復(fù)雜線型鑄件生產(chǎn)設(shè)計應(yīng)用Rhino軟件探討

杜璽 徐進初 鄭宇騰 劉亞 張梅

摘? ? 要：本文指出了船舶設(shè)計軟件在復(fù)雜線型鑄件建模方面存在的問題，提出解決方案。文章以某散貨船尾軸榖、錨唇鑄件設(shè)計為例，基于Rhino軟件探討復(fù)雜線型鑄件的精細化建模、鑄件與船體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計、鑄件制作圖及檢驗樣的生產(chǎn)設(shè)計方法，總結(jié)復(fù)雜線型鑄件的三維建模、制作圖及檢驗樣的新型生產(chǎn)設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：船舶鑄件；三維建模；一體化設(shè)計；Rhino

中圖分類號：U663.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Research on Production Design Method of Complex Linear Castings Based on Application of Rhino Software

DU Xi1，? XU Jinchu1，? ?ZHENG Yuteng2，? LIU Ya1，? ZHANG Mei1

（ 1.CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，? ?Guangzhou 511462;? 2. Chongqing Technology and Business University，? Chongqing 400067 ）

Abstract： This paper points out the problems in the modeling of complex linear castings in domestic ship design software and proposes the solution schemes. It takes the stern shaft hub casting and anchor mouth casting of bulk carrier as example， discusses the production design method of complex linear castings fine modeling， integrated designing of ship castings and hull structure， casting drawing and checking template based on Rhino software. It also summarizes a new production design method of complex linear casting 3D modeling， drawing and checking template.

Key words： ship castings;? 3D modeling;? integrated design; Rhino

1? ? ?前言

船舶鑄件是船舶結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對船舶的建造精度有著重要的影響，

船舶鑄件外形與船體線型相關(guān)聯(lián)，鑄件放樣比常規(guī)船體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。國內(nèi)多數(shù)船廠受船舶設(shè)計軟件功能限制，對鑄件一直釆用CAD手工放樣，圖紙僅表示鑄件的外形尺寸及工藝信息，通常未對鑄件開展三維建模。由于手工放樣工作量大，難度高，且無法實現(xiàn)對鑄件任意角度剖面剖切，放樣過程產(chǎn)生誤差較為明顯[1]，需要加放大量余量進行修正，確保滿足實際生產(chǎn)需求。

為解決復(fù)雜線型鑄件無法在船舶軟件中建模及出圖的問題，本文簡要介紹某船應(yīng)用Rhino三維設(shè)計軟件對其鑄件建模、出圖過程，并結(jié)合SPD船舶生產(chǎn)設(shè)計軟件進行鑄件與船體結(jié)構(gòu)三維模型一體化設(shè)計，形成一種實用的鑄件生產(chǎn)設(shè)計方法，使船廠鑄件的設(shè)計精度得到有效提升，鑄件安裝效率顯著提高。

2? ? 基于Rhino軟件鑄件精細化建模

Rhino軟件是一款優(yōu)秀的三維建模軟件，曲面功能強大且操作簡單，安裝方便。Rhino軟件能輸出OBJ、DXF、IGES、STL、3DM等各種文件格式，對船舶生產(chǎn)設(shè)計軟件如AM、TRIBON、SPD等可兼容，適用性良好，是較好的三維建模工具。

2.1? 鑄件線型選取

以散貨船的尾軸榖鑄件為例，在船體線型庫中截取光順后尾部鑄件區(qū)域的水線、肋骨線及縱剖線，導入Rhino軟件，如圖1所示。運用此方法可以保證選取的鑄件外形與船體外形保存一致，提高鑄件建模效率。

2.2? ?鑄件建模方法

運用Rhino軟件曲面功能進行鑄件三維建模，對曲面外殼進行快速生成，對邊緣處的曲面進行曲面修剪、嵌入，再進行曲面曲率的檢查，保證鑄件外形光順。內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行開孔、開剖面等曲面功能的參數(shù)化設(shè)計。三維模型多剖面核查，保證鑄件模型與詳細設(shè)計圖紙要求一致。

2.3? ?鑄件精細化建模

鑄件三維建模可直接觀察鑄件與船體結(jié)構(gòu)的匹配情況，有效地解決鑄件制造精度問題。而鑄件的精細化建模，可以讓鑄件的內(nèi)部受力均勻，減少應(yīng)力集中，提高鑄件使用壽命。鑄件的精細化建模通過嵌面修正、曲面圓角修正、曲面交角修正等方法對鑄件內(nèi)部節(jié)點進行細化處理，有效地解決應(yīng)力集中、焊接、突變等問題。

1）嵌面修正：不同維度下的不同放樣曲面交界處易存在錯位的情況，需要手動切割部分問題曲面，對切割部分重新建立新曲面進行線型修正。

2）曲面圓角修正：雖然Rhino軟件有自動建立圓角的功能，在不同半徑圓角交匯時，其產(chǎn)生的效果往往不符合要求，需要手動建立圓角。自動建立曲面圓角時使用自動曲面延伸功能，選取以結(jié)構(gòu)線分割曲面，選取完成后刪除多余曲面，保留圓角曲面，點擊“嵌面”命令，選取曲面的邊緣，觀察光順程度，調(diào)整嵌面參數(shù)，完成曲面圓角修正，如圖2所示。

3）曲面交角修正：運用“混接曲線”命令，選取邊緣A和B，形成混接曲線C，點擊“嵌面”命令，選取曲線C和曲面邊緣D、E，形成嵌入曲面，觀察光順程度，調(diào)整嵌面參數(shù)，完成曲面交角修正，如圖3所示。

3? ? ?復(fù)雜線型鑄件與船體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計

船體鑄件建模完成后還需要與船體結(jié)構(gòu)匹配。例如，尾軸轂鑄件既要外形與船體外板光順過渡，還需要確保鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠與船體結(jié)構(gòu)對接上，不能出現(xiàn)錯位的情況。如果鑄件與船體結(jié)構(gòu)不匹配，需要調(diào)整鑄件模型。鑄件（Rhino軟件）與船體結(jié)構(gòu)（SPD軟件）一體化的設(shè)計流程如圖4所示。

鑄件與船體結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計關(guān)鍵是能夠清晰、準確地表達復(fù)雜剖面，讓設(shè)計人員對鑄件結(jié)構(gòu)有更清晰的認識，為現(xiàn)場施工提供更為準確地精度、焊接方案。一體化設(shè)計要點是將鑄件與船體結(jié)構(gòu)的連接形式，鑄件與船體結(jié)構(gòu)的坡口形式以及精度控制等關(guān)鍵設(shè)計數(shù)據(jù)變得更加清晰、準確、合理。鑄件與船體結(jié)構(gòu)整體效果如圖5所示。

4? ? 復(fù)雜線型鑄件制作圖及檢驗樣設(shè)計

基于Rhino軟件三維設(shè)計鑄件模型，完成實體三維模型后，后續(xù)所有設(shè)計圖紙依據(jù)三維模型展開。如制作鑄鋼件制作圖采用三維可視化以及二維平面交互放樣，極大方便放樣人員全方位表達鑄件各剖面以及節(jié)點形式。在制作生產(chǎn)設(shè)計圖紙時，同樣可直觀清晰的觀察鑄件與船體結(jié)構(gòu)連接的光順度以及合理性等。在剖切不同角度視圖即能夠看到鑄件與船體結(jié)構(gòu)連接的真實情況，鑄件放樣準確率大幅提升，可為鑄件的高效建造奠定基礎(chǔ)。

1）鑄件制作圖設(shè)計

原鑄件制作圖均采用手工放樣處理，放樣過程中的曲線需要找到一系列數(shù)據(jù)點，將所有數(shù)據(jù)點依次連接進行剖面曲線描繪。對于三維空間中的鑄件，與XYZ三個基面都呈現(xiàn)一定角度，手工放樣工作量大、難度高。

以散貨船的錨唇鑄件為例，在制作放樣圖前需確認兩個關(guān)鍵角度：一個是錨鏈筒中心線與船中縱剖面的水平角度，另一個是錨鏈筒中心線與主船體艏樓甲板的垂向夾角。這兩個角度直接影響錨唇的放樣結(jié)果。核對無誤后，運用Rhino軟件剖切鑄件相應(yīng)剖面，如圖6所示。圖中輪廓線部分即是錨唇鑄件的剖面形狀，依次將各個剖面剖出并整理，將鑄件模型全部基于錨臺板放置，便形成如圖7錨唇剖面匯總圖，此圖外輪廓線就是錨唇鑄件的外輪廓線，圖中剖面應(yīng)與詳細設(shè)計圖剖面對應(yīng)。

基于Rhino軟件任意面剖切功能，在保證按詳細設(shè)計圖紙?zhí)峁┓艠悠拭婀S家生產(chǎn)之外，為保證鑄件建造的準確性，可新增鑄件剖面。采用等分角度方式截取，新增剖面作為輔助數(shù)據(jù)，保證鑄件整體生產(chǎn)質(zhì)量。完成錨唇剖視面匯總后，再進行鑄件的朝向、外形尺寸以及工藝信息標注，形成錨唇鑄件制作圖，如圖8所示。

2）鑄件檢驗樣設(shè)計

鑄件是整體澆注成型，如在鑄件制作圖中只給出了部分關(guān)鍵截面形狀及尺寸，沒有給出具體的檢驗樣圖供廠家以及質(zhì)量部質(zhì)檢人員使用，會導致鑄件驗收精度一直無法得到保證，出現(xiàn)多次核查檢驗數(shù)據(jù)的情況。為此，建議對鑄件檢驗樣進行設(shè)計，以提升產(chǎn)品驗收質(zhì)量。

為保證鑄件制作質(zhì)量，針對錨唇等鑄件設(shè)計專用檢驗樣。檢驗樣的設(shè)計實際與制作圖相對應(yīng)，主要是檢驗鑄件的外形，因此檢驗樣基于制作圖中的剖面信息來設(shè)計。錨唇鑄件根據(jù)錨唇設(shè)計尺寸釆取加密截面方式進行檢驗，檢驗樣是對各角度的截面制作木卡檢驗樣板，檢驗時通過檢驗樣板與鑄件的貼合度來檢測錨唇外形，另外對錨唇底平面檢驗通過檢驗錨唇鑄件與錨臺板平面外形吻合度進行檢測。

5? ? 實船應(yīng)用效果

復(fù)雜線型鑄件生產(chǎn)設(shè)計的效果主要體現(xiàn)在：能夠準確、細致地表達復(fù)雜鑄件任意角度剖面，讓設(shè)計人員對復(fù)雜線型鑄件結(jié)構(gòu)有更清楚的認識，為精度控制提供更為精準的余量加放方案，將復(fù)雜線型鑄件與船體結(jié)構(gòu)三維模型融合設(shè)計，鑄件與船體結(jié)構(gòu)連接處的坡口形式以及余量加放更加合理。

5.1? 精度控制

在應(yīng)用本方法之前，鑄件與船體結(jié)構(gòu)的余量加放都比較大，如某12萬噸散貨船項目尾軸轂鑄件位置的船體外板加放余量大小為80～100 mm，鑄件與船體外板連接處精度控制較差，材料成本增加。另外，與尾軸轂鑄件相連接的船體結(jié)構(gòu)外板修割米數(shù)達到40多米，現(xiàn)場修割量較大，建造周期較長。

運用Rhino進行鑄件三維建模后，鑄件的實體模型表達更為準確，鑄件制作圖也全部由三維模型剖切制作，鑄件的輪廓形狀得到保證。后續(xù)項目中在船體外板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與鑄件連接的余量更加精準，現(xiàn)場修割量大幅減少。與鑄件連接的外板余量可控制在30 mm～50 mm，內(nèi)構(gòu)件可控制在15 mm以內(nèi)。下圖9為某12萬噸散貨船后續(xù)產(chǎn)品尾部外板余量加放，相比于首制船的80～100 mm，精度得到更好控制。

5.2? ?坡口設(shè)計

坡口信息在鑄件制作圖中需要準確表達，同時在分段結(jié)構(gòu)圖中也需要表達，且務(wù)必保證圖紙坡口信息一致。采用本設(shè)計方法后，鑄件及船體結(jié)構(gòu)的余量相對之前大幅減小，鑄件與船體結(jié)構(gòu)焊接時，坡口就可以在下料階段開設(shè)，不用等余量修割后再開坡口，同時坡口盡量開在船體結(jié)構(gòu)側(cè)，鑄件建議不開坡口。

鑄件與船體結(jié)構(gòu)的焊接坡口節(jié)點比較多，位置不同時坡口節(jié)點不同，因此坡口節(jié)點詳圖應(yīng)按照實際剖面樣式準確提供。圖10為尾軸轂與船體結(jié)構(gòu)連接部位兩個坡口節(jié)點圖，坡口節(jié)點圖中的鑄件形狀為實際鑄件模型剖切的輪廓，剖切位置不能隨意移動旋轉(zhuǎn)，坡口節(jié)點中尺寸應(yīng)按照詳設(shè)圖紙要求設(shè)定。

6? ? ?軟件應(yīng)用效果

1）建立復(fù)雜線型鑄件三維模型，與傳統(tǒng)手工放樣相比，設(shè)計精度大幅提高；

2）利用Rhino軟件繪制鑄件制作圖，圖紙修改更加快捷，設(shè)計效率顯著提升；

3）運用鑄件與船體結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，鑄件與船體分段連接處光順、對位等問題可快速發(fā)現(xiàn)并處理；

4）Rhino軟件支持模型任意面剖切，提供設(shè)計、檢驗數(shù)據(jù)更加高效、精準；

5）Rhino軟件支持OBJ、DXF、IGES、STL、3DM等多格式導出，可直接提供數(shù)據(jù)用于設(shè)備廠生產(chǎn)。

7? ? 結(jié)束語

通過運用Rhino軟件進行復(fù)雜線型鑄件的三維建模及視圖剖切，獲取了復(fù)雜線型鑄件多角度的重要控制點和控制面，以此為基礎(chǔ)制作鑄件制作圖和檢驗樣。與傳統(tǒng)鑄件放樣和檢驗相比，鑄件設(shè)計質(zhì)量顯著提升，鑄件制造精度大幅提高，為鑄件的精準安裝形成了有利條件。

參考文獻

[1] 李淵.應(yīng)用CATIA軟件進行鑄鋼件建模及放樣[J].廣船科技，2021 （02）.

作者簡介：杜? 璽（1986- ），男，高級工程師。主要從事船體結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

徐進初（1979- ），男，研究員級高級工程師。主要從事船舶設(shè)計工作。

收稿日期：2023-01-11