基于CATIA的非常規FPSO快速建模方法

李夢偉

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

非常規FPSO的結構形狀特殊，其并非常規船體形狀，而是呈圓筒形狀；圓筒狀FPSO較常規型FPSO更具經濟性，具備更強的抗傾覆能力和甲板承載能力，更滿足于海上工作的深度要求，因此，圓筒狀FPSO更具實際應用價值［1-3］。不過，由于其各層甲板與水平桁上骨材的布置不同于傳統船型橫骨架或縱骨架式的布置，主要呈輻射狀發散式分布，也進一步加大了骨材定位的難度。如果按照傳統通用軟件的常規建模方法進行建模，會無形中產生大量不必要的重復性工作，增加前期建模工作量，并且傳統建模軟件建立的模型，不能保證模型內部板之間、骨材之間的關聯性及屬性可繼承性，既不利于前期建模，也加大了后期修改模型的難度及工作量。因此，非常規FPSO建模就不能拘泥于常規建模流程，而需要有針對性地建立一套高效的建模方法。

CATIA作為現有功能強大的可協同設計三維軟件，其結構三維設計建模與常規的幾何三維設計建模的思路不同，其三維設計建模的過程實質為特征化建模，用戶根據可視化的全船參考坐標面集，將船舶結構設計中的板、筋等構件的特征庫模型從單一的模型資源庫中調用出來，并設計布置其具體的形狀和位置。

目前，CATIA應用于船舶領域仍處于初期，但也已經取得一些研究成果，如：樓濤與包騰飛［4］基于CATIA二次開發的拱壩快速建模方法，通過讀取模型參數，自動生成草圖與構建實體，實現批量化建模，有效提高建模效率。龔丞等［5］提出一種基于CATIA的船體外板板架方法，簡化重復性建模工作，可快速生成與修改外板板架，高效完成船體外板結構三維設計。盧雨等［6］基于CATIA與CAD的二次開發，量取船體各型線型值轉換為三維坐標點，快速建立三維型線，生成船體曲面，實現船體快速建模。陶毅等［7］利用CATIA原生功能，提出合理的總體參照搭建方案和三維建模應用方法。柳夢源等［8］基于調用CATIA的建模模板，可通過修改預設參數進行快速變換，實現快速構建貨艙區結構模型。

前述研究成果對于船體結構快速建模具有一定借鑒意義，但以上研究主要側重于利用CATIA完成傳統船體結構設計，而本文研究的非常規FPSO呈圓筒狀，結構不同于常規船型。因此，本文考慮從解決圓筒型FPSO骨材定位繁瑣，骨材結構關聯性及屬性可繼承性等問題出發，基于CATIA平臺，提出一種運用工程模板概念的快速建模方法。這種方法主要通過建立局部母體工程模板，可嚴格保證旋轉復制后板之間、骨材之間的關聯性及屬性可繼承性，從而減少不必要的重復性建模工作，可有效提高前期建模效率，同時降低后期模型修改難度及工作量。

1 傳統建模方法

針對本文提到的非常規FPSO圓筒模型，列出以下幾種軟件及其應用的傳統建模方法。

1.1 通用軟件FEMAP、NAPA Designer

利用FEMAP軟件、NAPA Designer軟件來建立圓筒型FPSO模型，其建模方法主要是根據建模人員建模習慣，建立不確定量的部分結構后，進行一般性的旋轉復制完成圓筒FPSO模型建立。然而，這樣復制得到的結構模型是不帶屬性的，需要再重復賦屬性的工作，建模工作量較大。并且，由于模型骨材之間互不關聯，若后期需要修改，則必須逐一進行修改調整，因此后期修改的難度較高，工作量較大。

1.2 基于CATIA的直接旋轉SSY法

基于CATIA的3D EXPERIENCE平臺，比較直觀地可以采用直接旋轉結構系統節點法（Structure System，SSY）建立圓筒型FPSO。所謂直接旋轉SSY法，其中SSY是指一個節點集，其包含了所需建立的模型；而直接旋轉SSY是指，將最先建立的SSY節點作為母體，復制建立多個SSY節點，然后根據需要，分別按相應角度進行旋轉，即完成另一部分圓筒模型建立，通過重復同樣步驟，可得到所需旋轉角度的多個SSY節點，然后將其統一放置于一個產品集下，即完成圓筒FPSO模型的建立。但這種方法的缺點在于，得到的每個SSY節點是各自獨立存在的，互不關聯，且由于多個SSY節點存在，模型容量會變得很大，同時會加大后期統計模型重量重心的難度。

2 基于CATIA的非常規FPSO快速建模方法

2.1 工程模板法

工程模板法思路是在指定的建模區域及約束范圍條件下，建立獨立的個體模型，然后將個體模型作為母體模板進行批量調用，這種方法一般常運用于建立類似如舾裝設備種類繁多的小樣模型中。

2.2 基于CATIA的非常規FPSO快速建模方法

2.2.1 基于CATIA的非常規FPSO快速建模方法依據

圓筒型FPSO的骨材數量眾多，且呈輻射發散狀，建模定位繁瑣，按照常規建模方法會產生較多如參考面定位、賦屬性等重復性工作，耗時費力。基于前述2.1節中工程模板法建立的個體模型具有獨立存在這一特點，同時考慮到圓筒型FPSO的各層結構甲板、水平桁及輻射艙壁仍存在一定結構對稱性；因此，這時依據工程模板法思路，建立局部結構模型，將該部分模型作為母體模板，進行批量旋轉復制，一方面可以減少建模的重復性工作，另一方面保證結構骨材之間的關聯性，骨材屬性的可繼承性，進而大大提高建模效率。

2.2.2 基于CATIA的非常規FPSO快速建模流程

在基于CATIA的3D EXPERIENCE平臺中，以圓筒型FPSO的主甲板為例，觀察到其存在一定的結構對稱性，僅需建立主甲板的1/8作為母體模板。具體建模流程如下：

（1）建立定位參考面

直接調用事先外部參考面自動生成小程序，輸入參考面個數及等分角度即可生成所需定位參考面，如圖1所示。

圖1 生成定位參考面

（2）繪制母體模板草圖

繪制1/8的甲板結構草圖，并建立約束，其中注意骨材之間的約束必須嚴格介于0° ～ 45°的扇形區域內，同時不能引用非公共部分進行約束，這主要是為了確保批量旋轉復制后，甲板上的骨材能旋轉到正確的位置，同時保證骨材之間的關聯性。母體模板草圖如圖2所示。

（3）建立母體模板SFD模型

根據母體模板草圖及骨材尺寸信息，建立如下頁圖3所示的母體模板SFD模型，并將SFD模型、母體模板草圖及同一區域參考面整合到一個幾何文件集內，方便下一步進行旋轉復制。

圖3 建立母體模板SFD模型

（4）母體模板的旋轉復制

復制母體模板的幾何文件集，根據需要旋轉的角度，更換草圖區域中用于約束的起始參考面與終止參考面（如：旋轉45°，起始參考面由0°面更換為45°面，終止參考面由45°面更換為90°面），最好同樣替換SFD模型板的邊界，與前述參考面更換形式一致，即完成母體模板的旋轉復制過程。具體旋轉過程如圖4與圖5所示。

圖4 母體模板草圖的旋轉復制

圖5 母體模板SFD模型的旋轉復制

3 CATIA模型與通用軟件模型對比

3.1 快速建模法與直接旋轉SSY法的兩種圓筒模型對比

同樣是基于CATIA建立圓筒模型，對比圖6與圖7兩種方法建立的圓筒模型，可以發現：

圖6 直接旋轉SSY法建立的圓筒模型

（1）直接旋轉SSY法

雖然建立模型速度較快，但需要形成多個SSY節點，導致模型容量變大，且旋轉前后模型肉眼上板與板之間處于相互連接上的位置，但實際上相鄰部分互不關聯，導致后續加大了對整體模型進行重量重心統計的難度；當需要修改模型時，也必須往復切換多個SSY節點，大大增加了不必要的工作量。

（2）快速建模法相比于直接旋轉SSY法，由于快速建模法建立的母體模板規則嚴格，旋轉后模型的骨材定位約束具有可繼承性，旋轉前后模型相鄰部分也具有關聯性，亦可方便后續一次性完成模型的重量重心統計工作，修改模型也只在一個SSY節點中進行，節省大量工作時間。

3.2 快速建模法圓筒模型與通用軟件圓筒模型對比

將基于CATIA快速建模法分別與FEMAP軟件、NAPA Designer軟件建立的圓筒模型進行對比，參見圖7至下頁圖9，可以發現：

圖7 快速建模法建立的圓筒模型

圖9 NAPA Designer軟件建立的圓筒模型

（1）采用FEMAP軟件、NAPA Designer軟件建立的圓筒模型同樣主要通過旋轉復制完成模型建立，存在一定劣勢。一方面，旋轉復制后的骨材需要重新賦予屬性，重復性工作較多；另一方面，兩者建立的模型骨材之間不存在約束關聯，即當骨材位置及尺寸發生變化需要修改時，相鄰骨材不能同時進行調整，需要逐一進行修改或重新定位，修改工作量巨大。

（2）基于CATIA快速建模法的圓筒模型是以母體模板為基礎旋轉復制而成的，旋轉復制后相鄰板與板之間，結構骨材之間都具有約束關聯性，并且板與骨材的屬性具有可繼承性；后期若需修改模型時，僅需修改要調整的骨材，其余部分會跟隨自動調整，大大減少了前期建模工作量與后期修改工作量，降低了后期修改模型的難度。

圖8 FEMAP軟件建立的圓筒模型

4 結 論

通過本文基于CATIA的非常規FPSO快速建模方法研究，可以得出以下結論：

（1）基于CATIA的快速建模法建立圓筒模型是可行的，且可減少不必要的重復性工作，節省大量前期建模時間；

（2）相較于直接旋轉SSY法，基于CATIA快速建模法建立的圓筒模型容量更小，方便進行重量重心統計，可保證相鄰板與板之間的關聯性；

（3）相較于傳統通用軟件，基于CATIA快速建模法建立的圓筒模型，前期建模效率更高，且可保證旋轉復制后相鄰板、骨材之間的關聯性以及屬性的可繼承性，大大降低后期修改難度與工作量。