基于CAA的外板骨材自動(dòng)布置

鄒夢(mèng)瑤，曾文源，樓鵬宇，杜文磊

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

傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)手段主要是基于AutoCAD的二維設(shè)計(jì)，即在軟件中繪制各類圖紙，如系統(tǒng)圖、布置圖、結(jié)構(gòu)圖等，然后以圖紙作為送審和交付的載體。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，三維協(xié)同設(shè)計(jì)正成為船舶行業(yè)新的技術(shù)發(fā)展方向。法國(guó)達(dá)索公司推出的CATIA V6軟件平臺(tái)為用戶提供了較為完整的船舶設(shè)計(jì)模塊，用于船舶結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)的模塊主要包括SFD(structure functional design)模塊和SDD(structure detail design)模塊。在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，一般應(yīng)用SFD模塊創(chuàng)建結(jié)構(gòu)輕量化模型表達(dá)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在施工設(shè)計(jì)或生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，先將輕量化模型轉(zhuǎn)模為實(shí)體模型，然后應(yīng)用SDD模塊在實(shí)體模型上深化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。關(guān)于船體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段基于CATIA V6平臺(tái)的外板骨材三維設(shè)計(jì)方法，雖然CATIA V6軟件具有相對(duì)完善的三維建模能力，但是面對(duì)外板骨材創(chuàng)建這類在曲面上繪制定位跡線的建模場(chǎng)景時(shí)，建模效率較為低下；并且由于目前CATIA在結(jié)構(gòu)模型檢查與設(shè)計(jì)校核等功能上較為欠缺，因此無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)對(duì)外板骨材的直接布置設(shè)計(jì)。在早期建模方法中，主要是應(yīng)用繪制好的肋骨型線圖輔助骨材創(chuàng)建。具體方法是先去掉肋骨型線圖中的標(biāo)注、肋位線等冗余信息，只保留骨材跡線。然后將圖紙導(dǎo)入到CATIA中，沿船長(zhǎng)方向投影至船殼曲面上，生成的投影線即為骨材布置所需參考的跡線。但是，應(yīng)用該方法創(chuàng)建骨材存在兩個(gè)明顯的缺陷，一是CAD圖紙線條準(zhǔn)確度不高，沿船長(zhǎng)方向投影至船殼會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，骨材布置準(zhǔn)確性完全依賴圖紙質(zhì)量；二是生成的線條可編輯性較差，無(wú)法修改投影線的光順性。為解決跡線準(zhǔn)確性和可編輯性問(wèn)題，考慮從外板展開(kāi)圖中提取每根骨材跡線的空間點(diǎn)坐標(biāo)信息，并通過(guò)CAA開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)以系列化的空間點(diǎn)生成空間跡線。在CATIA中可通過(guò)對(duì)空間點(diǎn)的修改而間接修改跡線的光順性。此外，外板展開(kāi)圖中準(zhǔn)確表達(dá)了每根骨材的規(guī)格、范圍等屬性參數(shù)，應(yīng)用屬性參數(shù)表格對(duì)骨材進(jìn)行創(chuàng)建則可極大提高設(shè)計(jì)效率?；谝陨峡紤]，提出基于CAA的外板骨材自動(dòng)布置方法。

1 CAA二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介

CAA是組件應(yīng)用架構(gòu)(components application architecture)的縮寫(xiě)，是達(dá)索產(chǎn)品擴(kuò)展和客戶進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。每個(gè)應(yīng)用架構(gòu)(workspace)由1個(gè)到多個(gè)組件(framework)組成，每個(gè)組件又包含一個(gè)到多個(gè)模塊(module)，見(jiàn)圖1。

圖1 CAA架構(gòu)

在CAA架構(gòu)的支撐之下，達(dá)索系統(tǒng)可像搭積木一樣建立起來(lái)。利用CAA完全可以實(shí)現(xiàn)達(dá)索系統(tǒng)的深層次開(kāi)發(fā)，而且和原系統(tǒng)結(jié)合的非常緊密。用戶定制化開(kāi)發(fā)的工具可以和系統(tǒng)原本提供的工具處在同一個(gè)位置，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下無(wú)法把研發(fā)的功能從原系統(tǒng)中區(qū)分出來(lái)，這非常有利于用戶的使用和集成。

CAA二次開(kāi)發(fā)是通過(guò)提供的快速應(yīng)用研發(fā)環(huán)境RADE(rapid application development environment)和不同的API (application programming interface)接口程序來(lái)完成的。RADE是一個(gè)可視化的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供完整的編程工具組，包含兩個(gè)模塊：Tools和Guides，前者介紹怎樣創(chuàng)建運(yùn)行環(huán)境、開(kāi)發(fā)平臺(tái)上各個(gè)功能菜單的作用、對(duì)話框的創(chuàng)建等；后者介紹編程時(shí)的相關(guān)規(guī)則、不同層次的組件、編寫(xiě)代碼時(shí)的一系列建議等。實(shí)際上RADE以Microsoft Visual Studio VC++為載體，在VC++環(huán)境中增加了CAA的開(kāi)發(fā)工具。API 則提供了操作各種對(duì)象的方法、工具和接口，通過(guò)API可對(duì)CATIA V6平臺(tái)的各種類型的對(duì)象進(jìn)行相關(guān)操作。應(yīng)用CAA創(chuàng)建骨材主要接口及方法如表1所示，在二次開(kāi)發(fā)中通過(guò)對(duì)接口的調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)原生功能的完整復(fù)現(xiàn)，從而達(dá)到通過(guò)開(kāi)發(fā)取代原生功能的目的。

表1 創(chuàng)建骨材接口及方法

2 外板骨材創(chuàng)建的原生功能方法

2.1 外板骨材跡線創(chuàng)建

CATIA是通過(guò)Structure Functional Design App(以下簡(jiǎn)稱SFD模塊)完成結(jié)構(gòu)特征的創(chuàng)建，但創(chuàng)建結(jié)構(gòu)特征所需要的幾何輸入條件依舊需要應(yīng)用其創(chuàng)成式幾何設(shè)計(jì)模塊(以下簡(jiǎn)稱GSD模塊)完成。通常在創(chuàng)建外板骨材時(shí)，首先要?jiǎng)?chuàng)建外板骨材的定位空間曲線。

目前創(chuàng)建外板骨材跡線主要有兩種。

1)結(jié)合二維肋骨型線圖，將CAD圖紙中的某縱骨跡線在橫剖面上的投影線導(dǎo)入CATIA環(huán)境中，在將此投影線反向投影至船殼，獲得縱骨空間跡線,。但此方法受限于二維圖紙精度與三維環(huán)境中船殼精度不匹配，無(wú)法保證骨材跡線的創(chuàng)建精度。

2)直接獲取縱骨跡線的型值點(diǎn)，直接在三維環(huán)境中創(chuàng)建依附于船殼的樣條曲線，該方法創(chuàng)建的跡線精度較高，但由于外板骨材數(shù)目較多，整體創(chuàng)建效率低下。

由此可見(jiàn)，目前在結(jié)構(gòu)外板骨材建模中，應(yīng)用平臺(tái)原生的幾何功能創(chuàng)建外板空間曲線存在著精度差與效率低的問(wèn)題，因此很有必要應(yīng)用二次開(kāi)發(fā)解決這一問(wèn)題。

2.2 外板骨材創(chuàng)建

在結(jié)構(gòu)SFD模型中骨材以輕量化的幾何面片顯示，本質(zhì)上是通過(guò)簡(jiǎn)化的截面輪廓沿著某根三維跡線掃掠生成。結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)人員在進(jìn)入SFD模塊后，調(diào)用工具條Function中的Stiffener命令即可創(chuàng)建骨材，工具界面如下圖所示。首先，根據(jù)具體的設(shè)計(jì)場(chǎng)景，在結(jié)構(gòu)類型字典中選擇所創(chuàng)建骨材的類型。然后，定義骨材的幾何(geometry)、限制元素(limits)、角度(angle)等屬性。最后，定義骨材的材質(zhì)(material)、截面(section)、方向(orientation)等屬性。

圖2 創(chuàng)建骨材界面

Geometry欄中：“Plate”表示骨材所依附的板架面；“Support”表示骨材跡線的支撐對(duì)象。當(dāng)Support對(duì)象為坐標(biāo)系平面或自建平面時(shí)，該平面與板架面的交線即為骨材跡線。如果需要調(diào)整跡線的位置，可在Offset欄中設(shè)置平面的偏移值；當(dāng)Support對(duì)象為三維空間直線或曲線時(shí)，空間線和板架面的交線即為骨材跡線。為確保交線的存在，對(duì)于平直板架，一般采用草圖中發(fā)布的空間直線作為Support對(duì)象；對(duì)于曲面板架，需要將空間線向曲板上投影，生成的投影線作為Support對(duì)象。設(shè)置完P(guān)late和Support之后，如果需要對(duì)跡線的起始端進(jìn)行修改，可在Limits欄分別設(shè)置Start Limit和End Limit。根據(jù)具體的設(shè)計(jì)場(chǎng)景，限制元素可選擇某個(gè)平面或者構(gòu)件。在默認(rèn)情況下，方向模式為“Normal to Plate”，即骨材腹板面和所依附的板架面垂直。如果Support對(duì)象為平面，可選擇“Along plane”模式，骨材腹板面與平面貼合。

通過(guò)以上操作步驟，確定骨材的位置、范圍以及腹板和依附面的角度，接著需要設(shè)置截面屬性以確定骨材的簡(jiǎn)化輪廓。由于在項(xiàng)目資源庫(kù)中配置了“Material Section”表格，因此在確定骨材的材質(zhì)屬性之后，即可選擇與材質(zhì)相匹配的截面屬性。此外，在界面的Orientation區(qū)域中，需要設(shè)置Plate Side、Section Orientation、Anchor Point等屬性。其中，Plate Side決定了骨材在板架的哪一側(cè)，可通過(guò)“Flip”按鈕進(jìn)行調(diào)整；Section Orientation決定了骨材的球頭朝向，同樣可通過(guò)“Flip”按鈕進(jìn)行調(diào)整；Anchor Point精確定位型材的Support面位于型材腹板的左中右哪一側(cè)，默認(rèn)選擇為“Web Side Left”，即腹板外側(cè)和理論面重合。

通過(guò)以上幾何參考對(duì)象和參數(shù)屬性的設(shè)置，即可完成輕量化骨材模型的創(chuàng)建。

3 基于CAA開(kāi)發(fā)的骨材布置方法

3.1 必要性分析

通過(guò)對(duì)原生功能的分析，結(jié)合外板骨材的自身特點(diǎn)，不難發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建外板骨材的難點(diǎn)包括以下4個(gè)方面。

1)需要在船殼曲面上創(chuàng)建所有外板骨材的三維跡線。

2)對(duì)于腹板面不垂直于依附板架的骨材，需要?jiǎng)?chuàng)建定方向的Support平面。

3)依據(jù)同一根骨材跡線，沿船長(zhǎng)方向可能創(chuàng)建多根不同截面規(guī)格或方向的骨材，需要設(shè)置每根骨材的限制元素和限制元素的偏移值。

4)對(duì)于全船模型，外板骨材數(shù)量較多，無(wú)法批量創(chuàng)建的情況下耗時(shí)較多。

基于以上因素，如果采用原生功能創(chuàng)建外板骨材，則會(huì)嚴(yán)重影響三維設(shè)計(jì)的效率，因此需要通過(guò)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)外板骨材的自動(dòng)布置，而關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)則在于骨材跡線的批量生成和依據(jù)參數(shù)表的骨材批量創(chuàng)建。

3.2 骨材跡線批量生成

為實(shí)現(xiàn)外板骨材的自動(dòng)布置，需要批量生成一系列空間曲線作為骨材的跡線，創(chuàng)建流程見(jiàn)圖3。

圖3 創(chuàng)建空間跡線流程

3.3 依據(jù)參數(shù)表創(chuàng)建骨材

根據(jù)AutoCAD外板展開(kāi)圖，可以獲取每根骨材名稱、位置、范圍、截面、材質(zhì)等信息。為實(shí)現(xiàn)外板骨材的自動(dòng)布置，可以將船體左舷骨材的屬性信息以參數(shù)的形式記錄在Excel表格中，表格形式如表2所示。

表2 骨材參數(shù)表

由于外板骨材的布置具有左右舷對(duì)稱的特點(diǎn)，因此右舷骨材的屬性和左舷同位置骨材的屬性相同，在創(chuàng)建右舷骨材時(shí)直接根據(jù)骨材名稱進(jìn)行屬性映射。

骨材參數(shù)表中的各項(xiàng)參數(shù)代表含義如下。

Start Limit&End Limit：規(guī)定骨材跡線的起始位置，以船體肋位坐標(biāo)面FR為參考和基于肋位面的偏移值Offset表示。其中FR欄中填寫(xiě) “--”和“++”時(shí)表示無(wú)限遠(yuǎn)，無(wú)需設(shè)置骨材的Limit，即由跡線的長(zhǎng)度決定骨材的長(zhǎng)度。

Section：表示骨材的截面規(guī)格，由于二維圖紙與CATIA平臺(tái)內(nèi)的型材截面規(guī)則表達(dá)形式不同，兩種形式存在相應(yīng)的映射關(guān)系，可以方便二維設(shè)繪人員識(shí)別。例如，在外板展開(kāi)圖中一般以P*這種簡(jiǎn)化的形式表達(dá)，而在CATIA V6平臺(tái)中“P10”對(duì)應(yīng)的截面名稱為“HP100x6_2_Large”。

Material；表示骨材的材質(zhì)。

Angle：表示骨材的角度模式，如果骨材的角度模式為Normal to Plate(即骨材腹板面沿外板法向布置)，則在表格中選擇Normal，創(chuàng)建骨材時(shí)無(wú)需根據(jù)跡線創(chuàng)建拉伸平面作為Support對(duì)象；如果骨材的角度模式為Along plane(即骨材腹板面沿水平或垂直等指定角度布置)，則在表格中選擇Vertical或Horizontal，創(chuàng)建骨材時(shí)需要根據(jù)跡線沿水平或垂直方向創(chuàng)建拉伸平面作為Support對(duì)象。

Category：表示骨材類型，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型字典中的定義，外板縱骨分為船底縱骨(Shell Bot Long Stiffener)和舷側(cè)縱骨(Shell Side Long Stiffener)，根據(jù)實(shí)際情況在表格中選擇骨材類型。

批量創(chuàng)建骨材流程見(jiàn)圖4。

圖4 創(chuàng)建骨材流程

4 案例分析

在外板骨材自動(dòng)布置技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用CAA的C++ API函數(shù)，在CATIA V6平臺(tái)上開(kāi)發(fā)骨材跡線批量生成工具和外板骨材批量創(chuàng)建工具。以某實(shí)船外板骨材布置為例，驗(yàn)證該方法的有效性。

4.1 骨材跡線批量生成工具

骨材跡線批量生成工具界面見(jiàn)圖5。首先，加載記錄三維空間點(diǎn)的資源表格，生成空間跡線，且將跡線存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)樹(shù)的幾何集節(jié)點(diǎn)中。需要注意的是，資源表中空間點(diǎn)的值需要按照船腫平面距三維坐標(biāo)原點(diǎn)的距離進(jìn)行調(diào)整。如果用戶不需要檢查或修改生成的空間跡線(模式1)，可以直接選擇船殼曲面，將空間跡線向船殼投影并沿中縱平面對(duì)稱，即可生成全船外板縱骨跡線；如果用戶需要檢查生成的控件跡線(模式2)，則可以先結(jié)束程序，后續(xù)以存儲(chǔ)空間跡線的幾何集作為輸入條件，生成全船外板縱骨跡線，見(jiàn)圖6。

圖5 骨材跡線批量生成工具

圖6 外板縱骨跡線

4.2 骨材批量創(chuàng)建工具

骨材批量創(chuàng)建工具界面見(jiàn)圖7。

圖7 骨材批量創(chuàng)建工具

該工具可同時(shí)滿足全船模型或分段模型的外板骨材批量創(chuàng)建。用戶先選擇目標(biāo)外板，然后選擇存儲(chǔ)縱骨跡線的幾何集，再選擇本地的骨材參數(shù)表格并加載，最后點(diǎn)擊創(chuàng)建按鈕，即可完成外板骨材的批量創(chuàng)建。經(jīng)實(shí)船測(cè)試，批量創(chuàng)建的全船外板縱骨110根，共耗時(shí)2 min 36 s，極大提高了建模效率。此外，骨材節(jié)點(diǎn)命名規(guī)范，符合設(shè)計(jì)要求，確保了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)外板骨材的自動(dòng)布置，提出了具體的技術(shù)路線并應(yīng)用CAA完成了設(shè)計(jì)工具的開(kāi)發(fā)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，基于二次開(kāi)發(fā)的外板骨材布置方法較以往的建模方法主要有以下幾方面的提升。

1)建模效率顯著提升，基于CAA開(kāi)發(fā)方法布置骨材模型較以往方法省去了二維圖紙?zhí)幚?，草圖跡線繪制以及命名定義參數(shù)等復(fù)雜過(guò)程；并且CAA程序的批量運(yùn)行效率也較手動(dòng)建模有著極大地提升。

2)建模精度提升，根據(jù)型值點(diǎn)生成的空間線解決了由二維圖紙精度以及三維船殼與二維船殼跡線的精度差異所造成的誤差，生成的骨材定位跡線更加準(zhǔn)確。

3)骨材參數(shù)定義規(guī)范化，骨材的編號(hào)、截面等信息通過(guò)表格控制使得骨材建模與命名更加的規(guī)范化，避免了手動(dòng)建模所造成的的命名以及骨材參數(shù)選擇可能帶來(lái)的錯(cuò)誤。

4)骨材跡線修改性強(qiáng)，由表格控制的骨材跡線信息與參數(shù)信息極大地方便了設(shè)繪人員對(duì)外板骨材設(shè)計(jì)的調(diào)整與檢查。

綜上所述，在對(duì)外板縱骨跡線和骨材的規(guī)格、材質(zhì)等屬性進(jìn)行參數(shù)化描述后，利用開(kāi)發(fā)工具可快速準(zhǔn)確地完成外板骨材的自動(dòng)布置，不僅可縮短船舶設(shè)計(jì)周期，而且可提高模型的準(zhǔn)確性，具有現(xiàn)實(shí)的工程意義和使用價(jià)值；同時(shí)也可為基于CATIA V6的船體結(jié)構(gòu)高效建模研究提供具體的技術(shù)路徑。