船舶外舾裝參數(shù)化模板構建方法研究及應用

李 雁，蔡乾亞，單小芬，錢 強

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

基于三維體驗平臺的三維建模大致分為標準件建模和非標件建模2 種。在實船設計建造中，由于非標件模型具有多樣性和多型化，設計人員往往需花費大量的時間創(chuàng)建同一類模型，而這類模型恰恰只有部分差異，比如全船直梯，可能只是耳板、梯架的形式和梯長有所不同，需考慮如何提升非標件建模的效率；由于不同設計人員對非標件模型和軟件平臺的理解不同，致使模型結構樹的命名、結構樹層次的搭建和模型屬性的定義方式等不具有規(guī)范性，需考慮如何提升非標件建模的規(guī)范性和合理性；由于三維體驗平臺中，三維設計交付物對三維模型的設計建模過程有較高的要求，需考慮如何保持三維模型建模過程與生成三維設計交付物過程有較好的銜接性，以方便模型在后期進行更改。

構建參數(shù)化模板對于快速創(chuàng)建部分非標件模型而言具有較高的價值，能使模板模型更具規(guī)范性、合理性；同時，對于參數(shù)化模板和標準件模型共同構建的部件庫而言，能提升設計人員的設計效率，減少設計周期。參數(shù)化模板只需調整模板的相關參數(shù)即可獲得完整模型，且該模型是基于輸入裝配的。對于后期生成三維制造交付物而言，由于參數(shù)化模板同時包含三維制造交付物所需的尺寸信息和工藝要求等信息，參數(shù)化模板的使用能極大地提高設計人員后期設計更改的效率。

1 船舶外舾裝參數(shù)化模板構建流程

對于需構建參數(shù)化模板的對象而言，其主要需滿足2 點要求，即：在全船設計中重復使用率較高；需在模型特征方面存在共性（即模型骨架大體上一致，為可參數(shù)化模型）。

在構建參數(shù)化模板時，首先需進行專業(yè)方面的調研，比如該模板在實船建造中的裝配形式、設計人員在設計過程中對參數(shù)范圍的定義和此類模板的應用范圍等；其次進行參數(shù)化建模，包括搭建結構樹（骨架設計概念，包含三維標注數(shù)據(jù)集）、創(chuàng)建輸入、設定參數(shù)（模型特征參數(shù)）和創(chuàng)建三維標注（尺寸信息和工藝要求等）等；最后創(chuàng)建出包含該模型的模板，并發(fā)布輸入和參數(shù)，以便調用。

經(jīng)大量參數(shù)化模板的實際應用和設計人員調用模板的實踐論證，得到基于三維體驗平臺中的外舾裝參數(shù)化模板構建流程見圖1。

2 船舶外舾裝參數(shù)化模板構建方法

圖1 船舶外舾裝參數(shù)化模板構建流程

以全船鋼質直梯為例構建參數(shù)化模板。鋼質直梯一般包含梯架、踏步、耳板、腹板（視設計場景而定）和護圈（視設計場景而定）?？紤]到設計人員更改模板參數(shù)較為頻繁，可限定參數(shù)的數(shù)量，并創(chuàng)建多種類型的直梯模板，以此減輕設計人員調用模板時更改參數(shù)的工作量。

2.1 輸入

在構建直梯模板時，首先確定輸入，根據(jù)實際設計場景的要求和直梯建造裝配過程中的實際狀況確定將2 條互相垂直的直線作為直梯模板的輸入條件，以方便后期對直梯位置進行更改；這2 條垂直線分別為2 根梯架的中心線和第一檔踏步的中心線。

2.2 參數(shù)化建模中的結構樹搭建

參數(shù)化模板的結構樹搭建必須符合層次清晰、信息完整和便于后期更改的原則，由于該直梯模板創(chuàng)建為物理產品類型（Physical Product），直梯的結構樹搭建包含參數(shù)節(jié)點、模型實體節(jié)點和三維交付信息節(jié)點。

在創(chuàng)建直梯模板時，模型的骨架需創(chuàng)建特征類型（3D Shape）單獨存放，便于更改，而三維實體模型分別新建對應節(jié)點，如耳板節(jié)點、梯架節(jié)點和腹板節(jié)點等；在此類模板中，零件明細和三維交付信息合并在3D Shape 節(jié)點中，便于后期生成三維制造交付物時，抽取模型中的螺栓、螺母和墊圈等裝置的規(guī)格信息，該模板是集前期設計和后期生產制造交付于一體的數(shù)據(jù)模型。

參數(shù)化模板的參數(shù)包括直梯梯長、梯寬和控制不同場景下直梯有無腹板命令的參數(shù)。參數(shù)節(jié)點下有一類特殊參數(shù)，即零件明細（見圖2）。零件明細為直梯三維制造交付物的組成部分，描述直梯的零件規(guī)格信息等。

對于參數(shù)節(jié)點下的零件明細，可創(chuàng)建幾何圖形集，用于存放零件明細信息，便于后期二次開發(fā)時抽取該直梯的零件信息。

三維制造交付物的信息需具有三維標注節(jié)點，包含尺寸信息、件號和工藝要求等。三維標注是三維制造交付物的重要組成部分，相比傳統(tǒng)的二維圖紙下發(fā)，三維制造交付物更具直觀性，其中模型中的三維標注對于設計人員來說工作量較大，而模板中定義三維標注之后，當設計人員調用模板時，隨著模型參數(shù)的變化，三維標注的尺寸標注會自動更新，比如梯長的參數(shù)改變，三維標注會自動更新。因此，模板中添加三維制造交付信息是十分必要的，可大大縮短模板類部件生成三維制造交付物的時間。

2.3 參數(shù)化建模中的屬性定義

直梯模板的屬性定義大致包含質量定義、重心定義和模板命名。在三維體驗平臺中，直梯模板的質量和重心是通過屬性定義的命令自動計算生成的。由于直梯模板的精細化建模與實體是一致的（除了螺栓和螺母等緊固件），由此命令生成的質量和重心是在船舶允許的設計誤差范圍之內的。

在創(chuàng)建直梯模板時，由于建模方式不同，無需額外賦予材質，通過船體板材和型材命令生成三維實體（如梯架、踏步等），該實體中已包含對應材質。此外，可由零件設計模塊生成對應實體（無材質屬性），需對直梯的各組成部分單獨賦予材質，比如梯架和踏步均為Q235A，腹板為Q235B。

對于模板的命名，需與專業(yè)設計人員統(tǒng)一規(guī)范名稱，包含模板的應用專業(yè)、模板類型、型號和規(guī)格等信息。

2.4 創(chuàng)建模板

選擇該直梯模型為模板零件（見圖3），并發(fā)布輸入和參數(shù)。發(fā)布的輸入是調用模板時的輸入條件，設計人員創(chuàng)建的輸入條件與模板中的輸入條件需完全一致，包括類型和方向等，尤其是方向，若不一致，則所調用模板的擺放位置會發(fā)生改變。發(fā)布參數(shù)的目的是在調用模板時，可在匹配輸入的同時更改參數(shù)。

圖2 零件明細節(jié)點

圖3 創(chuàng)建模板

3 船舶外舾裝參數(shù)化模板調用

參數(shù)化模板的調用方式是從模板庫中調用模板，主要通過選取相應的輸入和更改參數(shù)完成模板實例化。

3.1 創(chuàng)建模板庫

創(chuàng)建的模板庫與標準件庫共同構成部件庫。模板庫的構建大致分為3 層結構，其中：第一層為專業(yè)類型模板總稱（即外舾裝模板）；第二層為外舾裝件類別（即欄桿模板、直梯模板和基座模板等）；第三層為外舾裝件對應的標準或模板小類別（見圖4）。對于模板庫或部件庫的管理，應由專業(yè)部件庫管理員統(tǒng)一添加或刪除，其庫本身應在特定的工程空間內，且命名規(guī)則遵從相應的技術約定。專業(yè)設計人員可通過模板庫直接調用相應的模板。為便于設計人員快速識別所需模板，可在模板庫的對應模板屬性中添加說明信息等。

3.2 直梯模板調用

參數(shù)化模板的調用有2 種方式：一是通過由模板和標準件組成的部件庫調用，該方式需先將模板添加到模板庫中，設計人員通過搜索模板庫選擇調用的模板；二是通過模板實例化命令直接調用模板。在實船設計中，第一種方式更規(guī)范，更方便管理，第二種方式偏向于測試模板時采用。

在調用參數(shù)化模板時，需先創(chuàng)建輸入，以此與模板中的輸入匹配。比如直梯模板的調用，需先創(chuàng)建2 條垂直的線，以此對應模板中的輸入條件，并在調用過程中修改模型參數(shù)。在調用模板時，需注意選擇輸入的順序和輸入元素的方向必須與模板中的輸入完全一致。

參數(shù)化模板調用的一個特點是在參數(shù)化模板調用實例化過程中，實例化生成新的產品零件，即每次調用的模板都是全新的部件，因為模板件的模型特征參數(shù)是不同的，這可能會使整船模型的數(shù)據(jù)量增加，而調用的標準件是同一個產品零件，即每次調用的模板是同一個部件，只是裝配位置有所不同。

圖4 創(chuàng)建模板庫

4 結 語

本文通過分析基于三維體驗平臺的船舶設計，著重介紹了如何通過參數(shù)化模板提升船舶設計效率，如何利用參數(shù)化模板形成的部件庫使設計更加規(guī)范化，形成船舶數(shù)字資產，以及設計人員如何通過調用參數(shù)化模板自動生成三維制造交付物。構建參數(shù)化模板是提升船舶設計效率的必要手段，以此為切入點，更應考慮如何更有效地在三維體驗平臺上開展船舶設計工作，如何快速創(chuàng)建三維模型，使設計更加合理、規(guī)范化，縮短設計周期。

該參數(shù)化模板構建方法研究有可優(yōu)化創(chuàng)新的方面，比如調用參數(shù)化模板創(chuàng)建輸入條件是設計人員必不可少的操作，由于實船上模板件的數(shù)量大、類型多，在調用參數(shù)化模板時，設計人員需反復創(chuàng)建輸入條件，工作量較大，考慮到同一種模板的輸入條件是不變的，可通過更加快捷的方式幫助設計人員批量創(chuàng)建出輸入條件，比如二次開發(fā)，或通過特征實例化調用的方式快捷批量生成輸入條件。此外，由于參數(shù)化模板實例化之后整船模型數(shù)據(jù)量有所增加，可考慮先參數(shù)化模板中的某些部分建成標準件，比如直梯模板中的踏步和腹板等，再將標準件裝配形成參數(shù)化模板，這樣在參數(shù)化模板實例化之后模型數(shù)據(jù)量會有所減少，可間接縮短模型（各專業(yè)）打開時間，提升設計效率。