進行強度和振動噪聲分析提供條件。

1 結構三維設計總體思路

基于NAPA STEEL的結構三維一體化設計是一種由總體設計向結構設計自然過渡的一體化設計（見圖1）。這得益于NAPA軟件目前在國內(nèi)總體設計領域中的廣泛應用。在開發(fā)設計初期，結構專業(yè)僅依靠總布置圖和典型橫剖面圖及總體專業(yè)人員在NAPA軟件中錄入的大量艙室信息，即可利用快速建模工具和NAPA STEEL進行結構的快速建模與詳細建模。當設計方案發(fā)生變化時，在建模過程中及時更新相關信息，模型便會作出相應調(diào)整。在獲得詳細模型之后，可將模型信息導出至各船級社規(guī)范計算軟件中進行規(guī)范計算校核，并根據(jù)需要轉換成各種有限元模型進行直接計算。最后，將規(guī)范計算結果和直接計算結果反饋到NAPA STEEL 3D模型，輸出質(zhì)量、重心等數(shù)據(jù)及CAD圖紙，用以送審。

圖1 結構三維一體化設計流程圖

2 結構建模和數(shù)據(jù)輸出

2.1 基于MGR＊STEEL的快速結構建模

當前NAPA公司已基于輸入輸出指令集成模塊MANAGER平臺開發(fā)出針對散貨船和集裝箱船的快速建模工具MGR*BULK_CARRIER及MGR*CONTAINER，并已在業(yè)界得到一定的應用[3]；而MGR*STEEL則是所有船型通用的快速建模工具。通過分析豪華郵輪的結構特點發(fā)現(xiàn)，其上層建筑各層甲板間的鋼圍壁構件的數(shù)量占全船結構構件總量的30%以上，根據(jù)總布置圖對其進行逐一創(chuàng)建很不方便，因此亟須找到一次性批量處理的方法。

在快速建模中，可利用DXF IMPORT工具直接將總布置圖上表示艙室鋼圍壁的線段以DXF格式導入到MGR*STEEL中，當輸入鋼圍壁所在上甲板和下甲板的界限之后，該線段會自動拉伸，生成所需要的結構對象。需特別指出，MGR*STEEL并不是脫離NAPA STEEL單獨存在的，其所創(chuàng)建的坐標肋位、結構樹和結構構件均會第一時間存儲到NAPA STEEL的相應位置處，便于在NAPA STEEL中進行詳細建模。但是，要對已生成的結構構件進行修改，必須通過修改其代碼來完成。MGR*STEEL生成的結構構件的代碼散落在NAPA程序內(nèi)部，若不對其加以收集和整理，當繼續(xù)編輯這些代碼時就需要到NAPA系統(tǒng)中去查詢，既費時又費力。對此，可根據(jù)NAPA自帶的程序語言NAPA BASIC編寫程序，完成對代碼的收集。

2.2 基于NAPA STEEL的詳細結構建模

NAPA STEEL是進行詳細結構建模的場所。板材、骨材等結構構件；板縫、開孔及肘板等附屬結構均可利用軟件提供的相應方法進行創(chuàng)建。豪華郵輪結構復雜，存在許多建模難點，為保證模型的準確性和建模速度，有以下4點建議：

1) 確保上層建筑曲面外形正確，包括露天甲板前后陽臺的舷墻及某些特殊場所（如舞廳）的外圍壁等。只有綜合運用DCY或CNS等特殊命令才能得到正確的外形。

2) 盡量使用參數(shù)化建模方法，利用NAPA BASIC語言編制命令，批量生成一些重復結構或在結構上具有較強規(guī)律性的構件，提高建模效率。

3) 對復雜外形構件采用PCurve命令。 PCurve命令專門用來創(chuàng)建外形復雜的結構構件[4]，其適用性廣、精度高，且自帶PCurve數(shù)據(jù)庫。在建模時，由專門的管理員將具有代表性的PCUR構件參數(shù)化之后加入System Database中的TAB*STRUCTURE_LIBRARY中，方便在后續(xù)工作中調(diào)用。

4) 進行適當?shù)亩伍_發(fā)。例如，上船院基于VB.NET和SQL數(shù)據(jù)庫技術構建NAPA STEEL三維參數(shù)化船舶構件庫[5]，在NAPA自帶PCurve數(shù)據(jù)庫的基礎上極大地豐富了參數(shù)化建模工具，提高了建模效率。

2.3 規(guī)范計算模型的輸出

在規(guī)范設計中，往往需要在船級社的規(guī)范計算軟件中創(chuàng)建多個剖面校核構件。對于傳統(tǒng)的結構二維設計，需要對這些剖面的板厚、骨材及艙室等進行重新建模，工作量大且容易出錯；而對于結構三維設計，可直接將詳細模型中的剖面信息導入到船級社軟件中，省去了重復建模的工作，可選擇MGR*INTERFACE_TO_RULE工具（該工具也是基于MANAGER平臺開發(fā)的，目前已有支持BV，LR，DNV-GL和CLASSNK的規(guī)范計算軟件接口）。

從輸出效果來看，詳細模型中的剖面信息在規(guī)范計算軟件中得到了最大程度的保留，只需要進行少量的檢查修改工作即可直接進行校核（見圖2）。

圖2 輸出至GL-POSEIDON截圖

2.4 CAD圖紙和質(zhì)量、重心輸出

1) CAD圖紙是結構三維設計向結構二維設計的反饋，目前國內(nèi)相關設計資料的存檔和送審仍停留在圖紙階段。因此，若能直接從模型中輸出符合要求的CAD圖紙，則可大大減少重復勞動，提高設計效率。NAPA公司在MANAGER平臺上根據(jù)NAPA STEEL的需要開發(fā)出MGR*DRAWING工具。上船院在引進NAPA STEEL之后與NAPA公司合作進行二次開發(fā)，目前已能輸出基本上符合上船院標準的CAD圖紙。

2) 質(zhì)量和重心輸出是NAPA STEEL獨有的優(yōu)勢。利用LQ/TOO/LIST命令的靈活組合，可獲得不同要求下的質(zhì)量統(tǒng)計結果，例如全船或分段的總質(zhì)量、按厚度和材料歸類的鋼材清冊及按確定步長統(tǒng)計的船體分段質(zhì)量等，為總體專業(yè)工作和有限元直接計算的進一步開展提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

3 幾何模型轉換有限元模型

豪華郵輪除了對外觀設計和造型布置有較高的要求之外，對船舶結構的安全性和舒適性也有很高的要求。因此，利用有限元模型進行全船的強度和振動噪聲分析是豪華郵輪結構設計中的重要工作。

嘗試將已有的NAPA STEEL模型轉換為有限元模型，再有步驟地輸出到Patran中開展后續(xù)工作。為在模型轉換之后獲得更好的輸出效果，便于計算分析，有以下2點建議：

1) 合理地進行網(wǎng)格控制。根據(jù)需要合理地設置板、筋、開孔及肘板的網(wǎng)絡劃分策略；利用FEM Traces實現(xiàn)對網(wǎng)格的進一步控制。

2) 桁材板元化。為更好地評估豪華郵輪的局部強度，尤其是橫向強度，需對大量的甲板強橫梁、縱桁及舷側垂直強肋骨的腹板進行板元化。

目前NAPA公司提供NAPA STEEL界面上的FEM和MGR*FEM 2種有限元網(wǎng)格劃分工具，均可實現(xiàn)控制參數(shù)輸入和網(wǎng)格自動劃分等功能。豪華郵輪項目采用MGR*FEM工具進行模型轉換，更為快捷、方便，生成的網(wǎng)格質(zhì)量也相對更優(yōu)。

3.1 全船有限元模型輸出

全船有限元模型輸出遵照先分段輸出后整體拼接的思路（見圖3）。這樣做不僅有利于進行網(wǎng)格控制，而且可防止全船模型整體輸出時網(wǎng)格過多引起系統(tǒng)崩潰。但是，在輸出時要注意分段的位置，并保證分組信息一致。

3.2 多網(wǎng)格模型輸出

根據(jù)計算分析的要求，需要不同網(wǎng)格大小的有限元模型，例如用于高應力區(qū)強度細化分析的50mm×50mm細網(wǎng)格模型（見圖4）、用于高應力區(qū)疲勞分析的txt精細化模型（見圖5）及用于振動分析的網(wǎng)格尺寸為強框間距的粗網(wǎng)格模型（見

圖6）等。以上模型均可由同一個NAPA STEEL模型轉換得到。

圖3 全船有限元模型輸出

圖4 50mm×50mm細網(wǎng)格模型輸出

圖5 txt精細化模型輸出

圖6 振動全船有限元模型輸出

4 結構三維一體化設計與傳統(tǒng)設計模式對比分析

在項目開發(fā)過程中，比較結構三維一體化設計與傳統(tǒng)設計在效率上的優(yōu)劣，結果見表1，有以下5點說明：

1) 不考慮各項工作交疊進行的情況，即各項工作在前一項工作完成之后方能進行；

2) “時間（工作日）”表示單人所需工時；

3) “規(guī)范計算模型”是指在船級社規(guī)范計算軟件中創(chuàng)建可用于計算的船體結構剖面；

4) “有限元建?！辈话ǘ嗑W(wǎng)格模型構建工作；

5) 表1中所列項目均不包含計算分析工作。

表1 結構三維一體化設計與傳統(tǒng)設計效率比較

由表1可知，利用NAPA STEEL進行結構三維一體化設計所需時間不到傳統(tǒng)設計的1/2，主要原因在于“規(guī)范計算模型”、“質(zhì)量統(tǒng)計”和“有限元模型轉換”等3項工作節(jié)省了大量的時間。進一步分析這3項工作的工作方式和控制工作質(zhì)量的要素，結果見表2。

表2 結構三維一體化設計與傳統(tǒng)設計的工作方式和質(zhì)量要素比較

由表2可知，結構三維一體化設計可使設計人員完全摒棄根據(jù)圖紙信息手工建模和計算的工作方式，“一鍵式”完成“規(guī)范計算模型”和“質(zhì)量統(tǒng)計”工作。結構三維一體化設計將質(zhì)量控制集中在NAPA STEEL建模階段，嚴把模型質(zhì)量關，通過“一模多用”確保后續(xù)工作質(zhì)量，減少人為因素造成的錯誤，使結果更為準確。

5 結構三維一體化設計展望

目前國內(nèi)已有不少船舶設計院所和船廠嘗試在船舶開發(fā)設計和詳細設計階段使用NAPA STEEL，并已取得一定的成果。在此基礎上，應繼續(xù)探索能使NAPA STEEL結構模型在詳細設計階段發(fā)揮更大作用并進一步延伸到生產(chǎn)設計階段的方法。為此，建議從以下3點出發(fā)開展相關研究工作：

1) 建立較為規(guī)范的結構建模標準。應在推廣三維設計之初就確立統(tǒng)一、合理、規(guī)范的建模標準。

2) 完善出圖功能?，F(xiàn)階段能輸出既滿足船級社的送審要求，又滿足船舶設計院所和船廠自身標準的圖紙十分重要。通過MGR*DRAWING工具出圖之后，利用AUTOLISP語言在CAD內(nèi)部進行二次開發(fā)，進一步完善出圖效果。隨著NAPA軟件全新的AUTOCAD出圖插件的推出，將繼續(xù)圍繞該工具進行更為深入的開發(fā)，為替代傳統(tǒng)CAD提供條件。

3) 完善NAPA與TRIBON間的接口。上船院曾多次和NAPA公司就NAPA STEEL模型導入TRIBON的研究進行合作，實踐證明這基本上是可行的。但需要指出的是，艏部和艉部結構的導入還不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)信息缺失。應在NAPA STEEL建模之初就考慮到將來導入TRIBON的可能性，有針對性地調(diào)整建模策略，盡量保證輸出之后模型信息的完整性。

6 結 語

結構三維一體化設計目前仍處于探索和發(fā)展階段，希望通過相關介紹給未來的結構三維一體化設計工作提供一些有益參考。

[1] NAPA. NAPA 2015.1 Manuals[S]. 2015.

[2] 張文斌，張敏健. 超巴拿馬大型汽車滾裝船開發(fā)設計[J]. 船舶與海洋工程，2015，31 (4):1-4.

[3] 張偉，陳磊. NAPA STEEL在大型集裝箱船結構設計中的應用[J]. 船舶，2015，31 (1): 54-58.

[4] NAPA. NAPA User Seminar China 2014 [C] , 2014.

[5] 劉智強，王峰，羅偉. 基于VB.NET的NAPA STEEL三維參數(shù)化船舶構件庫[J]. 船舶設計通訊，2015 (1): 53-56.

Application of NAPA STEEL to the Development and Design of Luxury Cruiser

SHEN Tong-wei，YANG Xiao-rui，XU Xu-min，F(xiàn)AN Xiang-dong

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China）

In order to seize the mature and effective procedures and methods for the development and design of luxury cruiser to accomplish the structural design work in a precise and efficiency way and to guarantee the safety and comfortability of the ship, this paper introduces the experience gained by Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute from the development and design of a 70000GT cruise ship using NAPA STEEL, which covers the general concept of integrated 3D structural design, structural modeling and data output, as well as the conversion from geometry model to finite element model. The advantage of integrated 3D structural design is analyzed when compared with traditional design methods. At the same time, the insufficiencies existed are pointed out and suggestions to improve the work in the future are put forward.

luxury cruiser; NAPA STEEL; integrated 3D structural design; FEM model conversion

U674.11

B

2095-4069 (2017) 05-0053-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.010

2016-03-11

沈童偉，男，工程師，1985年生。2008年畢業(yè)于上海交通大學船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶結構設計工作。