基于二次開發(fā)的CATIA三維建模在全墊升氣墊船設計中的應用*

張宗科

(七〇八研究所 上海 200011)

基于二次開發(fā)的CATIA三維建模在全墊升氣墊船設計中的應用*

張宗科

(七〇八研究所 上海 200011)

全墊升氣墊船;三維建模;CATIA;二次開發(fā)

全墊升氣墊船的船體外形結構不再著重考慮水動力性能,而是采用浮箱結構,其折角面、斷階面與倒圓較多,另有墊升風機在浮箱上的出風開口等,空間形狀復雜。此外還有風機、導管槳、空氣舵、圍裙等特種設備,適于用參數(shù)化軟件CATIA作二次開發(fā)來進行三維建模。在CATIA中作了一些二次開發(fā)以方便建模,詳細介紹了一條全墊升氣墊船的三維建模過程,并就CATIA曲面展開功能在柔性圍裙設計制造中的應用進行探討。

0 引 言

全墊升氣墊船不同于常規(guī)排水型船,墊態(tài)航行時依靠圍裙墊升系統(tǒng)懸浮在運行表面上。因此船體外形結構對線型光順性要求不再那么重要,而是采用浮箱結構,主要考慮圍裙安裝以及艙室布置等的要求,折角線、斷階線與導圓線較多,形狀也更為復雜。全墊升氣墊船主要有浮箱平臺、客艙、機艙、墊升風機、圍裙、導管槳、空氣舵等組成,見圖1[1,2]。

CATIA是法國Dassault Systemes公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化三維軟件,模塊眾多,功能強大,且內嵌了VBA、CAA等二次開發(fā)工具,便于用戶量身進行應用開發(fā)[3,4]。本文針對全墊升氣墊船的特點,在CATIA中作了一些二次開發(fā)以方便建模。下面將對應全墊升氣墊船以上組成部分在CATIA中的三維建模過程進行說明。

1 浮箱平臺

圖1 俄羅斯Project 20910 Chilim與芬蘭T-2000Caombat ACV

浮箱平臺(氣道甲板)為全墊升氣墊船結構的承載基礎,在其上安置其余部分,并提供排水狀態(tài)時所需的浮力,見圖2。浮箱平臺首部一般采用半圓頭,以便安裝圍裙并減少墊態(tài)航行時,首部圍裙的迎風阻力系數(shù)及越峰阻力等。軍用氣墊船因首部裝有搭載坦克等上下的跳板而采用圓角矩形的形狀。浮箱平臺尾部采用兩端為過渡圓角的平直形狀,便于圍裙布置,可減少越出阻力峰的時間。浮箱平臺的設計必須考慮墊升氣流的氣道空間與圍裙的安裝形式。該部分形狀較為規(guī)整簡單,由LISP程序從AutoCAD二維圖獲得各組成線段的坐標形成數(shù)據(jù)文件,在CATIA中形成三維模型。

不同于常規(guī)排水型船,全墊升氣墊船墊態(tài)航行時,運行于水氣界面。如同飛機一樣,全墊升氣墊船對結構重量的要求極為嚴格,船體材料采用密度小的鋁合金,并為鉚接結構形式。焊接式船體結構各組成部件之間可以“無縫”拼接,而鉚接式則需要連接肘板、角材、球扁型材等來搭接,見圖3。

圖4為浮箱平臺結構的一部分,外板除外,還有肋板、扶強筋、縱骨、外板與肋板之間的連接骨材。其中縱骨為球扁型材,扶強筋為角材,可以利用CATIA中的Formu la、Desing Table和Catalog功能建立三維組件庫加以調用。相應步驟為,實體建模、提取創(chuàng)建參數(shù)變量實現(xiàn)尺寸驅動控制實體模型、形成設計參數(shù)表、創(chuàng)建Catalog文件實現(xiàn)預覽與調用[5,6]。

圖2 全墊升氣墊船組成部分

圖3 全墊升氣墊船典型鉚接鋁合金結構

圖4 球扁型材參數(shù)化實體建模與浮箱平臺結構的一部分

2 艙室與墊升風機風道

客艙居于浮箱平臺上面的中前部,形狀也較規(guī)整。客艙的梁拱可有Spline曲線來擬合,客艙上開窗較多,通過在客艙壁上繪制開窗的邊線,由剪切功能(保留兩側)來實現(xiàn)。艙門可用厚曲面功能來模擬。將客艙作成幾何體模型,由幾何體模型強大的導圓角功能來實現(xiàn)光滑過渡,特別是客艙前端頂部為三個導圓角的交匯處,可方便獲得其精確形狀。利用Drafting功能獲取投影后的二維圖,方便船廠施工放樣。

機艙包括主機艙與風機艙。主機艙一般位于浮箱平臺上客艙的后部,形狀比較簡單,但艙壁前端開有進風網(wǎng)窗、艙壁后端開有出氣百葉窗等,可用CATIA中的Formula功能實現(xiàn)參數(shù)化繪制。

按照船的用途及總布置要求,風機艙可位于兩舷或與主機艙合在一起。對大型氣墊船而言,因總布置及圍裙氣墊供氣所需,風機艙往往位于兩舷。對使用艏噴管的氣墊船,風機艙必須位于兩舷。國內墊升風機使用最多的是4-72或4-73型離心式風機,均有標準的蝸殼線型可供參考,需要根據(jù)出風口的布置要求,對線型略作調整即可。在AutoCAD中將風機標準型線匯出,調整后將控制坐標輸出至數(shù)據(jù)文件內,在CATIA中繪制蝸殼形狀。兩風機之間需要保持一定的間隔,以保證進風面積的要求。

由于全墊升氣墊船自身的特性,墊態(tài)時縱穩(wěn)性較小,考慮到越峰能力及安全性要求,對重心位置控制較嚴,有時需設置壓載水艙來調節(jié)縱向姿態(tài)。為達到最佳效果,壓載水艙通常位于船的最前端,其兩邊為帆纜艙。同時需要保證墊升氣流的流通空間,CATIA三維模型可較好的反映并優(yōu)化該處艙室的形狀布置。

3 艏噴管(艏推器)

全墊升氣墊船墊態(tài)航行時,基本懸浮在運行表面上,因此其摩擦力小抗側風能力較差。此外低速航行時空氣舵來流小舵效差,操縱性也不理想,而艏部旋轉噴管(艏推器)可改善低速操縱性與提高抗側風能力。英國的AP.1-88、美國的LCAC、芬蘭的T-2000Combat ACV均裝有艏噴管,其中LCAC的艏噴管由雙頭蝸殼風機供氣,必要時可經調整葉片格柵角度切斷供氣。美國CDIM-SDD(原Band,Lavis＆Associations)公司為芬蘭設計的T-2000 Combat ACV則采用了改進的層疊式艏噴管[2,7],見圖5。七〇八研究所設計帶獨立風機供氣的艏噴管的小艇試航進一步證實了艏噴管的實際效果,利用艏噴管可在水上墊態(tài)原地回轉,亦提高了抗側風能力。

為艏噴管供氣的風機出風口為矩形,因此存在一個方轉圓的問題,利用CATIA的多截面放樣功能可方便實現(xiàn)方轉圓。有了艏噴管與風機的三維模型,就可以進一步用CFD計算分析,優(yōu)化形狀布局。

4 導管槳與空氣舵

全墊升氣墊船墊態(tài)航行時,基本懸浮在運行表面上,因此不能用常規(guī)的水螺旋槳推進,而是采用導管空氣螺旋槳,舵系也相應的采用位于導管后端的空氣舵,見圖6。導管槳包含槳轂、槳葉與導管,其中槳轂可制成標準零部件;槳葉由CATIA中二次開發(fā)的專用程序繪制;由導管線型繪出剖面形狀,經旋轉后形成導管模型。空氣舵通常采用NACA翼型,繪出剖面線型(Sp line)后,經拉伸即成。

圖5 艏噴管在美國LCAC與芬蘭T-2000上的應用

圖6 CATIA中導管槳三維模型與芬蘭T-2000實艇上的導管槳

5 圍裙系統(tǒng)

圍裙是全墊升氣墊船所特有的設備,它在船體下方圍成氣室,由墊升風機產生的氣流在此形成氣墊,將整船托舉在運行表面之上,使其具有水陸兩棲性能。圍裙設計好壞,對氣墊船總體性能至關重要,如快速性、穩(wěn)性、耐波性等。圍裙由柔性橡膠涂覆織物(圍裙布)制成,按構造形式分為囊指型、囊筒型、雙囊指型、單囊套指型與雙囊套指型等。周邊圍裙一般為囊指型,分隔裙則為囊筒型。

英國是氣墊船研究的鼻祖,對圍裙研究也最為先進,原SRN4 MK.3上安裝的大型響應圍裙具有良好的響應能力,耐波性高達四級海況(2m波高、10m/s橫風情況下可越峰航行)。目前美國CDIM-SDD公司為LCAC設計柔性響應圍裙已發(fā)展到第三代,使得整船阻力顯著下降,耐波性也有所提高,見圖7。

經圍裙成型計算,確定沿船周向不同位置處的圍裙剖面形狀,利用生成的AutoCAD圖形文件,由二次開發(fā)程序轉化為CATIA中的圖形,經多截面放樣,繪制出整套圍裙的形狀。利用CATIA中的展開功能,可得到艏艉轉角處圍裙的平面展開形狀,經Generative Drafting功能得到二維展開圖,從而為圍裙放樣制造提供基礎,見圖8。

6 全船建模時的一些注意事項

全船三維建模時,需預先考慮好各不同功能模塊組成部分之間的分組,將其劃分為不同的幾何集、幾何體等,這樣便于用CATIA的特征樹來控制各部分的顯示/隱藏(類似于AutoCAD中的Layer概念)。此外盡可能利用對稱性,以減少建模工作量。對導管槳、風機、艏噴管等相對獨立的設備可采用先獨立建模再插入到全船模型中加以定位,如此改動時僅需修改定位參數(shù)即可。對一些艙面屬具,如導纜嵌、系泊羊角、“十”字帶纜樁、欄桿基座、錨等規(guī)范產品,預先制作成標準零件庫,再按需集成到全船模型中。

圖7 芬蘭T-2000上安裝的CDIM-SDD公司第二代響應圍裙

圖8 圍裙CATIA三維模型與艏部大囊的局部展開圖

7 結 語

本文對參數(shù)化軟件CATIA在一條全墊升氣墊船設計中的應用進行了介紹。通過二次開發(fā),在CATIA中可方便實現(xiàn)船體結構、風機、導管槳、艏噴管、圍裙等的三維建模。該三維模型在氣墊船設計工作中發(fā)揮了較大作用,利用其可對艙室形狀布置以及設備安放進行優(yōu)化,且對總布置圖、外型圖、槳葉圖、圍裙布置圖等二維圖紙的設繪也提供了有價值的參考。

本文僅是CATIA在全墊升氣墊船設計中應用的初步嘗試,還有多方面工作要做,如進行結構的三維設計二維零部件出圖,材料明細表的統(tǒng)計生成等。導管槳、船體艙室結構的三維模型為包含槳前艙室在內的導管槳CFD計算分析提供了基礎,可利用Modern CFD Tools來優(yōu)化導管槳布置及槳直徑、槳葉與槳后整流支架的布局,進一步研究圍裙的三維放樣展開,實現(xiàn)精確制造來保證整個圍裙表面成形光順。

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Application of CATIA 3-D Modeling Based on Secondary Development in the Design of ACV

Zhang Zongke

ACV;3-D modeling;CATIA;secondary-development

The hull figure structure of ACV no longer puts emphasis on hydrodynamical performance,but on pontoon structures,which has more beveler,redan and fillets,and with air-cushion fan on the air ventilation hatch,having complicated space features.Moreover,there are also many special devices such as fan,ducted propeller,air rudder,skirt,which fits to the parametric software CATIA to make secondary development for 3-D modeling.This paper makes some secondary development by CATIA to simplify the modeling,introduces the 3-D modeling procedure for an ACV,and discusses the application of CATIA curved surface spread in flexible skirt design and manufacture.

U674.943

A

1001-9855(2010)05-0055-05

2010-02-08

張宗科(1973.11-),男,漢族,山東人,工程師,主要從事船舶設計與軟件開發(fā)工作。