基于三維體驗(yàn)平臺(tái)的船舶設(shè)計(jì)軟件接口集成研究

楊 駿，王 堯，張紅偉，王 杰，朱明華

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引言

當(dāng)前，隨著造船業(yè)信息化發(fā)展的不斷深入，船舶科研院所、總裝廠等開(kāi)發(fā)或引進(jìn)了各式各樣的CAX軟件系統(tǒng)，包括CATIA和TRIBON等CAD建模軟件，PATRAN／NASTRAN和ABAQUS等CAE分析軟件，以及NX、DELMIA和EXNEST 等CAM 軟件。通過(guò)使用此類(lèi)軟件系統(tǒng)，使得我國(guó)在數(shù)字化造船領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

在船舶設(shè)計(jì)建造過(guò)程中，企業(yè)往往根據(jù)不同生產(chǎn)階段的要求選擇不同的軟件，由于生產(chǎn)廠商不同，各軟件是相互獨(dú)立的系統(tǒng)，經(jīng)常需進(jìn)行重復(fù)性的建模工作，會(huì)浪費(fèi)大量的人力資源。針對(duì)該問(wèn)題，軟件廠商根據(jù)市面上主流的軟件開(kāi)放了大量通用數(shù)據(jù)接口，可通過(guò)此類(lèi)接口進(jìn)行不同軟件之間的模型傳遞，有效提升船舶設(shè)計(jì)建造效率。

三維模型作為船舶設(shè)計(jì)建造過(guò)程的數(shù)字源頭，在整個(gè)設(shè)計(jì)建造環(huán)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的船舶建模CAD軟件主要是基于TRIBON軟件開(kāi)發(fā)的，TRIBON 作為一款“二維半”的CAD 軟件，與行業(yè)軟件的交互性較差，若以此為建模工具，則后續(xù)的分析和模擬等都需重新開(kāi)展建模工作，效率非常低?；诖?，國(guó)內(nèi)船舶企業(yè)開(kāi)展了基于達(dá)索系統(tǒng)全新一代三維體驗(yàn)平臺(tái)（3D Experience Platform，3DEXP）的船舶設(shè)計(jì)建造流程研究，以單一數(shù)據(jù)源三維模型貫穿始終，通過(guò)其強(qiáng)大的三維建模功能和友好的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)三維模型設(shè)計(jì)制造的全流程應(yīng)用。

為更好地實(shí)現(xiàn)基于單一數(shù)據(jù)源的船舶設(shè)計(jì)、分析和建造一體化，固化模型數(shù)據(jù)傳遞方法，減少人員手動(dòng)操作的工作量，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶設(shè)計(jì)軟件的高效統(tǒng)一集中管理和使用，本文以3DEXP為依托，通過(guò)將船舶設(shè)計(jì)建造過(guò)程中常用的幾款CAE分析軟件集成于該平臺(tái)中，以通用中間格式文件為媒介，通過(guò)3DEXP CAA（Component Application Architecture）二次開(kāi)發(fā)模塊，結(jié)合CAE 分析軟件的二次開(kāi)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)船舶三維模型一鍵快速導(dǎo)出和導(dǎo)入CAE分析軟件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員操作流程，提升設(shè)計(jì)效率。

1 集成軟件選擇

對(duì)常用的CAE軟件進(jìn)行調(diào)研，其快速導(dǎo)入模型的方式主要有3 種：

1）修改軟件啟動(dòng)文件；

2）腳本命令，并通過(guò)Windows指令直接調(diào)用；

3）錄制宏命令，在軟件內(nèi)部一鍵調(diào)用。

綜合上述CAE軟件的特性，選擇3 款典型的CAE軟件作為此次研究的集成軟件對(duì)象。

1）MSC.PATRAN：集成的并行框架式有限元前后處理系統(tǒng)，主要功能包括幾何模型創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分、載荷及邊界條件施加和結(jié)果后處理等。

2）ABAQUS：功能強(qiáng)大的工程模擬有限元求解軟件，可解決簡(jiǎn)單的線性分析和復(fù)雜的非線性分析問(wèn)題，可用于分析船舶及其輔機(jī)的振動(dòng)、抗沖擊特性和材料成型工藝等。原則上來(lái)說(shuō)，3DEXP 深度內(nèi)嵌了SIMULIA-ABAQUS模塊，但該模塊與原版ABAQUS 相比在功能上有一定的欠缺，因此本文選擇原版ABAQUS軟件。

3）FLOEFD：高度工程化的通用流體流動(dòng)與傳熱分析軟件，具有豐富的流體流動(dòng)和傳熱模型，可用于解決船舶艙室（機(jī)艙、住艙和工作艙）內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)接口形式

CAE分析軟件可接收三維幾何模型，在此基礎(chǔ)上通過(guò)網(wǎng)格劃分生成計(jì)算模型。3DEXP支持導(dǎo)出目前市面上主流的大部分幾何通用中間格式文件，如IGES、STEP 和STL 等，根據(jù)CAE 軟件的要求自行選擇即可。此外，CAE分析軟件還可直接接收通用有限元求解文件，該文件包含有計(jì)算模型信息，如網(wǎng)格信息和載荷信息等，此時(shí)可不用再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而是直接對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行一定的修改之后提交計(jì)算，目前3DEXP支持導(dǎo)出的求解文件格式為BDF格式和INP格式。

通過(guò)對(duì)所選3 款CAE軟件進(jìn)行研究可知，PATRAN和ABAQUS可通過(guò)讀取有限元求解文件導(dǎo)入計(jì)算模型，其中：PATRAN采用BDF格式文件導(dǎo)入，這是有限元文件導(dǎo)入PATRAN 的標(biāo)準(zhǔn)格式；ABAQUS 通過(guò)INP格式文件導(dǎo)入，這是模型導(dǎo)入ABAQUS的標(biāo)準(zhǔn)格式。

FLOEFD的網(wǎng)格劃分模式比較特殊，無(wú)法接收求解文件，因此采用讀取幾何文件的方式實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入。由于FLOEFD在求解時(shí)需以三維實(shí)體模型為依托，而常用的IGES和STL等均為面片模型，因此選擇STEP格式的幾何格式文件實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入。各軟件所需模型文件格式匯總見(jiàn)表1。

表1 各軟件所需模型文件格式匯總

3 集成架構(gòu)設(shè)計(jì)

從開(kāi)發(fā)的角度看，首先需進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。集成平臺(tái)總體部署為界面展示層、數(shù)據(jù)接口層和業(yè)務(wù)處理層等3 層。

1）界面展示層為人機(jī)操作界面，該界面集成于3DEXP內(nèi)部，可在基本界面下調(diào)用啟動(dòng)，主要包括待轉(zhuǎn)換模型選擇和輸出軟件選擇等；

2）數(shù)據(jù)接口層通過(guò)CAA開(kāi)發(fā)直接調(diào)用3DEXP內(nèi)部的API轉(zhuǎn)換函數(shù)，將已選模型轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)軟件指定的中間格式并導(dǎo)出；

3）業(yè)務(wù)處理層基于對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)軟件本身的二次開(kāi)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)模型快速導(dǎo)入。

整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)的架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

4 集成解決方案

此次船舶設(shè)計(jì)軟件集成基于3DEXP進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。3DEXP 是法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的新一代業(yè)務(wù)體驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)基于協(xié)作、交互環(huán)境下的3D設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)，擁有統(tǒng)一且易于使用的界面，可供設(shè)計(jì)人員開(kāi)展多專(zhuān)業(yè)并行設(shè)計(jì)，其單一數(shù)據(jù)源模型可用于設(shè)計(jì)后續(xù)的計(jì)算分析工作。CAA是3DEXP的一整套C ＋＋函數(shù)庫(kù)，用戶可通過(guò)RADE（Rapid Application Development Environment）模塊，在VS環(huán)境下開(kāi)展編程工作，并實(shí)時(shí)與3DEXP進(jìn)行交互調(diào)試，實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)。相比VBA 和EKL，CAA的功能更強(qiáng)大，可滿足更加復(fù)雜的開(kāi)發(fā)需求，因此本文基于CAA開(kāi)展開(kāi)發(fā)工作。

4.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

在使用該集成平臺(tái)時(shí)，設(shè)計(jì)人員主要關(guān)注需輸出的三維模型和對(duì)應(yīng)的接收軟件，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選擇的軟件給出數(shù)據(jù)模型格式的可選擇列表，圖2 為該集成平臺(tái)的人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)人員選擇模型節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)軟件之后，后臺(tái)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化和輸出模型的中間格式、打開(kāi)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)軟件并輸入模型，設(shè)計(jì)人員無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的導(dǎo)入和導(dǎo)出操作，能有效節(jié)省工作時(shí)間，提升工作效率。

圖2 平臺(tái)的人機(jī)交互界面

4.2 模型轉(zhuǎn)換和輸出

3DEXP提供了模型手動(dòng)轉(zhuǎn)換和輸出功能，設(shè)計(jì)人員可進(jìn)行相關(guān)模型的導(dǎo)出操作，但操作相對(duì)比較繁瑣。該集成平臺(tái)通過(guò)調(diào)用后臺(tái)API函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換和輸出，具體的實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖3。

圖3 模型轉(zhuǎn)換和輸出實(shí)現(xiàn)流程

模型轉(zhuǎn)換完成之后，模型文件將自動(dòng)存入指定的路徑中，后續(xù)設(shè)計(jì)軟件通過(guò)相同的路徑讀取該模型文件。

4.3 模型導(dǎo)入功能

完成模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和輸出之后，需將該模型導(dǎo)入指定的軟件中。此次研究針對(duì)3 種軟件各自的特點(diǎn)，采取不同的導(dǎo)入策略，實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入方案定制化開(kāi)發(fā)。

軟件的啟動(dòng)模式可分為應(yīng)用程序直接啟動(dòng)和Windows腳本命令（.bat）啟動(dòng)2 種，其中后者可實(shí)現(xiàn)軟件在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載相關(guān)預(yù)定義腳本。3DEXP提供的ExecuteShell函數(shù)可實(shí)現(xiàn)軟件應(yīng)用程序和Windows腳本命令自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)可使用C ＋＋的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)WinExec實(shí)現(xiàn)該功能。

4.3.1 PATRAN模型導(dǎo)入

PATRAN在其安裝目錄下存在一個(gè)配置文件p3patran.pcl，每次啟動(dòng)時(shí)PATRAN都會(huì)加載該文件內(nèi)的代碼，這也是每次打開(kāi)PATRAN時(shí)自動(dòng)加載二次開(kāi)發(fā)功能的方法。

PATRAN從啟動(dòng)到導(dǎo)入模型需進(jìn)行3 步操作，即：

1）創(chuàng)建新數(shù)據(jù)庫(kù)文件；

2）指定路徑；

3）導(dǎo)入模型文件。

這些步驟均有對(duì)應(yīng)的pcl函數(shù)代碼實(shí)現(xiàn)，通過(guò)手動(dòng)操作打開(kāi)PATRAN的日志文件可獲取相應(yīng)代碼，并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，將其中的可變參?shù)（如文件名稱、路徑地址等）固化。

集成平臺(tái)在啟動(dòng)PATRAN之前，可通過(guò)文件寫(xiě)入功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修改配置文件，啟動(dòng)軟件時(shí)會(huì)加載配置文件內(nèi)的代碼，從而實(shí)現(xiàn)模型文件的自動(dòng)導(dǎo)入。模型導(dǎo)入完成之后，需將配置文件恢復(fù)成原始狀態(tài)，以免影響后續(xù)軟件的使用。PATRAN模型自動(dòng)導(dǎo)入流程見(jiàn)圖4。

圖4 PATRAN 模型自動(dòng)導(dǎo)入流程

4.3.2 ABAQUS模型導(dǎo)入

ABAQUS內(nèi)置有Python解釋器，其前后處理的所有操作指令（包括幾何模型建立和導(dǎo)入、單元屬性建立、網(wǎng)格劃分、加載和結(jié)果后處理等）都可用Python代碼實(shí)現(xiàn)，因此只需獲取其中關(guān)于模型導(dǎo)入的腳本代碼，并將其編寫(xiě)成一個(gè)Python腳本文件，同時(shí)令A(yù)BAQUS啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載該P(yáng)ython腳本文件即可。腳本代碼的獲取方式同PATRAN 一樣，通過(guò)查找ABAQUS 的日志文件即可獲得，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，固化可變參?shù)。此外，通過(guò)編寫(xiě)Windows批處理文件（.bat），可實(shí)現(xiàn)ABAQUS自動(dòng)啟動(dòng)并加載腳本文件的功能。具體的ABAQUS模型自動(dòng)導(dǎo)入流程見(jiàn)圖5。

圖5 ABAQUS模型自動(dòng)導(dǎo)入流程

4.3.3 FLOEFD模型導(dǎo)入

FLOEFD軟件基于SOLIDWORKS 引擎開(kāi)發(fā)，因此其二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為SOLIDWORKS VBA，類(lèi)似于PATRAN 和ABAQUS，通過(guò)錄制宏命令可獲得FLOEFD關(guān)于模型導(dǎo)入的VBA代碼，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷闹蠹纯蓪?shí)現(xiàn)模型的快速導(dǎo)入。本文通過(guò)創(chuàng)建快捷工具實(shí)現(xiàn)STP格式模型快速導(dǎo)入FLOEFD。具體的FLOEFD模型自動(dòng)導(dǎo)入流程見(jiàn)圖6。

圖6 FLOEFD模型自動(dòng)導(dǎo)入流程

5 集成平臺(tái)應(yīng)用

以某液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas,LPG）船平行中體部分左舷結(jié)構(gòu)為例，在3DEXP中建立結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 3DEXP船體結(jié)構(gòu)有限元模型

將該模型輸出至有限元軟件PATRAN 中進(jìn)行加載和計(jì)算，得到應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8，其運(yùn)算結(jié)果與在PATRAN中創(chuàng)建的模型的計(jì)算結(jié)果基本一致。軟件應(yīng)用結(jié)果表明，通過(guò)此種方式得到的計(jì)算模型能滿足相關(guān)的求解需求，模型在自動(dòng)導(dǎo)出過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)信息丟失等現(xiàn)象。

圖8 導(dǎo)入PATRAN／NASTRAN有限元計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前船舶設(shè)計(jì)軟件種類(lèi)較多、缺乏有效集成的特點(diǎn)，結(jié)合常用的CAE分析軟件，對(duì)基于3DEXP的船舶設(shè)計(jì)軟件接口集成技術(shù)進(jìn)行了研究。借助3DEXP 二次開(kāi)發(fā)模塊CAA，以及PATRAN PCL、Python、DOS和VBA等二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了PATRAN、ABAQUS和FLOEFD等3 款常用CAE設(shè)計(jì)軟件與3DEXP的接口集成，研究結(jié)果表明：

1）集成平臺(tái)將多種船舶設(shè)計(jì)軟件接口與3DEXP結(jié)合在一體，充分利用了3DEXP的單一數(shù)據(jù)源模型，避免了設(shè)計(jì)人員針對(duì)不同分析對(duì)象進(jìn)行多次重復(fù)建模，提升了設(shè)計(jì)效率。

2）實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類(lèi)型船舶設(shè)計(jì)軟件的統(tǒng)一化管理，固化了模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化流程，充分運(yùn)用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了模型的轉(zhuǎn)化、導(dǎo)出和導(dǎo)入等操作一鍵式完成，簡(jiǎn)化了操作流程，使設(shè)計(jì)人員更專(zhuān)注于設(shè)計(jì)，提升了公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類(lèi)船舶設(shè)計(jì)軟件的高效統(tǒng)一集中管理和使用。

3）通過(guò)某船體結(jié)構(gòu)有限元分析實(shí)例可知，通過(guò)本文所得模型傳遞方式得到的計(jì)算模型能滿足相關(guān)求解需求，該模型在導(dǎo)出過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)信息丟失等現(xiàn)象。