基于CATIA的舵系三維設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

劉 鵬 賀衛(wèi)東 佟 寅

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

良好的船舶操縱性必須依靠操縱設(shè)備來(lái)保證。船舶操縱設(shè)備眾多，舵因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，是目前使用最為廣泛的操縱設(shè)備之一。［1］目前國(guó)內(nèi)舵主流設(shè)計(jì)方法是基于CAD二維圖紙，因?yàn)樗璞磉_(dá)的剖面較多，且需要多個(gè)平面視圖去表達(dá)同一個(gè)空間物體，往往需要花費(fèi)大量時(shí)間。圖紙重復(fù)修改工作量很大、工作效率很低，并且基于二維圖紙的舵形放樣不僅需要依靠放樣工人的豐富經(jīng)驗(yàn)，也難以保證線形的準(zhǔn)確性。隨著科技的進(jìn)步，如何豐富設(shè)計(jì)手段，提高設(shè)計(jì)能力已成為亟待解決的問(wèn)題。

三維模型設(shè)計(jì)可保證零部件形狀、尺寸以及裝配關(guān)系的完整和準(zhǔn)確，以三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)生成的三維工程圖可以按照投影法則自動(dòng)生成設(shè)計(jì)者所需的各種視圖。這些視圖之間通過(guò)三維實(shí)體模型建立起了內(nèi)在的對(duì)應(yīng)關(guān)系［2］，不必過(guò)多考慮各個(gè)平面上的圖面表達(dá)方式，可將更多精力投入到設(shè)計(jì)本身的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從計(jì)算機(jī)輔助繪圖到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的飛躍，這將大大提高設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)理念。此外，三維軟件所含有的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真和有限元分析功能，能預(yù)先對(duì)我們的設(shè)計(jì)工作進(jìn)行檢查分析，從而降低設(shè)計(jì)出錯(cuò)率，提高設(shè)計(jì)精度。

1 三維軟件簡(jiǎn)介

主流的三維軟件包括CATIA、PROE、NX等，每一款都有各自特色，本文以CATIA作為三維設(shè)計(jì)軟件。它是新一代數(shù)字化三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可應(yīng)用于整個(gè)產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到實(shí)際產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)全過(guò)程，目前已成為我國(guó)普遍使用的高端CAD/CAE/CAM軟件之一。

CATIA不僅可以完成建模、裝配、工程出圖等基本功能，還可以對(duì)建立的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真和有限元分析等操作。其采用特征的建模和編輯方法作為實(shí)體造型的基礎(chǔ)，形象直觀，并可以參數(shù)驅(qū)動(dòng)。CATIA等三維設(shè)計(jì)軟件的運(yùn)用極大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期，能夠使企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的需求作出快速反映。［3］

2 基于CATIA的舵系三維設(shè)計(jì)過(guò)程

二維和三維設(shè)計(jì)的思路和流程是不同的。二維設(shè)計(jì)需要根據(jù)使用要求和規(guī)范規(guī)則直接進(jìn)行二維圖紙繪制。繪制過(guò)程需要將不同的視圖相對(duì)應(yīng)，避免出現(xiàn)不同視圖表達(dá)不一致，并且圖紙修改也不是一次成型。反復(fù)修改不僅效率低，浪費(fèi)大量人力，更有可能因同一物體的不同視圖表達(dá)而增加出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。三維設(shè)計(jì)則根據(jù)要求直接進(jìn)行實(shí)體造型。設(shè)計(jì)過(guò)程中因?yàn)榭梢詫?shí)時(shí)看到設(shè)計(jì)結(jié)果，避免了往復(fù)檢查。實(shí)體造型完成后，如需修改，也是在三維模型上進(jìn)行修改。修改完畢后可根據(jù)工程需要由CATIA的工程圖功能導(dǎo)出二維ATUO CAD圖紙。不同的剖面也相應(yīng)自動(dòng)生成，不需要每一個(gè)剖面人工去做一一對(duì)應(yīng)，大大提高了效率和準(zhǔn)確性。

2.1 舵系建模

CATIA具有頗為強(qiáng)大的特征建模和編輯功能，使用這些功能可以高效地構(gòu)建復(fù)雜的產(chǎn)品模型。對(duì)于舵葉建模，大致流程為：先在草圖上描繪輪廓曲線；然后利用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等工具產(chǎn)生實(shí)體特征；再通過(guò)布爾運(yùn)算對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行修改；按照要求進(jìn)行板縫劃分；然后隔板與鑄鋼件建模；最后建立封板，完成建模工作。

舵葉三維設(shè)計(jì)流程如圖1所示； 基于三維設(shè)計(jì)流程，舵葉三維建模的過(guò)程如圖2、圖3以及下頁(yè)圖4所示。最終得到的舵葉剖視圖如圖5所示。

圖1 舵葉三維設(shè)計(jì)流程

圖2 舵葉及隔板建模過(guò)程

圖3 上鑄鋼件模型

圖4 下鑄鋼件模型

圖5 舵結(jié)構(gòu)剖視圖

除舵葉外，舵系還包括舵桿、舵銷及節(jié)能附體（舵球和舵鰭）等。各附件的三維模型見(jiàn)圖6 -圖9。

圖6 舵球模型

圖7 舵鰭模型

圖8 舵桿模型

圖9 舵銷模型

2.2 舵系裝配

虛擬裝配即使用計(jì)算機(jī)，在沒(méi)有物理實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品或支持過(guò)程的情況下，通過(guò)分析、預(yù)測(cè)模型、數(shù)據(jù)的表達(dá)和可視化，做出或輔助做出與裝配相關(guān)的工程決策［4］。通過(guò)裝配設(shè)計(jì)不僅可將零件組裝在一起形成零部件或完整的產(chǎn)品模型，還可對(duì)裝配好的模型進(jìn)行間隙分析、交線提取、重量管理等操作。

利用CATIA自身的裝配模塊，將舵系各個(gè)部分零件組裝到一起，如下頁(yè)圖10所示。

圖10 舵系各部件裝配體

2.3 二維圖紙輸出

目前三維設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)造船過(guò)程中應(yīng)用還不是很廣泛，同時(shí)各單位采用的軟件也不盡相同，所以尚無(wú)法做到直接從模型設(shè)計(jì)到實(shí)際產(chǎn)品的制造，仍需要輸出二維圖紙。

CATIA支持兩類制圖模式，即創(chuàng)成式制圖和交互式制圖。利用創(chuàng)成式制圖是將三維模型按照需要顯示在二維圖紙上，是一種與三維模型相關(guān)聯(lián)的模式；而交互式制圖是在二維圖紙上手工創(chuàng)建尺寸、公差等與三維模型無(wú)關(guān)聯(lián)的信息，是一種獨(dú)立的繪圖模式。

輸出二維圖紙是為了送審及指導(dǎo)生產(chǎn)，所以首先需要按照出圖標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制圖模塊進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，包括圖框、字體、標(biāo)注樣式等。進(jìn)入制圖模塊后，可以根據(jù)工程需要在圖頁(yè)上添加剖視圖、投影圖、局部放大圖、打斷視圖等。為了準(zhǔn)確表達(dá)相關(guān)信息，在圖紙上增加尺寸、公差、粗糙度、精度等加工參數(shù)，這時(shí)所需要的基本信息已表達(dá)完整，即可導(dǎo)出二維圖紙。為了圖紙表達(dá)清晰，有些線條無(wú)需表達(dá)，但因各剖面與模型相關(guān)聯(lián)在CATIA中修改不是很方便，這時(shí)再通過(guò)AUTOCAD等二維設(shè)計(jì)軟件對(duì)圖紙相應(yīng)完善即可完成送審圖紙。CATIA導(dǎo)出的舵葉圖紙見(jiàn)圖11。

后續(xù)按照船東或船檢意見(jiàn)修改時(shí)，可在三維模型上直接修改，二維圖紙各剖面因與模型相關(guān)聯(lián)，故可同步完成修改，避免遺漏或錯(cuò)誤。

3 建模過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)

參數(shù)化建模的突出優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)改變參數(shù)來(lái)修改和控制幾何形狀，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)部件的精確造型，從而達(dá)到修改設(shè)計(jì)意圖的目的。［5］

在設(shè)計(jì)初期，舵外型草圖設(shè)計(jì)是先根據(jù)型值表描出各相應(yīng)點(diǎn)，然后用樣條曲線連接成外型。在進(jìn)行新的設(shè)計(jì)時(shí)，則需要重新輸入各坐標(biāo)值，重復(fù)進(jìn)行上述工作，從而造成人力浪費(fèi)。

對(duì)于NACA這種成熟舵型，其型值可用統(tǒng)一的表達(dá)式表示，這就為其參數(shù)化提供了非常便利的條件?；贑ATIA的參數(shù)化方法包括設(shè)計(jì)變量法和程序設(shè)計(jì)法，在此采用設(shè)計(jì)變量法。

舵葉剖面的幾何參數(shù)定義如下：b為弦長(zhǎng)，即連接剖面的前端點(diǎn)和后端點(diǎn)的直線（弦線）的長(zhǎng)度，mm；y1和y2分別為從弦線x軸垂直量取的剖面輪廓線的縱坐標(biāo)值，mm；e為剖面在任意x值處的厚度；t為剖面的最大厚度，mm；為剖面厚度比（=t/b）。

圖11 CATIA導(dǎo)出的舵結(jié)構(gòu)二維圖

比如VLCC采用的是NACA剖面厚度比為0.2。其外形參數(shù)化設(shè)計(jì)主要運(yùn)用草圖和表達(dá)式的參數(shù)化設(shè)計(jì)。對(duì)于任意厚度的對(duì)稱NACA剖面，其縱坐標(biāo)值可按下式計(jì)算［6］：

通過(guò)分析，這里將弦長(zhǎng)、厚度比及舵高度作為設(shè)計(jì)變量，采用電子表格法，得到如圖12所示設(shè)計(jì)表。

圖12 外型曲線表達(dá)式

這樣，當(dāng)后期采用NACA進(jìn)行新的舵型設(shè)計(jì)時(shí)，只需改變弦長(zhǎng)、厚度比或舵高等變量，便可得到所需的舵型。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于舵這種剖面較多的舾裝件，三維建模設(shè)計(jì)可以大幅縮減設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。同時(shí)空間模型更利于在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，杜絕三向視圖矛盾，從而避免校對(duì)人員花費(fèi)大量時(shí)間和精力來(lái)校核低級(jí)錯(cuò)誤，進(jìn)一步提高工作效率。即使設(shè)計(jì)過(guò)程中需進(jìn)行修改，三維修改也更加準(zhǔn)確快捷。

（2）CATIA的參數(shù)化建模特點(diǎn)可大大提高建模和修改效率，同時(shí)也使大量數(shù)據(jù)輸入時(shí)的錯(cuò)誤發(fā)生概率大大降低。

（3）CATIA多個(gè)模塊可以方便切換，圖紙功能可以很方便地輸出所需的二維圖紙，大大減少模型轉(zhuǎn)換的工作量。

［參考文獻(xiàn)］

［1］范尚雍. 船舶操縱性［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988：156.

［2］蘇成君，吳衛(wèi). 淺談三維設(shè)計(jì)的必要性及應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題［J］.一重技術(shù)，2008（3）：105-106.

［3］龔杰. 基于CATIA和ADAMS的汽車變速器參數(shù)化設(shè)計(jì)及仿真［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［4］姚理，劉慧琴，何小國(guó)，等. 基于CATIA中DELMIA的虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2014（2）：46-50.

［5］張銳.基于CATIA的參數(shù)化建模及虛擬裝配設(shè)計(jì)［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2014（12）： 26-28.

［6］中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：舾裝分冊(cè)［M］. 3版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 2013：5-6.