船舶結(jié)構(gòu)三維建模技術(shù)研究

樊榮超?錢靚?周峰

摘要：傳統(tǒng)的船舶工業(yè)由于技術(shù)簡(jiǎn)單、工作環(huán)境差、勞動(dòng)力密集，一度被認(rèn)為是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，并且整個(gè)造船行業(yè)較低迷，因此減少造船成本對(duì)提高我國(guó)造船行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。隨著計(jì)算機(jī)輔助三維建模軟件的發(fā)展，快速化和智能化的實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重大而現(xiàn)實(shí)的意義，可以提高船舶設(shè)計(jì)效率，加快造船進(jìn)度，增強(qiáng)船舶工業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：三維建模技術(shù)；船舶結(jié)構(gòu)；研究探討

隨著計(jì)算機(jī)輔助軟件的快速發(fā)展，在船舶設(shè)計(jì)、建造領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用三維軟件進(jìn)行船舶的設(shè)計(jì)建造。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)漸漸被現(xiàn)在的三維設(shè)計(jì)所取代，成為船舶設(shè)計(jì)中的一種便捷高效的新方法。三維設(shè)計(jì)具有很多優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)所無(wú)法比擬的：能夠預(yù)估船舶分段的各種類型的鋼材使用量，能夠預(yù)估分段的焊縫長(zhǎng)度以及焊條使用量，能夠進(jìn)行分段或者局部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，能夠用于船舶任意肋位總縱強(qiáng)度的校核，能夠用于船上設(shè)備的虛擬裝配，用于檢查設(shè)備之間的干涉問(wèn)題，也能夠用于Unity引擎下的艙室漫游，等等。其中，三維設(shè)計(jì)最大的優(yōu)點(diǎn)是可以直觀的呈現(xiàn)產(chǎn)品，并且可以展現(xiàn)出設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)產(chǎn)品的思路，又可以非常方便的發(fā)現(xiàn)修改其中的不足之處。最新的船舶三維建模技術(shù)涵蓋了船舶設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算等方面，基于船舶設(shè)計(jì)、建造和生產(chǎn)管理一體化的思想，逐漸開(kāi)發(fā)出了許多造船集成系統(tǒng)，極大的縮短了船舶設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的周期，提高了造船質(zhì)量，促進(jìn)科學(xué)管理的形成，推動(dòng)了造船自動(dòng)化進(jìn)程。

1 船體結(jié)構(gòu)三維建模系統(tǒng)應(yīng)具備的功能

船體結(jié)構(gòu)三維建模系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是一個(gè)探索、研發(fā)、測(cè)試和應(yīng)用的過(guò)程，應(yīng)該與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，結(jié)構(gòu)建模系統(tǒng)應(yīng)該具備以下一些功能：（1）船體總體結(jié)構(gòu)模型的生成，包括外殼板、甲板、內(nèi)底板、橫艙壁、縱艙壁、肋板、內(nèi)龍骨等各種與船體曲面相關(guān)的大表面模型的生成，即船體頂層結(jié)構(gòu)的生成，能夠方便的調(diào)用曲面建模的結(jié)果；（2）具有參數(shù)化生成典型結(jié)構(gòu)的功能，如雙層底、舷側(cè)分段的參數(shù)化生成；（3）具有工程數(shù)據(jù)庫(kù)，建有標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)、典型結(jié)構(gòu)庫(kù)，用于存儲(chǔ)大量標(biāo)準(zhǔn)件、典型結(jié)構(gòu)，能夠有效管理；（4）能夠進(jìn)行各種特征孔類建模，如各種基本開(kāi)孔、貨艙開(kāi)口和各種貫穿孔等各種節(jié)點(diǎn)的定義和建模；（5）能夠利用三維模型自動(dòng)生成各種工程圖輸出；（6）能夠完成理論布置線和各種型材的設(shè)計(jì)和表達(dá)，如縱骨、橫梁、扶強(qiáng)材等型材；（7）方便的用戶界面，可進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)建模的交互與修改；（8）能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)定義，使所有的結(jié)構(gòu)件定義都具有拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，完成定義后，當(dāng)用戶修改其中某一結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，相關(guān)結(jié)構(gòu)自動(dòng)刷新或自適應(yīng)更改；（9）船體結(jié)構(gòu)重量重心計(jì)算及材料表自動(dòng)生成；（10）具有與其它交換數(shù)據(jù)的接口。

2 船體結(jié)構(gòu)三維建模方法及整體技術(shù)

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是將原有設(shè)計(jì)中的某些尺寸，例如定形、定位或裝配尺寸定義為變量，在修改這些變量的同時(shí)由一些簡(jiǎn)單公式計(jì)算出并改變其他相關(guān)尺寸，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)這些新的參數(shù)自動(dòng)完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。目前，參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究范圍，己經(jīng)由二維圖紙參數(shù)化設(shè)計(jì)，發(fā)展到覆蓋產(chǎn)品的全生命周期參數(shù)化設(shè)計(jì)除了傳統(tǒng)的二維圖紙、三維零件實(shí)體參數(shù)化設(shè)計(jì)外，還包括零件部件間的裝配關(guān)系、產(chǎn)品特征、產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)等產(chǎn)品層次的參數(shù)化設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)是面向系列化產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)即利用對(duì)象拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共同特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，如二維、三維參數(shù)化設(shè)計(jì)它既保持了產(chǎn)品拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系不變，又保證了相關(guān)尺寸相對(duì)可更改。參數(shù)化設(shè)計(jì)要求對(duì)象結(jié)構(gòu)形狀比較定型，在船體結(jié)構(gòu)中，平行中體部分的肋板、行材、肘板類等，甚至平直的雙層底都可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以用一組參數(shù)來(lái)約定結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系，使參數(shù)與結(jié)構(gòu)對(duì)象的控制尺寸有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)約束參數(shù)的修改能夠方便地創(chuàng)建不同尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)象，參數(shù)化建模的關(guān)鍵在于用參數(shù)公式表格特征等驅(qū)動(dòng)圖形以達(dá)到改變圖形的目的。

2.2 面向?qū)ο蠹夹g(shù)

所謂面向?qū)ο?，就是包含了?duì)象、分類、繼承、通信等方面的內(nèi)容。其中，對(duì)象是客觀或是一物體或概念性東西的抽象表述，用專業(yè)的語(yǔ)言說(shuō)，它是建立面向?qū)ο蟪绦蛩蕾嚨幕締卧N代碼的實(shí)體。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的應(yīng)用必須具有面向?qū)ο蟮姆治龇椒?、設(shè)計(jì)方法和思維方法。其方法實(shí)現(xiàn)的基本目標(biāo)是使描述問(wèn)題的問(wèn)題空間和解決問(wèn)題的方法空間在結(jié)構(gòu)上盡可能一致，將問(wèn)題空間進(jìn)行自然分割，以適合于人們的思維方式而建立問(wèn)題域的模型，從而對(duì)客觀實(shí)體的結(jié)構(gòu)和行為進(jìn)行模擬，使設(shè)計(jì)出的軟件盡可能直接地描述現(xiàn)實(shí)世界，并與人們認(rèn)識(shí)相一致。它不是用計(jì)算機(jī)的術(shù)語(yǔ)進(jìn)行描述，而是一些描述問(wèn)題空間對(duì)象的定義。由此可見(jiàn)，復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更適合采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式，因?yàn)閷?duì)于船體結(jié)構(gòu)而言，可以將船體結(jié)構(gòu)中的各種不同模型類型進(jìn)行抽象分類，用類的繼承性建立模型的層次關(guān)系。

2.3 自頂向下技術(shù)

目前國(guó)際上的CAD系統(tǒng)主要支持自底向上、自頂向下和兩者兼而有之的建模設(shè)計(jì)方法。自底向上設(shè)計(jì)方法是先設(shè)計(jì)零件，然后搭積木式地進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，逐步組合成復(fù)雜的整體。它要求設(shè)計(jì)師從一開(kāi)始就要對(duì)整個(gè)模型的各個(gè)組成部分有較為清楚的了解，后期的修改要盡量少，所以該方法一般適合于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)。而自頂向下的設(shè)計(jì)方法是從整體模型出發(fā)然后逐步分解細(xì)化，最后才對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于在零部件的設(shè)計(jì)階段，它所在的部件設(shè)計(jì)已基本明確，因此，它的設(shè)計(jì)會(huì)受到整體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)和約束。在進(jìn)行新型船舶研制時(shí)，往往沒(méi)有可參考的船型，在設(shè)計(jì)初期缺乏可依據(jù)的資料，探索性的、模糊性的、概念性的東西較多。因此，復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用自頂向下的技術(shù)方法，這種思想與人們的設(shè)計(jì)思路相吻合。

2.4 面向?qū)ο蠖伍_(kāi)發(fā)技術(shù)

面向?qū)ο蟮亩伍_(kāi)發(fā)，也就是將面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用在待開(kāi)發(fā)的CAD系統(tǒng)，從要求出發(fā)，以對(duì)象作為基本概念，通過(guò)對(duì)對(duì)象的確定、分解和分類，建立相應(yīng)的對(duì)象關(guān)系圖用來(lái)分析面向?qū)ο笙到y(tǒng)。通過(guò)行為抽象和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象，描述系統(tǒng)的屬性，得到由對(duì)象構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)，形成對(duì)問(wèn)題領(lǐng)域完整的語(yǔ)義描述，完成CAD系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)，利用一種面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C++）將建立的模型轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接受形式，完成程序編制，實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)。當(dāng)前，在CAD系統(tǒng)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)中，面向?qū)ο蠹夹g(shù)是API的主要形式，即系統(tǒng)的功能、數(shù)據(jù)和界面以對(duì)象的形式暴露給用戶，由于目前已有大量的面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ?，利用這些工具開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，可以通過(guò)對(duì)象的屬性和操作訪問(wèn)及控制系統(tǒng)。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)應(yīng)用

參數(shù)化造型中的特征管理非常重要。利用特征進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，應(yīng)預(yù)先將大量的標(biāo)準(zhǔn)特征或用戶自定義特征進(jìn)行存儲(chǔ)，在設(shè)計(jì)階段再調(diào)入所存儲(chǔ)的特征，將之作為基本建模單元進(jìn)行建模，再逐步輸入其它幾何信息、非幾何信息建立零件的特征數(shù)據(jù)模型，并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，在參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)據(jù)庫(kù)顯得尤為重要。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中數(shù)據(jù)庫(kù)采用ACCESS2000，它是一種簡(jiǎn)單易學(xué)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，采用SQL語(yǔ)句可以對(duì)它進(jìn)行各種操作。

3 結(jié)語(yǔ)

在船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，工程人員通過(guò)結(jié)構(gòu)三維數(shù)字建模技術(shù)，進(jìn)行板材、型材等零件的制作，完成虛擬裝配，實(shí)現(xiàn)零部件屬性鏈接，自動(dòng)生成零部件明細(xì)并按照船體制圖標(biāo)準(zhǔn)出圖。三維數(shù)字建模技術(shù)是造船業(yè)未來(lái)發(fā)展方向，目前大型設(shè)計(jì)單位或船廠主要是通過(guò)專業(yè)的三維建模軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的（以價(jià)格昂貴的進(jìn)口軟件為主），而大量的中小型企業(yè)還停留在二維設(shè)計(jì)階段。因此用通用的三維建模軟件，經(jīng)過(guò)適量的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)三維數(shù)字建模，有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義與較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：新大洋造船有限公司）