NAPA STEEL在豪華郵輪開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

沈童偉，楊曉銳，徐旭敏，樊祥棟

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

NAPA STEEL在豪華郵輪開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

沈童偉，楊曉銳，徐旭敏，樊祥棟

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

為掌握一套成熟有效的豪華郵輪開發(fā)設(shè)計(jì)流程和方法，準(zhǔn)確、高效地完成船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，保證豪華郵輪的安全性和舒適性，從結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)總體思路、結(jié)構(gòu)建模和數(shù)據(jù)輸出及幾何模型轉(zhuǎn)換有限元模型等3個(gè)方面介紹上海船舶研究設(shè)計(jì)院運(yùn)用NAPA STEEL開發(fā)設(shè)計(jì)7萬總噸豪華郵輪的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。將該設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)比，分析結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)的效率優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，針對(duì)現(xiàn)階段存在的不足和未來的發(fā)展方向提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

豪華郵輪；NAPA STEEL；結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)；有限元模型轉(zhuǎn)換

0 引 言

豪華郵輪被譽(yù)為造船業(yè)“皇冠上的明珠”，是公認(rèn)的高技術(shù)、高附加值船型。在其前期開發(fā)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)領(lǐng)域面臨著諸多挑戰(zhàn)，比如快速應(yīng)對(duì)方案變化帶來的結(jié)構(gòu)調(diào)整、處理眾多復(fù)雜結(jié)構(gòu)間的空間關(guān)系、判斷大開孔外板參與總縱強(qiáng)度的程度、進(jìn)行更為科學(xué)有效的振動(dòng)和噪聲分析及提供相對(duì)精確的質(zhì)量和重心數(shù)據(jù)等。豪華郵輪作為高端裝備制造業(yè)的典型代表，融合了先進(jìn)的裝備制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)，集觀光、旅游、休閑及娛樂等功能于一體，是高度集成化、系統(tǒng)化、信息化的“海上移動(dòng)度假村”。與傳統(tǒng)的三大主流船型相比，豪華郵輪的設(shè)計(jì)理念先進(jìn)、建造難度巨大，可直接反映出一個(gè)國家的綜合科技水平和綜合工業(yè)能力。

上海船舶研究設(shè)計(jì)院（以下簡(jiǎn)稱上船院）作為中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司旗下的大型綜合性船舶研究設(shè)計(jì)院，參與了我國工業(yè)和信息化部牽頭的高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目，圍繞7萬總噸豪華郵輪的開發(fā)，開展中型豪華郵輪功能設(shè)置和總體布置關(guān)鍵技術(shù)研究；同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題上投入大量資源進(jìn)行計(jì)算分析。在項(xiàng)目開發(fā)伊始，即確立結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)的理念，并將NAPA STEEL引入到開發(fā)設(shè)計(jì)中。NAPA STEEL[1]是芬蘭NAPA公司基于NAPA平臺(tái)開發(fā)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，此前在上船院散貨船、集裝箱船、油船及滾裝船等船型[2]的前期設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。通過對(duì)NAPA STEEL進(jìn)行具體實(shí)踐，在滿足基本的模型創(chuàng)建和數(shù)據(jù)輸出的同時(shí)，可為高效、高質(zhì)量地輸出全船有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度和振動(dòng)噪聲分析提供條件。

1 結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)總體思路

基于NAPA STEEL的結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)是一種由總體設(shè)計(jì)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自然過渡的一體化設(shè)計(jì)（見圖1）。這得益于NAPA軟件目前在國內(nèi)總體設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。在開發(fā)設(shè)計(jì)初期，結(jié)構(gòu)專業(yè)僅依靠總布置圖和典型橫剖面圖及總體專業(yè)人員在NAPA軟件中錄入的大量艙室信息，即可利用快速建模工具和NAPA STEEL進(jìn)行結(jié)構(gòu)的快速建模與詳細(xì)建模。當(dāng)設(shè)計(jì)方案發(fā)生變化時(shí)，在建模過程中及時(shí)更新相關(guān)信息，模型便會(huì)作出相應(yīng)調(diào)整。在獲得詳細(xì)模型之后，可將模型信息導(dǎo)出至各船級(jí)社規(guī)范計(jì)算軟件中進(jìn)行規(guī)范計(jì)算校核，并根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成各種有限元模型進(jìn)行直接計(jì)算。最后，將規(guī)范計(jì)算結(jié)果和直接計(jì)算結(jié)果反饋到NAPA STEEL 3D模型，輸出質(zhì)量、重心等數(shù)據(jù)及CAD圖紙，用以送審。

圖1 結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)流程圖

2 結(jié)構(gòu)建模和數(shù)據(jù)輸出

2.1 基于MGR＊STEEL的快速結(jié)構(gòu)建模

當(dāng)前NAPA公司已基于輸入輸出指令集成模塊MANAGER平臺(tái)開發(fā)出針對(duì)散貨船和集裝箱船的快速建模工具M(jìn)GR*BULK_CARRIER及MGR*CONTAINER，并已在業(yè)界得到一定的應(yīng)用[3]；而MGR*STEEL則是所有船型通用的快速建模工具。通過分析豪華郵輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，其上層建筑各層甲板間的鋼圍壁構(gòu)件的數(shù)量占全船結(jié)構(gòu)構(gòu)件總量的30%以上，根據(jù)總布置圖對(duì)其進(jìn)行逐一創(chuàng)建很不方便，因此亟須找到一次性批量處理的方法。

在快速建模中，可利用DXF IMPORT工具直接將總布置圖上表示艙室鋼圍壁的線段以DXF格式導(dǎo)入到MGR*STEEL中，當(dāng)輸入鋼圍壁所在上甲板和下甲板的界限之后，該線段會(huì)自動(dòng)拉伸，生成所需要的結(jié)構(gòu)對(duì)象。需特別指出，MGR*STEEL并不是脫離NAPA STEEL單獨(dú)存在的，其所創(chuàng)建的坐標(biāo)肋位、結(jié)構(gòu)樹和結(jié)構(gòu)構(gòu)件均會(huì)第一時(shí)間存儲(chǔ)到NAPA STEEL的相應(yīng)位置處，便于在NAPA STEEL中進(jìn)行詳細(xì)建模。但是，要對(duì)已生成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行修改，必須通過修改其代碼來完成。MGR*STEEL生成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的代碼散落在NAPA程序內(nèi)部，若不對(duì)其加以收集和整理，當(dāng)繼續(xù)編輯這些代碼時(shí)就需要到NAPA系統(tǒng)中去查詢，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。對(duì)此，可根據(jù)NAPA自帶的程序語言NAPA BASIC編寫程序，完成對(duì)代碼的收集。

2.2 基于NAPA STEEL的詳細(xì)結(jié)構(gòu)建模

NAPA STEEL是進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)建模的場(chǎng)所。板材、骨材等結(jié)構(gòu)構(gòu)件；板縫、開孔及肘板等附屬結(jié)構(gòu)均可利用軟件提供的相應(yīng)方法進(jìn)行創(chuàng)建。豪華郵輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在許多建模難點(diǎn)，為保證模型的準(zhǔn)確性和建模速度，有以下4點(diǎn)建議：

1) 確保上層建筑曲面外形正確，包括露天甲板前后陽臺(tái)的舷墻及某些特殊場(chǎng)所（如舞廳）的外圍壁等。只有綜合運(yùn)用DCY或CNS等特殊命令才能得到正確的外形。

2) 盡量使用參數(shù)化建模方法，利用NAPA BASIC語言編制命令，批量生成一些重復(fù)結(jié)構(gòu)或在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)規(guī)律性的構(gòu)件，提高建模效率。

3) 對(duì)復(fù)雜外形構(gòu)件采用PCurve命令。 PCurve命令專門用來創(chuàng)建外形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件[4]，其適用性廣、精度高，且自帶PCurve數(shù)據(jù)庫。在建模時(shí)，由專門的管理員將具有代表性的PCUR構(gòu)件參數(shù)化之后加入System Database中的TAB*STRUCTURE_LIBRARY中，方便在后續(xù)工作中調(diào)用。

4) 進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩伍_發(fā)。例如，上船院基于VB.NET和SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)建NAPA STEEL三維參數(shù)化船舶構(gòu)件庫[5]，在NAPA自帶PCurve數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上極大地豐富了參數(shù)化建模工具，提高了建模效率。

2.3 規(guī)范計(jì)算模型的輸出

在規(guī)范設(shè)計(jì)中，往往需要在船級(jí)社的規(guī)范計(jì)算軟件中創(chuàng)建多個(gè)剖面校核構(gòu)件。對(duì)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)二維設(shè)計(jì)，需要對(duì)這些剖面的板厚、骨材及艙室等進(jìn)行重新建模，工作量大且容易出錯(cuò)；而對(duì)于結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)，可直接將詳細(xì)模型中的剖面信息導(dǎo)入到船級(jí)社軟件中，省去了重復(fù)建模的工作，可選擇MGR*INTERFACE_TO_RULE工具（該工具也是基于MANAGER平臺(tái)開發(fā)的，目前已有支持BV，LR，DNV-GL和CLASSNK的規(guī)范計(jì)算軟件接口）。

從輸出效果來看，詳細(xì)模型中的剖面信息在規(guī)范計(jì)算軟件中得到了最大程度的保留，只需要進(jìn)行少量的檢查修改工作即可直接進(jìn)行校核（見圖2）。

圖2 輸出至GL-POSEIDON截圖

2.4 CAD圖紙和質(zhì)量、重心輸出

1) CAD圖紙是結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)向結(jié)構(gòu)二維設(shè)計(jì)的反饋，目前國內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)資料的存檔和送審仍停留在圖紙階段。因此，若能直接從模型中輸出符合要求的CAD圖紙，則可大大減少重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)效率。NAPA公司在MANAGER平臺(tái)上根據(jù)NAPA STEEL的需要開發(fā)出MGR*DRAWING工具。上船院在引進(jìn)NAPA STEEL之后與NAPA公司合作進(jìn)行二次開發(fā)，目前已能輸出基本上符合上船院標(biāo)準(zhǔn)的CAD圖紙。

2) 質(zhì)量和重心輸出是NAPA STEEL獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。利用LQ/TOO/LIST命令的靈活組合，可獲得不同要求下的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，例如全船或分段的總質(zhì)量、按厚度和材料歸類的鋼材清冊(cè)及按確定步長統(tǒng)計(jì)的船體分段質(zhì)量等，為總體專業(yè)工作和有限元直接計(jì)算的進(jìn)一步開展提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

3 幾何模型轉(zhuǎn)換有限元模型

豪華郵輪除了對(duì)外觀設(shè)計(jì)和造型布置有較高的要求之外，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性也有很高的要求。因此，利用有限元模型進(jìn)行全船的強(qiáng)度和振動(dòng)噪聲分析是豪華郵輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要工作。

嘗試將已有的NAPA STEEL模型轉(zhuǎn)換為有限元模型，再有步驟地輸出到Patran中開展后續(xù)工作。為在模型轉(zhuǎn)換之后獲得更好的輸出效果，便于計(jì)算分析，有以下2點(diǎn)建議：

1) 合理地進(jìn)行網(wǎng)格控制。根據(jù)需要合理地設(shè)置板、筋、開孔及肘板的網(wǎng)絡(luò)劃分策略；利用FEM Traces實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格的進(jìn)一步控制。

2) 桁材板元化。為更好地評(píng)估豪華郵輪的局部強(qiáng)度，尤其是橫向強(qiáng)度，需對(duì)大量的甲板強(qiáng)橫梁、縱桁及舷側(cè)垂直強(qiáng)肋骨的腹板進(jìn)行板元化。

目前NAPA公司提供NAPA STEEL界面上的FEM和MGR*FEM 2種有限元網(wǎng)格劃分工具，均可實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)輸入和網(wǎng)格自動(dòng)劃分等功能。豪華郵輪項(xiàng)目采用MGR*FEM工具進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，更為快捷、方便，生成的網(wǎng)格質(zhì)量也相對(duì)更優(yōu)。

3.1 全船有限元模型輸出

全船有限元模型輸出遵照先分段輸出后整體拼接的思路（見圖3）。這樣做不僅有利于進(jìn)行網(wǎng)格控制，而且可防止全船模型整體輸出時(shí)網(wǎng)格過多引起系統(tǒng)崩潰。但是，在輸出時(shí)要注意分段的位置，并保證分組信息一致。

3.2 多網(wǎng)格模型輸出

根據(jù)計(jì)算分析的要求，需要不同網(wǎng)格大小的有限元模型，例如用于高應(yīng)力區(qū)強(qiáng)度細(xì)化分析的50mm×50mm細(xì)網(wǎng)格模型（見圖4）、用于高應(yīng)力區(qū)疲勞分析的txt精細(xì)化模型（見圖5）及用于振動(dòng)分析的網(wǎng)格尺寸為強(qiáng)框間距的粗網(wǎng)格模型（見

圖6）等。以上模型均可由同一個(gè)NAPA STEEL模型轉(zhuǎn)換得到。

圖3 全船有限元模型輸出

圖4 50mm×50mm細(xì)網(wǎng)格模型輸出

圖5 txt精細(xì)化模型輸出

圖6 振動(dòng)全船有限元模型輸出

4 結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式對(duì)比分析

在項(xiàng)目開發(fā)過程中，比較結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在效率上的優(yōu)劣，結(jié)果見表1，有以下5點(diǎn)說明：

1) 不考慮各項(xiàng)工作交疊進(jìn)行的情況，即各項(xiàng)工作在前一項(xiàng)工作完成之后方能進(jìn)行；

2) “時(shí)間（工作日）”表示單人所需工時(shí)；

3) “規(guī)范計(jì)算模型”是指在船級(jí)社規(guī)范計(jì)算軟件中創(chuàng)建可用于計(jì)算的船體結(jié)構(gòu)剖面；

4) “有限元建模”不包括多網(wǎng)格模型構(gòu)建工作；

5) 表1中所列項(xiàng)目均不包含計(jì)算分析工作。

表1 結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)效率比較

由表1可知，利用NAPA STEEL進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)所需時(shí)間不到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的1/2，主要原因在于“規(guī)范計(jì)算模型”、“質(zhì)量統(tǒng)計(jì)”和“有限元模型轉(zhuǎn)換”等3項(xiàng)工作節(jié)省了大量的時(shí)間。進(jìn)一步分析這3項(xiàng)工作的工作方式和控制工作質(zhì)量的要素，結(jié)果見表2。

表2 結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作方式和質(zhì)量要素比較

由表2可知，結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)可使設(shè)計(jì)人員完全摒棄根據(jù)圖紙信息手工建模和計(jì)算的工作方式，“一鍵式”完成“規(guī)范計(jì)算模型”和“質(zhì)量統(tǒng)計(jì)”工作。結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)將質(zhì)量控制集中在NAPA STEEL建模階段，嚴(yán)把模型質(zhì)量關(guān)，通過“一模多用”確保后續(xù)工作質(zhì)量，減少人為因素造成的錯(cuò)誤，使結(jié)果更為準(zhǔn)確。

5 結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)展望

目前國內(nèi)已有不少船舶設(shè)計(jì)院所和船廠嘗試在船舶開發(fā)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段使用NAPA STEEL，并已取得一定的成果。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)繼續(xù)探索能使NAPA STEEL結(jié)構(gòu)模型在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段發(fā)揮更大作用并進(jìn)一步延伸到生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的方法。為此，建議從以下3點(diǎn)出發(fā)開展相關(guān)研究工作：

1) 建立較為規(guī)范的結(jié)構(gòu)建模標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)在推廣三維設(shè)計(jì)之初就確立統(tǒng)一、合理、規(guī)范的建模標(biāo)準(zhǔn)。

2) 完善出圖功能。現(xiàn)階段能輸出既滿足船級(jí)社的送審要求，又滿足船舶設(shè)計(jì)院所和船廠自身標(biāo)準(zhǔn)的圖紙十分重要。通過MGR*DRAWING工具出圖之后，利用AUTOLISP語言在CAD內(nèi)部進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)一步完善出圖效果。隨著NAPA軟件全新的AUTOCAD出圖插件的推出，將繼續(xù)圍繞該工具進(jìn)行更為深入的開發(fā)，為替代傳統(tǒng)CAD提供條件。

3) 完善NAPA與TRIBON間的接口。上船院曾多次和NAPA公司就NAPA STEEL模型導(dǎo)入TRIBON的研究進(jìn)行合作，實(shí)踐證明這基本上是可行的。但需要指出的是，艏部和艉部結(jié)構(gòu)的導(dǎo)入還不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)信息缺失。應(yīng)在NAPA STEEL建模之初就考慮到將來導(dǎo)入TRIBON的可能性，有針對(duì)性地調(diào)整建模策略，盡量保證輸出之后模型信息的完整性。

6 結(jié) 語

結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)目前仍處于探索和發(fā)展階段，希望通過相關(guān)介紹給未來的結(jié)構(gòu)三維一體化設(shè)計(jì)工作提供一些有益參考。

[1] NAPA. NAPA 2015.1 Manuals[S]. 2015.

[2] 張文斌，張敏健. 超巴拿馬大型汽車滾裝船開發(fā)設(shè)計(jì)[J]. 船舶與海洋工程，2015，31 (4):1-4.

[3] 張偉，陳磊. NAPA STEEL在大型集裝箱船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 船舶，2015，31 (1): 54-58.

[4] NAPA. NAPA User Seminar China 2014 [C] , 2014.

[5] 劉智強(qiáng)，王峰，羅偉. 基于VB.NET的NAPA STEEL三維參數(shù)化船舶構(gòu)件庫[J]. 船舶設(shè)計(jì)通訊，2015 (1): 53-56.

Application of NAPA STEEL to the Development and Design of Luxury Cruiser

SHEN Tong-wei，YANG Xiao-rui，XU Xu-min，F(xiàn)AN Xiang-dong

（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China）

In order to seize the mature and effective procedures and methods for the development and design of luxury cruiser to accomplish the structural design work in a precise and efficiency way and to guarantee the safety and comfortability of the ship, this paper introduces the experience gained by Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute from the development and design of a 70000GT cruise ship using NAPA STEEL, which covers the general concept of integrated 3D structural design, structural modeling and data output, as well as the conversion from geometry model to finite element model. The advantage of integrated 3D structural design is analyzed when compared with traditional design methods. At the same time, the insufficiencies existed are pointed out and suggestions to improve the work in the future are put forward.

luxury cruiser; NAPA STEEL; integrated 3D structural design; FEM model conversion

U674.11

B

2095-4069 (2017) 05-0053-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.010

2016-03-11

沈童偉，男，工程師，1985年生。2008年畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。