船舶數字建模方法的對比研究

孔令琪，朱金善，閻際馳，李春男

（大連海事大學 航海學院，遼寧大連 116026）

0 引言

數字建模方法最早于20世紀60年代～70年代出現在西方國家的大學中，中國的幾所高校也于80年代初引進了數字建模方法。船舶數字建模方法是以計算機為工具，為實現某個特定的目的，通過一定的數學方法對船體進行建模。近年來隨著計算機科學的發展，數字建模方法成為廣泛應用于船舶設計與制造中的智能化建模手段。市面上的船舶建模軟件雖然眾多，但有的建模軟件對專業技術的要求較高，經濟成本高，綜合使用的性價比低。需要針對不同的研究目的，選用合適的建模方法。本文分析傳統建模方法的局限性，進一步從操作難易性、適用性等方面對SolidWorks、TRIBON、CATIA、Rhinoceros及簡易法等船舶建模方法進行分析整理，以期為業內人士選擇合適的建模方法提供一定的幫助。

1 傳統建模方法概述

船模是根據真實船舶的形狀、結構、顏色等嚴格按比例縮小制作而成的船舶模型。傳統的船舶建模方法有物模法。物模法即把實船按一定比例縮小制成模型用于實驗，由于該模型的運動狀態和原船基本相同，故可以通過一系列物模實驗推導得出實船運動的客觀規律。

隨著科學技術的不斷發展，船舶設計和生產過程越來越復雜，對效率的要求也不斷提高。僅憑實船實驗已經不能滿足高效率、低成本的船舶產品設計要求。此外，該方法在進行船舶碰撞程度模擬或某些需極端操作才能達到實驗目的的情況下還存在一定的危險。物模法按實物一定比例所制，對比原物直觀形象，物理概念清晰，但由于使用物模法進行試驗時存在尺度效應及環境問題難以模擬等局限性，要達到和實船實驗相同的實驗效果面臨很大困難；同時，該方法往往需要較大規模的場地、投入大量設備、材料和人力，投資較大，加上船模所研究的問題改變或者邊界條件改變時，往往需要局部甚至全部拆除，因而實驗的周期也會延長。數字建模方法的出現有效地解決了這一問題。數學模型的邊界條件可以隨時改變，并且在實驗中進行的危險模擬不會帶來實際損失。與傳統建模方法相比，數字建模方法具有良好的安全性、可控制性和重復性等優點，同時，受外界環境因素影響也較少，成本低，性價比高，所以深受船舶設計、制造人員的喜愛。

2 數字建模方法

2.1 SolidWorks 船舶建模方法

SolidWorks是一種通用的建模設計軟件，廣泛應用于航空航天、汽車制造及工業設計等領域，同時也適用于船舶建模，其軟件功能十分強大，上手較快，對專業建模知識要求低。在船舶設計制造領域經常利用SolidWorks軟件，在二次開發的基礎上，采用不同方法對不同船型進行建模，具體適用情況如下：

1）利用半寬水線圖放樣船體。對于船長方向方形曲率變化較大且底部平坦的肥大型船舶，例如帶有球鼻首和球尾的部分散貨船和油船，通常采用半寬水線圖放樣。在導入型線圖之前，為了減小SolidWorks在曲面建模中的復雜計算量，便于快速識別曲線，提高建模成功率，在建模前先使用AUTOCAD進行簡化，只保留必要的線條。

2）利用橫剖線圖放樣船體。對于部分小型船舶，如快艇和不具有球鼻首和球尾、底部不平且首尾兩端曲率變化小的雙體船和三體船，適合采用橫剖線圖放樣船體。這種方法的建模效率和建模質量都很高。在建模時應注意，由于在型線圖上，船首尾半段分別分布于中線的左右兩側，因此，在AUTOCAD初期簡化型線圖時只需將其中一半完成，另一半取鏡像即可，有效縮短建模周期。

3）點云建模。當船舶設計圖樣失效無法獲得時，可以使用船舶精度控制方面的儀器和軟件獲取船舶點數據，這些數量龐大的點數據簡稱點云。點云建模常用于已有產品模型，逆求設計圖樣。在點云建模中需要注意，將點云數據存于txt文件中，

x

、

y

、

z

坐標用空格分開，不同的點需要單獨成行。點云建模需啟動SolidWorks軟件中的ScanTo3D插件。

SolidWorks的二次開發雖然適用于船首、船尾復雜曲面的設計，但因為此技術對技術人員的數學基礎和程序語言應用要求很高，無法向廣大技術人員推廣。此外，SolidWorks軟件的曲面造型功能不足，并且在力學分析、工程分析等方面存在一定的缺陷。在實際工作中常把SolidWorks和AUTOCAD繪圖工具結合使用，提高建模效率，但是SolidWork與其他分析軟件的接口有待完善。

2.2 TRIBON船舶建模方法

TRIBON軟件是瑞典KCS公司設計的一種專門用于船舶建模的軟件，具有完備的設計程序和較快的處理速度，可以完成船體、棲裝的三維設計建模和繪圖工作，包含船體、生產設備、管路、基座、風道、電纜和內部棲裝等多個模塊，可利用多種方法建立三維船舶模型。

TRIBON建模系統的優點在于，數據庫可共享，便于設計人員快速訪問船舶數據信息。每個設計人員都可以看到其他設計人員作出的修改，使不同的設計人員可以平行作業，不受時間、空間限制，降低專業之間的協調成本，減小后期修改難度，提高設計質量，縮短設計周期。現階段，TRIBON各部分功能已廣泛應用于專業的船舶生產設計中，但對于需求性較低的船舶建模來說性價比較低。如果僅掌握初級建模要領，在利用TRIBON建模過程中會遇到很多困難。

將TRIBON軟件應用于我國船舶建模中，具有一定的局限性。首先，TRIBON軟件采用歐洲造船標準，在設計習慣、造船技術、設備條件及處理工藝等方面與我國存在一定的差異，無法直接用于國內船廠。其次，其系統功能局限性大，三維拓撲造型能力差。最后其數據系統封閉性極強，缺少與外部數據相連的接口，進行二次開發非常困難。例如，在對船體外板進行受力分析實驗時，由于TRIBON軟件本身不具備此項功能，所以實驗人員需從具有受力分析功能的軟件中完成受力分析工作，然后通過數據接口把實驗所得數據傳入TRIBON軟件中進行下一步操作，但目前來看，TRIBON軟件只能與CADDS5軟件系統連接，進行2個不同系統之間的數據傳輸。TRIBON軟件的系統兼容性還有待開發。

2.3 CATIA 船舶建模方法

CATIA是法國達索公司設計的一款三維建模軟件，在船舶結構設計、有限元分析及船體曲面優化方面被廣泛應用。近年來，達索公司又推出了CATIAV5三維軟件，采用混合建模技術，提高造型設計和曲面設計優化功能，為后期完善曲面光滑度提供有力幫助。

采用CATIA軟件進行建模具有以下優勢：

1）對于初學者來說，容易操作。針對初次接觸建模軟件的人員來說，一款容易理解、便于上手的建模軟件是入門的關鍵。采用CATIA建模軟件不必深究軟件各個模塊的使用方法就可以輕松進行船舶線框、曲面模型的快速設計，從而快速實現船舶三維建模，操作過程簡單、快捷、方便。

2）與傳統船舶三維建模相比，基于CATIA二次開發進行船舶三維建模，具有高效率和高精度的優點。

3）適用于涉及船舶相關計算的船舶建模。應用到涉及船舶計算的建模主要有3種情況。（1）利用CATIA軟件二次開發進行船舶相關計算，基于船舶三維實體模型，能實時觀察各個模塊計算過程中各項計算的動態過程，及時發現運算過程中存在的問題和不足之處，加以改正。（2）以三維實體模型為基礎，取代了傳統的二維插值計算方法，便于快捷地基于CATIA二次開發從船舶三維模型中提取相關計算屬性，取代了大量運用經驗公式的傳統計算方法，使結果更加接近真實值，能減少數據的測量誤差，提高計算結果的準確度。（3）相關計算操作簡便，只需在CATIA軟件的程序界面輸入船舶計算涉及的相關數據，系統便能實現船舶計算過程的自動化，與傳統的計算方式相比，能節省大量計算時間。另外CATIA的程序界面采用人機交互的方式，過程簡單，容易操作。

在船舶曲面設計方面，CATIA軟件具有強大的曲面設計功能。但該系統只提供了一個便于曲面設計的功能，最終設計成的三維曲面精確度還依賴于設計人員對船舶型線數據特點和曲面特點的了解程度。完成一個好的船殼曲面，需要設計人員豐富的實踐經驗以及使用計算機完善型線光順和曲面生成的高超技術。

CATIA并不是船舶專用設計軟件，在計算船舶穩性方面的參數有一定的局限性，因此不適用于船舶的初步設計。因其具有強大的三維造型功能和船舶結構、管系專用模塊，故在船舶、施工設計中占有較大優勢。

2.4 Rhinoceros船舶建模方法

Rhinoceros軟件于1997年由美國Robert McNeel and Gassociate公司發明，是一款專業的三維造型工具。Rhinoceros軟件可以建立、編輯、分析及轉譯NURBS（非均勻有理B樣條曲線），利用二維圖形實現三維仿真功能，具有運行條件低，造型功能強大的特點，適用于不規則的曲面、船體外板的建模，該軟件具有NURBS建模方式，同時也具備網格建模插件T-Spline，便于在工作中選擇合適的建模方式。在工作中能與3Dmax、AUTOCAD、MAYA等主流軟件完成數據對接，并且在NURBS建模方式上比3Dmax軟件更有優勢，在建模過程中始終保留NURBS數據，便于在操作過程中進行細微的修整，快速實現大面積修改工作。由于對建模數據的精度具有良好的控制性，故能通過數控手段直接制成相應的成品，廣泛應用于精工行業。該軟件安裝運行內存較小，對電腦硬件配置要求不高，對于低配置設備來講是不錯的選擇。采用Rhinoceros軟件進行船舶建模，可以在保證建模精度的同時，提高船體表面的型線光順程度。其強大的渲染模塊Flamingo可以渲染出逼真的實體效果。利用其強大的建模功能可完成表面三維數學模型的建立，可通過軟件提供的IGES、STEP等標準接口輸出，該軟件為船舶制造提供了結構設計及船體的有限元分析等功能。此外，與同行業其他昂貴的設計軟件相比，Rhinoceros軟件價格低廉，適合目前我國船舶建模的現狀。此方法在船舶建模中多作為輔助設計軟件使用，用于船體外殼的建模。

在使用Rhinoceros軟件對船體建模的時候，一般把船體外殼的曲面部分作為建模的基礎面，發揮Rhinoceros軟件在NURBS方面的優勢，用NURBS表面勾勒出船體外形，在此基礎上進行分割，直至得到需要的細節。先構造出B-zier（貝塞耳曲線），然后通過曲線的拉伸、放樣等復雜、高級的面構造法構造出B-zier曲面。

根據生產和結構的特點，船舶建模遵循由下而上、由大及小的規律。將船體的主視圖、俯視圖、側視圖分別放至相應的背景視圖中，將視圖的位置關系調整至符合建模要求，通過設置好的船舶背景圖把船體表面主要的特征曲線表示出來。為保證曲面的光順程度，在這一過程中要盡可能利用較少的控制點表示出來。利用Rhinoceros軟件進行船殼外板建模的基本步驟如圖1所示。

圖1 Rhinoceros軟件建模流程

Rhinoceros軟件也存在缺陷，該軟件不是專門針對船舶建模開發的軟件，在船體尺寸標注、線型等設置方面沒有AUTOCAD和CAXA功能強大且全面。使用此方法建模時，應特別注意與其他軟件的結合使用。另外，Rhinoceros軟件屬于非約束性的非工程類軟件，只能依靠其導出格式來進行快速成型的加工制造，因此，構建的三維實體模型會被導出格式的精度大小所影響。

2.5 簡易船舶建模方法

目前現有的主流船舶建模軟件存在專業技術要求性強、造價較高、受眾較窄等局限性，為了在滿足實驗精度要求的前提下，減小工作量，還可以采用一種簡易的船型構造方法。根據船舶資料，利用EXCEL軟件，生成標準三維點坐標，以“線”為組，將其導入AUTOCAD軟件，生成三維線框船體，對其進行區域性放樣后導入GAMBIT軟件，生成三維船體模型，具體建模流程如圖2所示。

圖2 簡易建模流程

由圖2可知，通過上述簡易方法進行船舶建模涉及到EXCEL、AUTOCAD、GAMBIT這3款軟件，使用難度較低。其中EXCEL在日常工作中使用廣泛，屬于基礎性軟件，在船舶建模過程中用于完成船舶三維坐標點的標準化；AUTOCAD是目前在各個領域被廣泛使用的繪圖軟件，經過標準化的三維坐標點，以“線”為組，在AUTOCAD軟件中執行“Spline”命令，逐組導入后生成船體三維線框模型；GAMBIT是FLUENT推出的一款面向計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱：CFD）的專業前處理軟件，包含較為全面的幾何模型構建，在將前期基于AUTOCAD軟件構建的船舶三維線框模型放樣曲面分步導入GAMBIT的基礎上，合并重復的點、線、面，經過后期處理，最終生成船舶三維實體模型。

因為船體型線密集，在選取時容易遺漏或重復，使得放樣曲面與船體真實曲面之間形成一定的誤差。因此采用此種建模方法時應注意，對于曲率變化較大的船體部分在建模時要選取相鄰2條型線；對于表面平整的船體，可在放大線框模型后，分成若干區域分步選取，生成多個放樣曲面，分段建模。

表1 5種建模方法比較

3 結論

通過對各種船舶數字建模方法的綜合考察可知，TRIBON建模方法適用于船舶專業建模，要求較高；Rhinoceros、CATIA、SolidWorks和簡易建模方法適用于初學者，其中SolidWorks和簡易建模方法可以針對不同船型選擇對應的建模方法，構建的船模可滿足基本的科研實驗要求，且操作簡單。工作人員在選擇建模方法時，可以根據本文并結合建模的不同船型和船體不同部分選擇適合自己工作任務的建模方法，以提高建模效果與效率。