淺談船舶三維設(shè)計(jì)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

朱春林

【摘要】計(jì)算機(jī)技術(shù)一直以來就被廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，其有著較多的軟件，且在各大造船廠的應(yīng)用歷史也比較廣泛。這些軟件包括TRIBON、NAPA、CATIA與CADDS5等，每個(gè)軟件都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是卻由于各個(gè)系統(tǒng)之間的封閉性，導(dǎo)致它們之間數(shù)據(jù)交換的不通順。鑒于此，本文就針對(duì)船舶三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的技術(shù)進(jìn)行了研究，并得出了自己的一些見解和建議。

【關(guān)鍵詞】船舶設(shè)計(jì)；三維技術(shù)；平臺(tái)；關(guān)鍵技術(shù)

船舶設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大型而又復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在計(jì)算機(jī)技術(shù)未出現(xiàn)之前，船舶設(shè)計(jì)主要以螺旋上升的設(shè)計(jì)方式為主，而再產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)技術(shù)之后，設(shè)計(jì)周期不斷縮短，而且設(shè)計(jì)流程也更加規(guī)范，但是船舶的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜了，因此如何能夠更好的在較短時(shí)間內(nèi)完成符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，依舊是船舶設(shè)計(jì)中比較嚴(yán)峻的問題。

一、計(jì)算機(jī)技術(shù)在船舶三維設(shè)計(jì)中的價(jià)值性

在整個(gè)船舶企業(yè)的設(shè)計(jì)制造當(dāng)中，船舶企業(yè)必須要依賴一個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)。來管理整個(gè)設(shè)計(jì)過程，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)共享。因此為了提高船舶的建造質(zhì)量，并且降低船舶的建造成本，必須要重視船舶三維設(shè)計(jì)的重要意義。

首先，船舶三維設(shè)計(jì)平臺(tái)可以對(duì)系統(tǒng)的資源進(jìn)行整合，因?yàn)檐浖嵌鄻有缘模云髽I(yè)需要利用平臺(tái)對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行整合，讓每個(gè)軟件系統(tǒng)都發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，這樣就會(huì)加快設(shè)計(jì)的效率。

其次，這個(gè)平臺(tái)可以管理模型的數(shù)據(jù)信息。在船舶的開發(fā)與設(shè)計(jì)過程中，需要產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)證實(shí)船舶制造的關(guān)鍵信息，但問題是每個(gè)軟件生成的信息不是統(tǒng)一的，這樣一來就增加了信息管理的難度，且軟件的不斷更新、更換或者升級(jí)，又有可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。因此利用三維平臺(tái)可以讓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)整與管理，提升效率，保護(hù)數(shù)據(jù)。

最后，三維設(shè)計(jì)平臺(tái)有利于船舶一體化的設(shè)計(jì)。船舶設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果是環(huán)環(huán)相扣的，修改一個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)會(huì)牽扯到其他數(shù)據(jù)，因此采用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)，可以避免很多因?yàn)閿?shù)據(jù)修改而產(chǎn)生的錯(cuò)誤，并且對(duì)船舶一體化的設(shè)計(jì)有著非常重要的作用。

二、船舶三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的技術(shù)方案探析

船舶的設(shè)計(jì)是多方面的，分為較多部分，其中依次是概念的設(shè)計(jì)、總體的規(guī)劃設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)深化設(shè)計(jì)幾個(gè)部分。且這個(gè)幾個(gè)部分相互關(guān)聯(lián)相互影響，呈螺旋上升的過程。因此在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)船舶的外形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，因此需要通過平臺(tái)對(duì)進(jìn)行資源與數(shù)據(jù)整合。

（一）系統(tǒng)的架構(gòu)分析

CATLA作為三維平臺(tái)的核心系統(tǒng)，具有相當(dāng)重要的意義，其通過Automation技術(shù)開發(fā)船體外形，實(shí)現(xiàn)船體的基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過XML中間格式文件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。而整個(gè)船舶設(shè)計(jì)功能模塊，是分為5個(gè)部分的，但是船舶設(shè)計(jì)表達(dá)通用模型是整個(gè)平臺(tái)的核心。

（二）核心平臺(tái)分析

船舶三維設(shè)計(jì)平臺(tái)在前期的研究中，也是做了比較多的測(cè)試與對(duì)比的，因此最終選擇的是CATLA作為核心平臺(tái)。主要是原因是：首先，其實(shí)一款通用的CAD軟件，船舶設(shè)計(jì)的幾個(gè)造型功能非常強(qiáng)大，且操作簡(jiǎn)單，精度也是比較高的。在轉(zhuǎn)換軟件時(shí)也能保證完整的模型精度。其次，CATLA軟件提供了比較多的二次開發(fā)接口，資料較為豐富，這也為軟件的開發(fā)降低了難度。其接口能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，且還可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的文件格式。其三，CATLA軟件可以建立船舶的型材庫、板材庫與設(shè)備庫等，這樣就能提升設(shè)計(jì)效率，降低建模時(shí)的難度。最后比較重要的一點(diǎn)就是，CATLA軟件具有比較強(qiáng)大的發(fā)展空間，其收購了許多家公司，因此可以預(yù)測(cè)其再將來的一段時(shí)間之內(nèi)，仍將是船舶設(shè)計(jì)中的比較主流的一款軟件，這樣就能保證船舶設(shè)計(jì)三維平臺(tái)的生命力與反發(fā)展力。

（三）模型的接口方案分析

船舶三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，有很重要的一個(gè)功能就是數(shù)據(jù)交換功能，實(shí)現(xiàn)模型共享，因此其CAX系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口主要有三種主要方式：專用、通用以及統(tǒng)一模型的數(shù)據(jù)交換。

專用格式數(shù)據(jù)交換是為了實(shí)現(xiàn)三維模型的映射與轉(zhuǎn)化，其針對(duì)的主要特性系統(tǒng)有CAD的DWG格式、CATLA軟件的CATpart與CATprodurct等。而通用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)則是由DXF、STEP、LGES、VRML、X3D等，這些數(shù)據(jù)格式是中性的，不依賴與任何系統(tǒng)。統(tǒng)一產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換是不同的系統(tǒng)采用相同的數(shù)據(jù)管理軟件。因此，由于船舶設(shè)計(jì)的三維平臺(tái)有著跨平臺(tái)的優(yōu)越性，因此其具體圖（1）示如下：

圖（1）船舶通用模型數(shù)據(jù)信息示意圖

三、船舶設(shè)計(jì)的表達(dá)通用模型分析

船舶設(shè)計(jì)是牽扯到的因素是方方面面的，其本身就是一個(gè)復(fù)雜的綜合物體，所以對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)其方案也必定擁有較為復(fù)雜的綜合性特點(diǎn)，這些問題包含了流體靜力學(xué)、水動(dòng)力以及結(jié)構(gòu)等多方面的知識(shí)。只有把這些學(xué)科高度優(yōu)化與融合在一起，才能完整的設(shè)計(jì)船舶，因此，對(duì)于船舶的設(shè)計(jì)而言，其設(shè)計(jì)問題是具有綜合性的特點(diǎn)的。因此，在船舶設(shè)計(jì)到建造施工的過程中，涉及到的設(shè)計(jì)者、船廠與船檢方等，都需要共同努力。船舶設(shè)計(jì)者也應(yīng)該將整個(gè)設(shè)計(jì)的船舶作為研究對(duì)象，利用船舶設(shè)計(jì)表達(dá)通用模型。

（一）模型表達(dá)中的單位與坐標(biāo)

船舶設(shè)計(jì)的不同階段對(duì)應(yīng)相應(yīng)的設(shè)計(jì)知識(shí)積設(shè)計(jì)自由度，設(shè)計(jì)階段越靠后需要的設(shè)計(jì)知識(shí)越多，而設(shè)計(jì)的自由度卻越低。在船舶的設(shè)計(jì)過程中，一般以毫米為單位進(jìn)行建模，針對(duì)不同軟件的不同單位制，一般維持在毫米級(jí)為準(zhǔn)。但是還出于不同三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)幾何體的參考數(shù)據(jù)精度要求不同，因此一般采用四位小數(shù)點(diǎn)作為有效值的標(biāo)準(zhǔn)方法。

坐標(biāo)方面，由于船型、重量、船艙容量、速度與穩(wěn)定性、操縱的靈活性、結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)性等。因此對(duì)不同類型的船舶進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要選擇與其相適應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式與統(tǒng)計(jì)公式模型。以及船舶的構(gòu)件尺寸不是唯一的，且焊接形式較多，因此需要考慮全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系的問題。一般來言，船舶設(shè)計(jì)坐標(biāo)系采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，原點(diǎn)在船的尾垂線與船中線的交點(diǎn)。

（二）船舶整體模型

船舶設(shè)計(jì)周期長、學(xué)科多以及耦合關(guān)系復(fù)雜等，因此決定了學(xué)科分析需要采用精度更高的方法，然后利用響應(yīng)面近似模型技術(shù)來完成整個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程。如今，多學(xué)科設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法已經(jīng)被飛機(jī)甚至是導(dǎo)彈行業(yè)所應(yīng)用，并且也取得了良好的設(shè)計(jì)結(jié)果。由此可以看得出來其是一項(xiàng)非常科學(xué)的、行之有效的方法。船舶的整體模型，包含管系、電氣及設(shè)備等模型，具體如下圖（2）所示：

具體為ship為跟元素，其就是整個(gè)船體。Shape是外形模型，hull是結(jié)構(gòu)模型，而subdivsion分艙模型。

（三）船舶外型模型

船舶設(shè)計(jì)的過程重組就是用另一種方式設(shè)計(jì)船舶，但是在設(shè)計(jì)中，要注意三維平臺(tái)系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的時(shí)候可以利用它來進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以將它作為有效地輔助工具，但是，設(shè)計(jì)者一定要建立在對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的深入理解上，而不只是依靠計(jì)算機(jī)忽視了思考和創(chuàng)新。因此在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)之上，通過船舶的型表值來表達(dá)船型，但是問題是不夠直觀，所以在船體的外形及曲面的三維空間設(shè)計(jì)中，需要在專用的設(shè)計(jì)軟件中建立船舶外形模型。

四、結(jié)束語

船舶設(shè)計(jì)三維平臺(tái)能夠很快的提高船舶設(shè)計(jì)的效率，提升船舶設(shè)計(jì)的水平，并且能夠在設(shè)計(jì)過程中做到更加徹底和創(chuàng)新，通過過程重組，從而提高船舶制作過程中的質(zhì)量和降低成本。因此，本文通過對(duì)船舶設(shè)計(jì)三維平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，有著非常重要的意義，其中包括探索數(shù)據(jù)接口方案、模型間的信息傳遞等，以及建模等，以期能夠?qū)Υ霸O(shè)計(jì)三維平臺(tái)的完善與發(fā)展提供建議，為我國造船業(yè)與船舶設(shè)計(jì)業(yè)做出貢獻(xiàn)。

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