船舶數(shù)字建模方法的對比研究

孔令琪，朱金善，閻際馳，李春男

（大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧大連 116026）

0 引言

數(shù)字建模方法最早于20世紀(jì)60年代～70年代出現(xiàn)在西方國家的大學(xué)中，中國的幾所高校也于80年代初引進(jìn)了數(shù)字建模方法。船舶數(shù)字建模方法是以計(jì)算機(jī)為工具，為實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定的目的，通過一定的數(shù)學(xué)方法對船體進(jìn)行建模。近年來隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，數(shù)字建模方法成為廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)與制造中的智能化建模手段。市面上的船舶建模軟件雖然眾多，但有的建模軟件對專業(yè)技術(shù)的要求較高，經(jīng)濟(jì)成本高，綜合使用的性價(jià)比低。需要針對不同的研究目的，選用合適的建模方法。本文分析傳統(tǒng)建模方法的局限性，進(jìn)一步從操作難易性、適用性等方面對SolidWorks、TRIBON、CATIA、Rhinoceros及簡易法等船舶建模方法進(jìn)行分析整理，以期為業(yè)內(nèi)人士選擇合適的建模方法提供一定的幫助。

1 傳統(tǒng)建模方法概述

船模是根據(jù)真實(shí)船舶的形狀、結(jié)構(gòu)、顏色等嚴(yán)格按比例縮小制作而成的船舶模型。傳統(tǒng)的船舶建模方法有物模法。物模法即把實(shí)船按一定比例縮小制成模型用于實(shí)驗(yàn)，由于該模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和原船基本相同，故可以通過一系列物模實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)得出實(shí)船運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程越來越復(fù)雜，對效率的要求也不斷提高。僅憑實(shí)船實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足高效率、低成本的船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。此外，該方法在進(jìn)行船舶碰撞程度模擬或某些需極端操作才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡那闆r下還存在一定的危險(xiǎn)。物模法按實(shí)物一定比例所制，對比原物直觀形象，物理概念清晰，但由于使用物模法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)存在尺度效應(yīng)及環(huán)境問題難以模擬等局限性，要達(dá)到和實(shí)船實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)效果面臨很大困難；同時(shí)，該方法往往需要較大規(guī)模的場地、投入大量設(shè)備、材料和人力，投資較大，加上船模所研究的問題改變或者邊界條件改變時(shí)，往往需要局部甚至全部拆除，因而實(shí)驗(yàn)的周期也會(huì)延長。數(shù)字建模方法的出現(xiàn)有效地解決了這一問題。數(shù)學(xué)模型的邊界條件可以隨時(shí)改變，并且在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的危險(xiǎn)模擬不會(huì)帶來實(shí)際損失。與傳統(tǒng)建模方法相比，數(shù)字建模方法具有良好的安全性、可控制性和重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，受外界環(huán)境因素影響也較少，成本低，性價(jià)比高，所以深受船舶設(shè)計(jì)、制造人員的喜愛。

2 數(shù)字建模方法

2.1 SolidWorks 船舶建模方法

SolidWorks是一種通用的建模設(shè)計(jì)軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造及工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，同時(shí)也適用于船舶建模，其軟件功能十分強(qiáng)大，上手較快，對專業(yè)建模知識(shí)要求低。在船舶設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域經(jīng)常利用SolidWorks軟件，在二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，采用不同方法對不同船型進(jìn)行建模，具體適用情況如下：

1）利用半寬水線圖放樣船體。對于船長方向方形曲率變化較大且底部平坦的肥大型船舶，例如帶有球鼻首和球尾的部分散貨船和油船，通常采用半寬水線圖放樣。在導(dǎo)入型線圖之前，為了減小SolidWorks在曲面建模中的復(fù)雜計(jì)算量，便于快速識(shí)別曲線，提高建模成功率，在建模前先使用AUTOCAD進(jìn)行簡化，只保留必要的線條。

2）利用橫剖線圖放樣船體。對于部分小型船舶，如快艇和不具有球鼻首和球尾、底部不平且首尾兩端曲率變化小的雙體船和三體船，適合采用橫剖線圖放樣船體。這種方法的建模效率和建模質(zhì)量都很高。在建模時(shí)應(yīng)注意，由于在型線圖上，船首尾半段分別分布于中線的左右兩側(cè)，因此，在AUTOCAD初期簡化型線圖時(shí)只需將其中一半完成，另一半取鏡像即可，有效縮短建模周期。

3）點(diǎn)云建模。當(dāng)船舶設(shè)計(jì)圖樣失效無法獲得時(shí)，可以使用船舶精度控制方面的儀器和軟件獲取船舶點(diǎn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)量龐大的點(diǎn)數(shù)據(jù)簡稱點(diǎn)云。點(diǎn)云建模常用于已有產(chǎn)品模型，逆求設(shè)計(jì)圖樣。在點(diǎn)云建模中需要注意，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)存于txt文件中，

x

、

y

、

z

坐標(biāo)用空格分開，不同的點(diǎn)需要單獨(dú)成行。點(diǎn)云建模需啟動(dòng)SolidWorks軟件中的ScanTo3D插件。

SolidWorks的二次開發(fā)雖然適用于船首、船尾復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)，但因?yàn)榇思夹g(shù)對技術(shù)人員的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和程序語言應(yīng)用要求很高，無法向廣大技術(shù)人員推廣。此外，SolidWorks軟件的曲面造型功能不足，并且在力學(xué)分析、工程分析等方面存在一定的缺陷。在實(shí)際工作中常把SolidWorks和AUTOCAD繪圖工具結(jié)合使用，提高建模效率，但是SolidWork與其他分析軟件的接口有待完善。

2.2 TRIBON船舶建模方法

TRIBON軟件是瑞典KCS公司設(shè)計(jì)的一種專門用于船舶建模的軟件，具有完備的設(shè)計(jì)程序和較快的處理速度，可以完成船體、棲裝的三維設(shè)計(jì)建模和繪圖工作，包含船體、生產(chǎn)設(shè)備、管路、基座、風(fēng)道、電纜和內(nèi)部棲裝等多個(gè)模塊，可利用多種方法建立三維船舶模型。

TRIBON建模系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，數(shù)據(jù)庫可共享，便于設(shè)計(jì)人員快速訪問船舶數(shù)據(jù)信息。每個(gè)設(shè)計(jì)人員都可以看到其他設(shè)計(jì)人員作出的修改，使不同的設(shè)計(jì)人員可以平行作業(yè)，不受時(shí)間、空間限制，降低專業(yè)之間的協(xié)調(diào)成本，減小后期修改難度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期?，F(xiàn)階段，TRIBON各部分功能已廣泛應(yīng)用于專業(yè)的船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，但對于需求性較低的船舶建模來說性價(jià)比較低。如果僅掌握初級建模要領(lǐng)，在利用TRIBON建模過程中會(huì)遇到很多困難。

將TRIBON軟件應(yīng)用于我國船舶建模中，具有一定的局限性。首先，TRIBON軟件采用歐洲造船標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)習(xí)慣、造船技術(shù)、設(shè)備條件及處理工藝等方面與我國存在一定的差異，無法直接用于國內(nèi)船廠。其次，其系統(tǒng)功能局限性大，三維拓?fù)湓煨湍芰Σ?。最后其?shù)據(jù)系統(tǒng)封閉性極強(qiáng)，缺少與外部數(shù)據(jù)相連的接口，進(jìn)行二次開發(fā)非常困難。例如，在對船體外板進(jìn)行受力分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于TRIBON軟件本身不具備此項(xiàng)功能，所以實(shí)驗(yàn)人員需從具有受力分析功能的軟件中完成受力分析工作，然后通過數(shù)據(jù)接口把實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)傳入TRIBON軟件中進(jìn)行下一步操作，但目前來看，TRIBON軟件只能與CADDS5軟件系統(tǒng)連接，進(jìn)行2個(gè)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。TRIBON軟件的系統(tǒng)兼容性還有待開發(fā)。

2.3 CATIA 船舶建模方法

CATIA是法國達(dá)索公司設(shè)計(jì)的一款三維建模軟件，在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析及船體曲面優(yōu)化方面被廣泛應(yīng)用。近年來，達(dá)索公司又推出了CATIAV5三維軟件，采用混合建模技術(shù)，提高造型設(shè)計(jì)和曲面設(shè)計(jì)優(yōu)化功能，為后期完善曲面光滑度提供有力幫助。

采用CATIA軟件進(jìn)行建模具有以下優(yōu)勢：

1）對于初學(xué)者來說，容易操作。針對初次接觸建模軟件的人員來說，一款容易理解、便于上手的建模軟件是入門的關(guān)鍵。采用CATIA建模軟件不必深究軟件各個(gè)模塊的使用方法就可以輕松進(jìn)行船舶線框、曲面模型的快速設(shè)計(jì)，從而快速實(shí)現(xiàn)船舶三維建模，操作過程簡單、快捷、方便。

2）與傳統(tǒng)船舶三維建模相比，基于CATIA二次開發(fā)進(jìn)行船舶三維建模，具有高效率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。

3）適用于涉及船舶相關(guān)計(jì)算的船舶建模。應(yīng)用到涉及船舶計(jì)算的建模主要有3種情況。（1）利用CATIA軟件二次開發(fā)進(jìn)行船舶相關(guān)計(jì)算，基于船舶三維實(shí)體模型，能實(shí)時(shí)觀察各個(gè)模塊計(jì)算過程中各項(xiàng)計(jì)算的動(dòng)態(tài)過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)算過程中存在的問題和不足之處，加以改正。（2）以三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，取代了傳統(tǒng)的二維插值計(jì)算方法，便于快捷地基于CATIA二次開發(fā)從船舶三維模型中提取相關(guān)計(jì)算屬性，取代了大量運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式的傳統(tǒng)計(jì)算方法，使結(jié)果更加接近真實(shí)值，能減少數(shù)據(jù)的測量誤差，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。（3）相關(guān)計(jì)算操作簡便，只需在CATIA軟件的程序界面輸入船舶計(jì)算涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)便能實(shí)現(xiàn)船舶計(jì)算過程的自動(dòng)化，與傳統(tǒng)的計(jì)算方式相比，能節(jié)省大量計(jì)算時(shí)間。另外CATIA的程序界面采用人機(jī)交互的方式，過程簡單，容易操作。

在船舶曲面設(shè)計(jì)方面，CATIA軟件具有強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)功能。但該系統(tǒng)只提供了一個(gè)便于曲面設(shè)計(jì)的功能，最終設(shè)計(jì)成的三維曲面精確度還依賴于設(shè)計(jì)人員對船舶型線數(shù)據(jù)特點(diǎn)和曲面特點(diǎn)的了解程度。完成一個(gè)好的船殼曲面，需要設(shè)計(jì)人員豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及使用計(jì)算機(jī)完善型線光順和曲面生成的高超技術(shù)。

CATIA并不是船舶專用設(shè)計(jì)軟件，在計(jì)算船舶穩(wěn)性方面的參數(shù)有一定的局限性，因此不適用于船舶的初步設(shè)計(jì)。因其具有強(qiáng)大的三維造型功能和船舶結(jié)構(gòu)、管系專用模塊，故在船舶、施工設(shè)計(jì)中占有較大優(yōu)勢。

2.4 Rhinoceros船舶建模方法

Rhinoceros軟件于1997年由美國Robert McNeel and Gassociate公司發(fā)明，是一款專業(yè)的三維造型工具。Rhinoceros軟件可以建立、編輯、分析及轉(zhuǎn)譯NURBS（非均勻有理B樣條曲線），利用二維圖形實(shí)現(xiàn)三維仿真功能，具有運(yùn)行條件低，造型功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，適用于不規(guī)則的曲面、船體外板的建模，該軟件具有NURBS建模方式，同時(shí)也具備網(wǎng)格建模插件T-Spline，便于在工作中選擇合適的建模方式。在工作中能與3Dmax、AUTOCAD、MAYA等主流軟件完成數(shù)據(jù)對接，并且在NURBS建模方式上比3Dmax軟件更有優(yōu)勢，在建模過程中始終保留NURBS數(shù)據(jù)，便于在操作過程中進(jìn)行細(xì)微的修整，快速實(shí)現(xiàn)大面積修改工作。由于對建模數(shù)據(jù)的精度具有良好的控制性，故能通過數(shù)控手段直接制成相應(yīng)的成品，廣泛應(yīng)用于精工行業(yè)。該軟件安裝運(yùn)行內(nèi)存較小，對電腦硬件配置要求不高，對于低配置設(shè)備來講是不錯(cuò)的選擇。采用Rhinoceros軟件進(jìn)行船舶建模，可以在保證建模精度的同時(shí)，提高船體表面的型線光順程度。其強(qiáng)大的渲染模塊Flamingo可以渲染出逼真的實(shí)體效果。利用其強(qiáng)大的建模功能可完成表面三維數(shù)學(xué)模型的建立，可通過軟件提供的IGES、STEP等標(biāo)準(zhǔn)接口輸出，該軟件為船舶制造提供了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及船體的有限元分析等功能。此外，與同行業(yè)其他昂貴的設(shè)計(jì)軟件相比，Rhinoceros軟件價(jià)格低廉，適合目前我國船舶建模的現(xiàn)狀。此方法在船舶建模中多作為輔助設(shè)計(jì)軟件使用，用于船體外殼的建模。

在使用Rhinoceros軟件對船體建模的時(shí)候，一般把船體外殼的曲面部分作為建模的基礎(chǔ)面，發(fā)揮Rhinoceros軟件在NURBS方面的優(yōu)勢，用NURBS表面勾勒出船體外形，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分割，直至得到需要的細(xì)節(jié)。先構(gòu)造出B-zier（貝塞耳曲線），然后通過曲線的拉伸、放樣等復(fù)雜、高級的面構(gòu)造法構(gòu)造出B-zier曲面。

根據(jù)生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，船舶建模遵循由下而上、由大及小的規(guī)律。將船體的主視圖、俯視圖、側(cè)視圖分別放至相應(yīng)的背景視圖中，將視圖的位置關(guān)系調(diào)整至符合建模要求，通過設(shè)置好的船舶背景圖把船體表面主要的特征曲線表示出來。為保證曲面的光順程度，在這一過程中要盡可能利用較少的控制點(diǎn)表示出來。利用Rhinoceros軟件進(jìn)行船殼外板建模的基本步驟如圖1所示。

圖1 Rhinoceros軟件建模流程

Rhinoceros軟件也存在缺陷，該軟件不是專門針對船舶建模開發(fā)的軟件，在船體尺寸標(biāo)注、線型等設(shè)置方面沒有AUTOCAD和CAXA功能強(qiáng)大且全面。使用此方法建模時(shí)，應(yīng)特別注意與其他軟件的結(jié)合使用。另外，Rhinoceros軟件屬于非約束性的非工程類軟件，只能依靠其導(dǎo)出格式來進(jìn)行快速成型的加工制造，因此，構(gòu)建的三維實(shí)體模型會(huì)被導(dǎo)出格式的精度大小所影響。

2.5 簡易船舶建模方法

目前現(xiàn)有的主流船舶建模軟件存在專業(yè)技術(shù)要求性強(qiáng)、造價(jià)較高、受眾較窄等局限性，為了在滿足實(shí)驗(yàn)精度要求的前提下，減小工作量，還可以采用一種簡易的船型構(gòu)造方法。根據(jù)船舶資料，利用EXCEL軟件，生成標(biāo)準(zhǔn)三維點(diǎn)坐標(biāo)，以“線”為組，將其導(dǎo)入AUTOCAD軟件，生成三維線框船體，對其進(jìn)行區(qū)域性放樣后導(dǎo)入GAMBIT軟件，生成三維船體模型，具體建模流程如圖2所示。

圖2 簡易建模流程

由圖2可知，通過上述簡易方法進(jìn)行船舶建模涉及到EXCEL、AUTOCAD、GAMBIT這3款軟件，使用難度較低。其中EXCEL在日常工作中使用廣泛，屬于基礎(chǔ)性軟件，在船舶建模過程中用于完成船舶三維坐標(biāo)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化；AUTOCAD是目前在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛使用的繪圖軟件，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的三維坐標(biāo)點(diǎn)，以“線”為組，在AUTOCAD軟件中執(zhí)行“Spline”命令，逐組導(dǎo)入后生成船體三維線框模型；GAMBIT是FLUENT推出的一款面向計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱：CFD）的專業(yè)前處理軟件，包含較為全面的幾何模型構(gòu)建，在將前期基于AUTOCAD軟件構(gòu)建的船舶三維線框模型放樣曲面分步導(dǎo)入GAMBIT的基礎(chǔ)上，合并重復(fù)的點(diǎn)、線、面，經(jīng)過后期處理，最終生成船舶三維實(shí)體模型。

因?yàn)榇w型線密集，在選取時(shí)容易遺漏或重復(fù)，使得放樣曲面與船體真實(shí)曲面之間形成一定的誤差。因此采用此種建模方法時(shí)應(yīng)注意，對于曲率變化較大的船體部分在建模時(shí)要選取相鄰2條型線；對于表面平整的船體，可在放大線框模型后，分成若干區(qū)域分步選取，生成多個(gè)放樣曲面，分段建模。

表1 5種建模方法比較

3 結(jié)論

通過對各種船舶數(shù)字建模方法的綜合考察可知，TRIBON建模方法適用于船舶專業(yè)建模，要求較高；Rhinoceros、CATIA、SolidWorks和簡易建模方法適用于初學(xué)者，其中SolidWorks和簡易建模方法可以針對不同船型選擇對應(yīng)的建模方法，構(gòu)建的船?？蓾M足基本的科研實(shí)驗(yàn)要求，且操作簡單。工作人員在選擇建模方法時(shí)，可以根據(jù)本文并結(jié)合建模的不同船型和船體不同部分選擇適合自己工作任務(wù)的建模方法，以提高建模效果與效率。