船舶結構三維建模技術研究

樊榮超?錢靚?周峰

摘要：傳統的船舶工業由于技術簡單、工作環境差、勞動力密集，一度被認為是夕陽產業，并且整個造船行業較低迷，因此減少造船成本對提高我國造船行業的競爭力具有很強的現實意義。隨著計算機輔助三維建模軟件的發展，快速化和智能化的實現船體結構設計具有重大而現實的意義，可以提高船舶設計效率，加快造船進度，增強船舶工業整體競爭力。

關鍵詞：三維建模技術；船舶結構；研究探討

隨著計算機輔助軟件的快速發展，在船舶設計、建造領域已經廣泛使用三維軟件進行船舶的設計建造。傳統的二維設計漸漸被現在的三維設計所取代，成為船舶設計中的一種便捷高效的新方法。三維設計具有很多優點是傳統的二維設計所無法比擬的：能夠預估船舶分段的各種類型的鋼材使用量，能夠預估分段的焊縫長度以及焊條使用量，能夠進行分段或者局部的結構強度計算，能夠用于船舶任意肋位總縱強度的校核，能夠用于船上設備的虛擬裝配，用于檢查設備之間的干涉問題，也能夠用于Unity引擎下的艙室漫游，等等。其中，三維設計最大的優點是可以直觀的呈現產品，并且可以展現出設計者設計產品的思路，又可以非常方便的發現修改其中的不足之處。最新的船舶三維建模技術涵蓋了船舶設計、分析和計算等方面，基于船舶設計、建造和生產管理一體化的思想，逐漸開發出了許多造船集成系統，極大的縮短了船舶設計和生產的周期，提高了造船質量，促進科學管理的形成，推動了造船自動化進程。

1 船體結構三維建模系統應具備的功能

船體結構三維建模系統的開發是一個探索、研發、測試和應用的過程，應該與實際應用緊密結合，結構建模系統應該具備以下一些功能：（1）船體總體結構模型的生成，包括外殼板、甲板、內底板、橫艙壁、縱艙壁、肋板、內龍骨等各種與船體曲面相關的大表面模型的生成，即船體頂層結構的生成，能夠方便的調用曲面建模的結果；（2）具有參數化生成典型結構的功能，如雙層底、舷側分段的參數化生成；（3）具有工程數據庫，建有標準零件庫、典型結構庫，用于存儲大量標準件、典型結構，能夠有效管理；（4）能夠進行各種特征孔類建模，如各種基本開孔、貨艙開口和各種貫穿孔等各種節點的定義和建模；（5）能夠利用三維模型自動生成各種工程圖輸出；（6）能夠完成理論布置線和各種型材的設計和表達，如縱骨、橫梁、扶強材等型材；（7）方便的用戶界面，可進行各種結構建模的交互與修改；（8）能夠進行關聯定義，使所有的結構件定義都具有拓撲關聯，完成定義后，當用戶修改其中某一結構數據，相關結構自動刷新或自適應更改；（9）船體結構重量重心計算及材料表自動生成；（10）具有與其它交換數據的接口。

2 船體結構三維建模方法及整體技術

2.1 參數化設計技術

參數化設計是將原有設計中的某些尺寸，例如定形、定位或裝配尺寸定義為變量，在修改這些變量的同時由一些簡單公式計算出并改變其他相關尺寸，計算機系統根據這些新的參數自動完成產品設計。目前，參數化設計的研究范圍，己經由二維圖紙參數化設計，發展到覆蓋產品的全生命周期參數化設計除了傳統的二維圖紙、三維零件實體參數化設計外，還包括零件部件間的裝配關系、產品特征、產品模型設計等產品層次的參數化設計。參數化設計是面向系列化產品的動態設計即利用對象拓撲結構的共同特征進行設計，如二維、三維參數化設計它既保持了產品拓撲結構關系不變，又保證了相關尺寸相對可更改。參數化設計要求對象結構形狀比較定型，在船體結構中，平行中體部分的肋板、行材、肘板類等，甚至平直的雙層底都可以實現參數化設計，可以用一組參數來約定結構尺寸關系，使參數與結構對象的控制尺寸有一定的對應關系。通過約束參數的修改能夠方便地創建不同尺寸結構對象，參數化建模的關鍵在于用參數公式表格特征等驅動圖形以達到改變圖形的目的。

2.2 面向對象技術

所謂面向對象，就是包含了對象、分類、繼承、通信等方面的內容。其中，對象是客觀或是一物體或概念性東西的抽象表述，用專業的語言說，它是建立面向對象程序所依賴的基本單元種代碼的實體。面向對象技術的應用必須具有面向對象的分析方法、設計方法和思維方法。其方法實現的基本目標是使描述問題的問題空間和解決問題的方法空間在結構上盡可能一致，將問題空間進行自然分割，以適合于人們的思維方式而建立問題域的模型，從而對客觀實體的結構和行為進行模擬，使設計出的軟件盡可能直接地描述現實世界，并與人們認識相一致。它不是用計算機的術語進行描述，而是一些描述問題空間對象的定義。由此可見，復雜的船體結構設計系統開發更適合采用面向對象的設計模式，因為對于船體結構而言，可以將船體結構中的各種不同模型類型進行抽象分類，用類的繼承性建立模型的層次關系。

2.3 自頂向下技術

目前國際上的CAD系統主要支持自底向上、自頂向下和兩者兼而有之的建模設計方法。自底向上設計方法是先設計零件，然后搭積木式地進行裝配設計，逐步組合成復雜的整體。它要求設計師從一開始就要對整個模型的各個組成部分有較為清楚的了解，后期的修改要盡量少，所以該方法一般適合于傳統的機械設計。而自頂向下的設計方法是從整體模型出發然后逐步分解細化，最后才對各個零部件進行設計。由于在零部件的設計階段，它所在的部件設計已基本明確，因此，它的設計會受到整體設計的指導和約束。在進行新型船舶研制時，往往沒有可參考的船型，在設計初期缺乏可依據的資料，探索性的、模糊性的、概念性的東西較多。因此，復雜的船體結構設計應采用自頂向下的技術方法，這種思想與人們的設計思路相吻合。

2.4 面向對象二次開發技術

面向對象的二次開發，也就是將面向對象技術應用在待開發的CAD系統，從要求出發，以對象作為基本概念，通過對對象的確定、分解和分類，建立相應的對象關系圖用來分析面向對象系統。通過行為抽象和數據結構抽象，描述系統的屬性，得到由對象構成的層次結構，形成對問題領域完整的語義描述，完成CAD系統模型設計，利用一種面向對象程序設計語言（如C++）將建立的模型轉換成計算機可接受形式，完成程序編制，實現二次開發。當前，在CAD系統的開放式結構中，面向對象技術是API的主要形式，即系統的功能、數據和界面以對象的形式暴露給用戶，由于目前已有大量的面向對象的編程工具，利用這些工具開發的應用程序，可以通過對象的屬性和操作訪問及控制系統。

2.5 數據庫技術應用

參數化造型中的特征管理非常重要。利用特征進行零件設計，應預先將大量的標準特征或用戶自定義特征進行存儲，在設計階段再調入所存儲的特征，將之作為基本建模單元進行建模，再逐步輸入其它幾何信息、非幾何信息建立零件的特征數據模型，并將其存入數據庫。因此，在參數化設計過程中，數據庫顯得尤為重要。系統開發中數據庫采用ACCESS2000，它是一種簡單易學的關系型數據庫系統，采用SQL語句可以對它進行各種操作。

3 結語

在船舶生產設計中，工程人員通過結構三維數字建模技術，進行板材、型材等零件的制作，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。三維數字建模技術是造船業未來發展方向，目前大型設計單位或船廠主要是通過專業的三維建模軟件來實現的（以價格昂貴的進口軟件為主），而大量的中小型企業還停留在二維設計階段。因此用通用的三維建模軟件，經過適量的二次開發，實現船體結構三維數字建模，有較強的現實意義與較好的經濟效益。

參考文獻：

[1] 姜玲.船舶穩性三維計算方法研究及軟件開發[D].大連海事大學，2015.

[2] 戰翌婷，劉寅東.三維船體曲面模型建立方法及程序實現[J].船舶，2006（03）.

（作者單位：新大洋造船有限公司）