CATIA-V6在船舶結構設計中的應用

彭亞康，高明星，陳熠畫，徐思豪，吳兆年

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

在船舶制造業，國內外的設計方和制造方還未構建出實用化的三維設計體系，二維設計依然是船舶領域主要的設計手段。船舶是一個復雜的大型系統工程，船舶的線型復雜、構件繁多、結構尺寸各式各樣，以船舶結構為例，船舶結構擁有復雜多樣的各種形式的肘板、開孔、貫穿孔等信息，這些信息使得建模工作量相當大，而且船舶具有設計周期短、定制化程度高等特點，船舶三維設計成本居高不下，三維設計技術的應用受限。不管是從外部市場需求以及內部設計優化和提升的需求來看，三維設計是造船行業未來的發展方向，三維設計可以使目標立體直觀化[1]的特點有利于船東和市場了解設計者方案，有利于設計目標的優化與提升。CATIA在三維設計領域有著自身獨特的優勢，但考慮到船舶行業本身的特點，要想實現基于CATIA進行船舶三維輔助設計需要方法論研究以及二次開發的補充[2-3]。根據中國船舶及海洋工程設計研究院對CATIA三維輔助二維設計方法的研究與應用情況，提出基于CATIA的三維輔助設計思路，探討CATIA在船舶結構設計領域的應用。

1 基本思路

1.1 CATIA三維輔助設計基本內容

船舶三維輔助設計思路見圖1。

圖1 基于CATIA的輔助結構設計流程

在船舶設計伊始，先由總體專業確定船舶的三維骨架模型，使模型體現船東的需求、設計方案、艙室劃分、大型設備布置等信息，為技術設計做好鋪墊與接口，最重要的是確立一個協同依據。設計方可以依據骨架模型與船東進行設計方案的協商，從某種意義上來說，骨架模型就等效于合同設計階段的方案總圖與設計規格書。

確定骨架模型之后，各專業進入初步布置階段，總體專業進行危險區域劃分、防火區域劃分；通風冷藏專業布置主要通風管道；舾裝與輪機專業進行核心工作設備布置；在該階段，結構專業可以展開基本結構設計，布置主要桁材，大開孔，骨材形式，包括確定中橫剖面，還可以進行結構重量估算、水動力網格劃分、輸出二維草圖；各專業對關鍵區域的構件進行協調與確認，避免設備、結構出現干涉現象，避免后期較大的改動。

經各專業的協調確定布置模型之后便可啟動二維詳細設計，此時，各專業相對獨立地在本領域內進行詳細設計。各專業之間經過反復優化迭代，最終確定目標船的詳細設計方案[4]。在整個設計過程中，結構設計具有任務量大、設計復雜、耗時耗力等特點，各專業都需要在船體結構布置的基礎上進行設計，提高結構設計的效率對整個船舶設計有著重要意義。

1.2 輔助結構設計流程

三維模型是一個信息高度復合的對象，盡管包含了豐富的設計信息卻并不具備工程意義上的直觀性，在利用CATIA進行船舶三維建模時，首先需要對設計信息進行分層梳理，具體流程如下。

1)由總體專業構建骨架模型。骨架模型是一個幾何模型，可以作為結構專業的定位信息。

2)各專業根據骨架模型構建各專業的全船基本布置模型。基本布置模型利用空間點、線信息作為一個抽象的布置示意，起到定位形狀信息的作用。例如結構專業以大梁、縱向連續的骨材跡線、板縫布置等信息繪制基本結構圖。結構專業在此階段建立重量預估模型、水動力網格模型以及強框間距的振動有限元計算模型。

3)結構專業依據一定規則對全船進行區域劃分，并在基本布置模型的基礎上建立詳細的艙段模型，此模型可用來劃分骨材間距的有限元模型。在此階段可通過CATIA的出圖功能輔助結構專業的二維設計。

4)結構專業將其他專業需要的背景用統一屬性的線框模型在模型中予以表現，其他專業即可將這些線框直接引用至各自模型中進行協調性的修改，形成協同修改的能力。

以上建模流程與設計思路相統一，滿足并行協同的要求。可以看出前兩步是前期三維設計，第三步是建模過程，結構專業在基本布置模型的基礎上可以進行重量預估、水動力網格劃分、結構網格劃分、輔助二維出圖等輔助設計工作。

2 前期重量預估

船體的重量重心是船舶設計的重要指標，船舶前期設計階段就需要較為準確的預估船體重量，船體重量預估的準確程度直接影響到船舶設計的質量。通常以列表格清單的形式來初步預估船體每一結構件的重量，最后匯總得到船舶的重量與重心位置。這種表格清單預估船舶重量重心的方法雖然能夠初步預估船舶重量重心位置，但構件不直觀，校對審核困難。

本文基于CATIA在船舶設計前期階段的骨架模型和初步布置模型基礎上快速建立起重量重心預估三維模型，根據此模型分析船舶的重量重心位置、板材清單、骨材清單等信息。

2.1 建模要點

在前期設計階段對船體重量進行預估時要求過程快速且結果準確，這樣就必須對三維建模過程進行一些必要的簡化，且簡化過程不能影響最終結果。

重量重心預估模型只需在骨架模型和全船初步布置模型的基礎上對各板材、筋、大開孔進行賦屬性即可。為了提高效率，建模時忽略肘板和小型開孔，肘板和小型開孔可根據設計經驗附加一個余量系數，所有的大梁都以筋的形式建模。需要注意的是在對重量重心進行預估之前應該對結構件進行重復性檢驗以避免重量高估。

2.2 某型船重量預估實例分析

某型船重量重心預估模型見圖2，剖視圖見圖3。

圖2 重量重心預估模型

圖3 重量重心預估模型剖視圖

針對重量重心預估模型，可以根據需要對相應的結構進行重量、重心位置的預估，CATIA可以報表的形式輸出結構重量重心，其中全船重量、重心位置見表1。

表1詳細給出了結構重量、重心位置以及各板厚、材料的詳細清單等信息，此類清單信息便于設計者與各方進行交流。

在前期設計階段，采用CATIA建立重量重心模型預估船體結構重量重心存優勢如下：①準確度高且能直觀地核查結果；②報表信息齊全，有利于競爭市場；③相比傳統的列表格預估重量的方法，在骨架模型和初步布置模型的基礎上建立三維模型的效率較高。

3 輔助二維設計

船體結構專業常常需要繪制外板展開圖并與肋骨型線配合來確定外板接縫和外板縱骨位置[5]，CATIA在骨架模型和基本結構模型的基礎上能夠高效繪制外板展開圖。以某型船為例，利用CATIA繪制外板展開圖(見圖4a))，CATIA生成的外板展開圖包含線型信息、板縫信息、構件尺寸等信息，經在CAD中對格式再做一輪調整即可作為正式送審圖。

船體結構專業在繪制詳細圖紙時，往往是在船體外板二維剖面的基礎上進行作業，借助CATIA能夠相當高效地繪制船體外板的二維剖面圖，只需設置剖切面的位置并進行投影即可。圖4b)即為船殼的剖面圖，此圖完全滿足設計的要求。在詳細設計之前，船體結構專業往往需要搭建眾多主要結構的框架，比如在繪制橫剖面詳細圖紙時就需要事先繪制好外板、平臺、縱向艙壁等等的剖切圖，這項工作需要耗費設計者很多的精力與時間，而在三維骨架模型和基本結構模型的基礎上，借助CATIA能夠很輕松輸出二維框架圖紙作為詳細設計的基礎。以一型船為例，利用CATIA輸出橫向二維框架圖紙(見圖4c))，此圖滿足設計要求并且出圖效率十分高效。

圖4 輔助船體詳細設計案例

CATIA三維輔助二維設計的優勢不僅僅體現在出圖方面，三維模型還能增加設計人員的空間概念。一般來說，有著豐富經驗的設計人員具有空間的概念，即便面對二維圖紙也能在大腦中形成三維場景。而尚缺經驗的年輕設計人員常常沒有實船的空間概念，這樣很容易導致考慮不全面，出現設計不合理的情況。三維模型可以幫助設計人員建立很好的空間概念，使設計人員可根據三維模型了解設計所需的環境條件。

4 水動力網格

對于某些條件不滿足規范或者規范強制要求預報波浪載荷的船型，需要劃分船體的水動力外殼。在計算波浪載荷時，水動力網格常可用型值輸入或者有限元模型導入兩種途徑獲得，型值輸入生成的網格很難模擬附體以及線型變化很大的船體部分且無法控制水線附近的網格，采用有限元軟件例如PATRAN、GeniE等建立有限元模型時面臨著船體外殼離散帶來的建模困難和網格不好控制的難題。采用CATIA劃分水動力網格的方法能夠解決上述問題且效率十分高效。

針對某型船，采用CATIA建立三維水動力船體外殼模型見圖5。在進行水動力網格三維建模時，在骨架模型的基礎上對船體外殼離散的面片進行合并操作，再利用CATIA的坐標系求交生成硬線，硬線主要目的是控制水動力網格，除此之外在水線處建立硬線來控制水線處的網格質量，最終進行網格劃分即可得到圖6所示的水動力計算網格。

圖5 外殼三維模型

圖6 水動力網格

圖6中外殼內的線條為人為設置的網格控制硬線，可通過在各水線處設置硬線控制水線處的網格質量，有利于水線處的積分計算。此方法存在的優勢為：①效率高，約30 min即可得到一個完美的水動力網格；②水動力網格質量好且精確，能夠精確且高效地劃分附體、球鼻首以及尾部等線型變化很大的區域。

5 有限元建模

自從HCSR生效之后，油船、散貨船每一個貨艙段都需要進行有限元艙段計算分析[6]，超過280 m的大型集裝箱船需要進行全船有限元分析[7]。提高有限元建模效率就能極大地縮短結構設計周期，節省大量的人力。經過十幾艘船的有限元建模實踐，提出采用CATIA劃分有限元的方法能極大地提高有限元建模效率，相比通用的有限元建模軟件，在越是復雜、線型變化越大的區域，CATIA的效率越高效，甚至可以成倍提高建模效率。

除了提高效率之外，CATIA內部嚴格的拓撲、邏輯關系十分有利于模型的修改。在船體設計階段有時候會面臨結構形式改變而被迫修改有限元模型的情況，比如艙室劃分變化、平臺提升、線型改變等情形，這些改變一旦出現，在PATRAN、FEMAP等有限元軟件內修改模型將十分麻煩，而CATIA可在很短時間內解決問題。

5.1 建模要點

基于CATIA有限元建模的方法要點主要是簡化模型、局部去協同化、網格優化以及輸出修繕。

目前CATIA還無法針對有限元網格模型的需求進行自適應簡化，雖然生成有限元的幾何模型與實際幾何模型在力學性能上相同，但在局部的細節上依然存在很大的差異。需要結合簡化原則進行針對性的建模。

局部去協同化主要指船殼的去協同化。在前期設計和詳細設計階段，船殼線型經常會進行局部更新。在CATIA三維模型中，船殼作為所有構件的最底層的外部邊界，船殼更新將會帶來全船結構的更新。而每一次更新都有可能導致局部的結構對象錯誤，這將需要會花費大量的時間去修復全船結構。在更新前應當確認船殼更新是否會顯著影響結構計算，再判斷是否進行曲面更新。總之，在有限元建模過程中應盡可能規避協同導致的冗余迭代。

網格優化是指在結構建模過程中人為的設置硬線硬點來控制網格的質量，以便生成更符合計算需求的網格劃分區域。人為設置硬點硬線的方法有很多，例如可以在三維模型中增設特殊屬性的假想板和假想筋，且這些單元可根據其特殊屬性進行分組刪除。

目前CATIA輸出骨材間距的有限元網格很難一次性能達到有限元直接計算的要求，這其中既存在人為的因素也存在軟件自身的因素。在實用過程中，CATIA保證了大部分的網格主體能夠被快速劃分，并輸出網格文件。輸出修繕指的是結合專業有限元軟件局部修繕模型，例如影響網格質量的小開孔、局部板縫線等局部信息可不在CATIA中進行建模，這些局部細節可在PATRAN、FEMAP、GeniE等專業有限元軟件中進行修繕。CATIA在主構件高效與協同建模方面可與專業有限元軟件在局部細節處網格處理優勢互補。

5.2 案例分析

CATIA僅提供了建模平臺，但建模的方法各式各樣。相比于PATARAN、FEMAP、GeniE等常用有限元前處理軟件，在正確使用CATIA的情況下，對于越是復雜、線型變化越劇烈的區域，CATIA的建模效率越是高效，建模案例見圖7。對于含有線型變化的艙段來說，在同等網格質量的情形下，采用CATIA的有限元網格劃分方式所花費的時間成本只有采用PATRAN劃分有限元網格方法的60%左右，可有效地提高建模效率。

圖7 有限元建模案例

6 結論

1)提出基于CATIA三維輔助二維設計流程思路與流程，實現各專業協同設計，提高船舶設計效率。

2)在結構設計初級階段，基于骨架模型和初始布置模型搭建的三維結構模型，能夠迅速且準確地預估出船舶重量和重心位置，便于指導船舶重量控制；基于此模型可以快速導出復雜的二維圖，如外板展開圖、橫向框架圖等，可以更好地輔助二維詳細設計。

3)基于CATIA人為設置硬線控制外殼網格的策略，能夠保證外殼離散網格的質量，可有效解決其他軟件外殼建模困難及網格不易控制的難題。

4)歸納了CATIA高效結構建模的要點。實踐表明，結構模型越復雜，CATIA建模效率越高。