Solidworks應用于船體生產設計的可行性研究

方舟++戴錦陽++賀振洋

摘 要：通過船體外形和結構的三維數字建模，進行板材、型材等零件制作，完成虛擬裝配，自動生成零部件明細并按照船體制圖標準出圖，驗證了SolidWorks應用于船體生產設計的可行性。該技術的進一步完善和推廣應用，對促進內河造船企業轉型升級，具有重要的實用價值。

關鍵詞：SolidWorks 船體結構 生產設計 建模 出圖

中圖分類號：U662.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0083-02

1 三維造船軟件的應用現狀

三維數字建模技術是造船CAD/CAM 發展方向，工程人員通過結構三維數字建模技術，進行板材、型材等零件制作，完成虛擬裝配，實現零部件屬性鏈接，自動生成零部件明細并按照船體制圖標準出圖。目前大型設計單位或船廠主要是通過專用造船CAD/CAM 軟件實現，比如TRIBON、NAPA等進口軟件，技術上已經非常成熟。而國內大量中小型企業還停留在二維設計階段（主要軟件是AutoCAD）。一方面是因為進口軟件價格昂貴，且相關的硬件配套要求較高，這是規模有限、產值較低的中小企業難以承受的，而且進口軟件主要適用大型海船的設計，應用于沿海和內河中小型船舶的設計，效費比不高。另一方面，這些進口軟件較為復雜，學習和熟練掌握的周期較長，使用這些軟件開展設計項目，需要一個具有較高專業知識水平、受過相關軟件應用培訓的技術人才團隊，而許多中小造船企業由于各種條件的限制，本身就存在著專業人才隊伍匱乏的問題。

2 造船領域SolidWorks的實用價值

我國內河造船企業長期徘徊在船舶修造的低水平、低層次上，造船自動化、機械化程度都偏低，只有少數船廠已經應用計算機放樣、數控切割等現代造船設備和技術，船型也都是低水平的重復建設，工藝的落后和管理的粗放，以及施工的隨意性，造成板材的大量浪費。很多企業直接用船檢批準的詳細設計送審圖紙施工，根本沒有做所謂的生產設計或施工設計，許多詳細設計中隱藏的問題，直到建造時才暴露，導致不同程度的現場修改、返工，浪費材料，耽誤工期，影響企業的經濟效益。SolidWorks是目前世界流行的CAD/CAM軟件，操作簡便，易學易用，成本較低，也比較適合船舶產品的建模特點，結合船舶產品設計流程，經過適量二次開發，可以實現船舶結構三維數字建模與出圖。該技術如果能夠得到推廣應用，對轉變船舶設計方式和建造模式，提高中小造船企業的設計、建造質量與生產效率，有著較強的現實意義，并能帶來較好的經濟效益，必將對內河船舶修造業的轉型升級產生巨大的推動作用。

3 主要研究內容

3.1 船體外形建模和型線光順

（1）創建曲面片邊界網格，作為各個曲面片的邊界。按曲面片邊界網格逐個計算曲面片的控制格，從而得到整個船體曲面的控制網格。

（2）根據船舶主尺度和船體理論型值表，用船體線框模型設計方法，創建船體線框模型。由于生成的船體邊界曲線和三組剖面線未進行光順，用曲面覆蓋時會產生縫隙。

（3）利用渲染、等照度線等曲面光順性檢查工具，檢查曲面的光順性，交互修改或自動光順船體曲面的控制網格，直至船體曲面光順。船體光順后的效果見圖1。

3.2 系統數據庫設計

船舶設計的型材截面數據、各種尺寸參數、結構構件記錄等數據，必須建立系統的數據庫，統一管理數據資源。數據庫包括設計參數庫、型材數據庫、結構構件庫。

設計參數庫儲存系統設計過程中用戶提供的或計算產生的各種參數，供后續設計查詢用；型材數據庫儲存了角鋼、球扁鋼、扁鋼、圓鋼、槽鋼、工字鋼等各種型鋼在加工中有設計過程中用戶自定義的T型材截面參數和規定的型號，供設計人員選擇，系統自動調出型鋼的截面尺寸參數，滿足結構參數化設計的實際需要；結構構件庫記錄了構件編號、類型、規格、位置等數據，后續設計可以提取構件明細表，統計預估船舶建造中所需鋼料及型材。

3.3 船體結構參數化建模

船體結構分為主船體和上層建筑兩大部分，分別建模完成后再將其裝配組成一個整體。在各個模塊中按構件大小的順序依次建立外板、艙壁、縱桁、強橫梁、肋板、縱骨、扶強材、肘板等。整個結構建模過程都在系統數據庫和三維模型庫的支持下進行，構件的尺寸、幾何關系等參數從系統數據庫中讀取。由系統調用SolidWorks數據庫的型材構件信息自動建立船舶的三維結構模型。

通常船舶結構零件劃分為板材與型材兩類。板材和型材又按照形狀不同分為平直與曲面兩類。平直與單曲度的零件由于有在某個平面內零件截面形狀尺寸保持不變的特點，所以可以使用SolidWorks中拉伸命令生成實體。例如肋板、艙壁板、甲板等。船首尾的雙向復雜曲面則需要借助于二次開發完成。

3.4 船體結構數字化裝配方案

SolidWorks提供自下而上與自上而下兩種裝配方法。前者適用于在裝配造型之前已經具備所有零件的情況，后者則是先對產品進行整體描述，然后再逐層分解為各個零部件，直至最底層零件。內河船舶船體結構建模的構件數量繁多，裝配關系較為簡單的，選用自下而上的裝配方法更為合適。

具體到船舶結構數字化裝配方案的設計也可以有兩種選擇。第一種，參照實船建造時的裝配方案，先將零件裝配成部件，再裝配成分段結構。例如，雙層底分段中的肋板與其上扶強材可以先行裝配生成部件，然后作為一個整體進入分段裝配體中。這類裝配結構層次分明，設計修改時能準確找到修改對象，出錯率低，后續生產設計時方便進行小部件裝配圖出圖。另一種，可以將平面分段中同類型且尺寸相同的構件編成一組，形成小裝配體后再進行分段裝配。例如，將尺寸相同的內底縱骨先進行定位裝配，形成底部小骨材裝配體后再進入底部分段裝配。這樣對零件依據類型進行分類，分段出圖時便于定義相同零件材料，并提取重量、重心等資料，而且裝配后生成的文件不會太大。兩種方法各有優劣，工程上要統一用一種方法，避免施工中出現矛盾。endprint

3.5 出圖

船體制圖常見視圖類型有軸測圖、投影圖、展開圖、剖視圖、局部詳圖等，可以利用SolidWorks系統強大的工程圖設計功能，迅速便捷地生成相關圖紙。并且SolidWorks在工程圖和零部件或裝配體三維模型之間提供全相關功能，對零部件或裝配體三維模型進行修改時，所有相關工程視圖將自動更新，以反映零部件和裝配體的形狀和尺寸變換。在實際造船中，面向生產主要提供的圖紙有：零件加工工作圖，部件裝配工作圖和分段結構施工詳圖（見圖2～圖4）。這三類圖紙分別可以在使用SolidWorks數字建模的不同階段完成。

船體結構生產設計完成以后，利用數控切割機編程系統提供的多種圖形輸入手段，建立編輯零件圖形，實現鋼板套料。將編號的程序輸入切割機控制，實現數控下料切割等工作，能夠有效提高鋼材利用率，提高切割生產準備的工作效率。

4 結語

經過初步實踐證明，應用SolidWorks軟件進行船舶結構生產設計，實現船體結構建模與出圖在生產上是完全可行的。但是SolidWorks在某些方面還不能與專用船舶設計軟件相媲美，比如船體線型光順，艏艉復雜曲面外板建模，構件線型與外板曲度自動匹配等方面。實踐中只能依賴于第三方軟件幫助完善，或者使用程序語言對SolidWorks進行二次開發加以解決。另外，運用SolidWorks完成船體結構建模和裝配，對計算機性能要求較高，相應的購置費用也隨之增加，目前不是很利于在中小造船企業和院校船體生產設計教學中推廣普及。SolidWorks軟件功能十分強大，除了在生產中應用以外，在船舶技術設計領域可以用其自帶插件進行有限元計算和流體分析計算船舶性能。今后隨著高性能計算機的普及，SolidWorks在船舶設計與制造領域還是有很大潛力可以挖掘的。

參考文獻

[1] 周啟學.船體生產設計[M].人民交通出版社，2007.

[2] 馬勝祥，易傳云，李鮮明.Solidworks的二次開發研究[J].機械工程師，2005（8）：60-62.

[3] 李忠林.船體建造工藝學[M].哈爾濱工程大學出版社，2006.

[4] 彭公武.船體結構與制圖[M].哈爾濱工程大學出版社，2007.

[5] 王偉，吉曉民.基于特征的SolidWorks標準件實體庫的建立[C]//.制造技術自動化學術會議論文集.2004.endprint

3.5 出圖

船體制圖常見視圖類型有軸測圖、投影圖、展開圖、剖視圖、局部詳圖等，可以利用SolidWorks系統強大的工程圖設計功能，迅速便捷地生成相關圖紙。并且SolidWorks在工程圖和零部件或裝配體三維模型之間提供全相關功能，對零部件或裝配體三維模型進行修改時，所有相關工程視圖將自動更新，以反映零部件和裝配體的形狀和尺寸變換。在實際造船中，面向生產主要提供的圖紙有：零件加工工作圖，部件裝配工作圖和分段結構施工詳圖（見圖2～圖4）。這三類圖紙分別可以在使用SolidWorks數字建模的不同階段完成。

船體結構生產設計完成以后，利用數控切割機編程系統提供的多種圖形輸入手段，建立編輯零件圖形，實現鋼板套料。將編號的程序輸入切割機控制，實現數控下料切割等工作，能夠有效提高鋼材利用率，提高切割生產準備的工作效率。

4 結語

經過初步實踐證明，應用SolidWorks軟件進行船舶結構生產設計，實現船體結構建模與出圖在生產上是完全可行的。但是SolidWorks在某些方面還不能與專用船舶設計軟件相媲美，比如船體線型光順，艏艉復雜曲面外板建模，構件線型與外板曲度自動匹配等方面。實踐中只能依賴于第三方軟件幫助完善，或者使用程序語言對SolidWorks進行二次開發加以解決。另外，運用SolidWorks完成船體結構建模和裝配，對計算機性能要求較高，相應的購置費用也隨之增加，目前不是很利于在中小造船企業和院校船體生產設計教學中推廣普及。SolidWorks軟件功能十分強大，除了在生產中應用以外，在船舶技術設計領域可以用其自帶插件進行有限元計算和流體分析計算船舶性能。今后隨著高性能計算機的普及，SolidWorks在船舶設計與制造領域還是有很大潛力可以挖掘的。

參考文獻

[1] 周啟學.船體生產設計[M].人民交通出版社，2007.

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[3] 李忠林.船體建造工藝學[M].哈爾濱工程大學出版社，2006.

[4] 彭公武.船體結構與制圖[M].哈爾濱工程大學出版社，2007.

[5] 王偉，吉曉民.基于特征的SolidWorks標準件實體庫的建立[C]//.制造技術自動化學術會議論文集.2004.endprint

3.5 出圖

船體制圖常見視圖類型有軸測圖、投影圖、展開圖、剖視圖、局部詳圖等，可以利用SolidWorks系統強大的工程圖設計功能，迅速便捷地生成相關圖紙。并且SolidWorks在工程圖和零部件或裝配體三維模型之間提供全相關功能，對零部件或裝配體三維模型進行修改時，所有相關工程視圖將自動更新，以反映零部件和裝配體的形狀和尺寸變換。在實際造船中，面向生產主要提供的圖紙有：零件加工工作圖，部件裝配工作圖和分段結構施工詳圖（見圖2～圖4）。這三類圖紙分別可以在使用SolidWorks數字建模的不同階段完成。

船體結構生產設計完成以后，利用數控切割機編程系統提供的多種圖形輸入手段，建立編輯零件圖形，實現鋼板套料。將編號的程序輸入切割機控制，實現數控下料切割等工作，能夠有效提高鋼材利用率，提高切割生產準備的工作效率。

4 結語

經過初步實踐證明，應用SolidWorks軟件進行船舶結構生產設計，實現船體結構建模與出圖在生產上是完全可行的。但是SolidWorks在某些方面還不能與專用船舶設計軟件相媲美，比如船體線型光順，艏艉復雜曲面外板建模，構件線型與外板曲度自動匹配等方面。實踐中只能依賴于第三方軟件幫助完善，或者使用程序語言對SolidWorks進行二次開發加以解決。另外，運用SolidWorks完成船體結構建模和裝配，對計算機性能要求較高，相應的購置費用也隨之增加，目前不是很利于在中小造船企業和院校船體生產設計教學中推廣普及。SolidWorks軟件功能十分強大，除了在生產中應用以外，在船舶技術設計領域可以用其自帶插件進行有限元計算和流體分析計算船舶性能。今后隨著高性能計算機的普及，SolidWorks在船舶設計與制造領域還是有很大潛力可以挖掘的。

參考文獻

[1] 周啟學.船體生產設計[M].人民交通出版社，2007.

[2] 馬勝祥，易傳云，李鮮明.Solidworks的二次開發研究[J].機械工程師，2005（8）：60-62.

[3] 李忠林.船體建造工藝學[M].哈爾濱工程大學出版社，2006.

[4] 彭公武.船體結構與制圖[M].哈爾濱工程大學出版社，2007.

[5] 王偉，吉曉民.基于特征的SolidWorks標準件實體庫的建立[C]//.制造技術自動化學術會議論文集.2004.endprint