面向送審的船體結構三維模型轉化數據技術研究

何麗絲，曹榮，王德禹

上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240

0 引 言

在船舶設計領域，近年來以UG NX、CATIA、FORAN 為代表的三維設計分析一體化軟件已經在國外得到廣泛應用[1]。2018 年，法國海軍集團（Naval Group）、達索（Dassault）公司和法國船級社（Bureau Veritas）聯合宣布，經過三方合作，首次利用三維送審方法完成了1 艘軍用船舶的入級，這標志著船舶三維設計應用已經進入新時代[2]。

我國船舶設計單位和檢驗單位經常使用不同的三維設計軟件平臺，目前仍處于二維送審階段。針對模型有效轉換問題，我國許多學者都進行了相關研究。陳燕凡[3]和張衍勝[4]使用STEP標準，分別實現了基于PRO/E 或SolidWorks 軟件的船體型值描述，以及TRIBON 軟件和CATIA 軟件之間的數據交換；何勝強[5]對XML 格式進行梳理，實現了TRIBON 系統向CATIA 系統的數據傳遞；李巖[6]探討了使用XML 文件導入不同三維設計軟件的技術方案，開發了船體結構強度分析軟件的接口；苗贊[7]開發了CADDS5 和TRIBON 之間的模型轉化工具；徐思豪等[8]分析了CATIA V6平臺的自動劃分網格機理，以加快CAD/CAE 一體化發展。上述工作都沒有涉及到面向送審的船舶設計模型數據，僅限于探討不同設計平臺間數據轉化問題。章志兵等[9]討論了在NX 上如何進行面向送審的建模工作，但NX 生成的模型數據量較大[10]，設計三維模型需要用戶輸入大量信息[11]，模型轉化和存儲都不方便。

為此，我們擬基于對CAD 和CAE 系統模型的數據分析，提出面向送審的船舶結構三維模型轉化的解決方案。采用XML 文件形式，給出一種簡潔、完整、可擴充的船體結構三維模型的數據存儲格式，并通過二次開發設計分析平臺的輸入接口，實現面向送審的三維設計模型轉換和分析模型生成。此外，將使用本研究提出的數據存儲方案和相關接口，在CATIA 和Partarn 平臺實現某實船艙段結構的三維設計重構與分析模型生成，實現對目標模型的規范計算和艙段強度分析，打通三維模型審圖全流程，驗證面向送審的三維詳細設計模型數據的可行性。

1 詳細設計模型數據

船體結構設計模型在不同階段會有不同的設計要求，本研究僅討論提交給船級社審查的詳細設計模型（后文簡稱“送審模型”）所需要的結構信息和數據要求。一般來說，送審模型數據包含總體數據、材料特性和結構模型數據3 部分，其中總體數據包含總體參數、艙室參數、坐標系信息；材料特性為材料自身的數據定義；結構模型則包含板架、型材和肘板等零件，各種類型的開孔信息，以及零件間的關聯關系等。本文通過以下數據記錄送審模型的相關信息。

1.1 總體數據

總體數據包括總體參數、艙室參數、坐標系信息。

總體參數有垂線間長（Lpp）、型寬（B）、型深（D）、結構吃水（Tsc）、方形系數（CB）、載重量（DWT）、水線總長（Lwl）、干舷船長（Lll）。

艙室參數包括艙室類型（Type），例如干散貨艙、液貨艙、壓載水艙、燃油艙；艙室屬性主要包括起始肋位（Start）、終止肋位（End）、貨物質量（MH），艙室的幾何信息主要包括艙頂垂向坐標（Ztop）、艙室重心坐標（XG/YG/ZG）、艙容（V）、貨艙長度（LH）、貨艙寬度（BH）、艙口圍長度（Lfs）、艙口圍寬度（Btop）。

坐標系由X，Y，Z這3 個方向坐標軸組成，需要表達各平面名稱及平面到原點的距離，即與絕對坐標的距離，和局部坐標的矢量關系。如圖1所示。其中關鍵字CoordSys 表示坐標系，Origin表示絕對坐標系，Waxis 和Uaxis 表示局部坐標，即該構件相對于絕對坐標系的矢量方向。

圖1 坐標系數據信息的表達方式Fig. 1 Expression of the coordinate data information

1.2 材料特性

在定義模型屬性時，需要先定義材料特性。如圖2 所示，材料特性包括材料等級（Material Grade）、極限應力（UltimateStress）、許用應力（YieldStress）、泊松比（PoissonRatio）、楊氏模量（YoungsModulus）和密度（Density）等。

圖2 材料特性的表達方式Fig. 2 Expression of the material characteristics

1.3 結構模型數據

1.3.1 板架數據信息

板架模型數據主要包含板架的定位面、屬性、邊界集、板縫集、子板集、筋集、開孔等數據集信息。定位面即板架所在的平面位置，可以是坐標系中的平面、絕對位置數據等實體曲面。

板架屬性數據包括板厚、材質、零件類型、水密性、板厚方向、板架名稱以及ID 編號等數據。其中零件類型是船級社要求的關鍵屬性之一，例如甲板、內底板、水密橫艙壁等信息。本研究與法國船級社共同探討，將船體零件類型進行分類，如表1 所示，法國船級社的審圖軟件會通過數據接口獲取到零件類型屬性。

表1 板的分類Table 1 Classification of plates

邊界數據集即單塊板的邊界信息集合，是板與周邊結構保持關聯關系的重要依據，邊界數據可以是坐標系平面、幾何平面、曲線曲面以及板架等。根據邊界創建的先后順序，以Limit 為關鍵字，存儲邊界數據。

板縫數據集是單塊板架上板縫的數據集合。大板上通常會有數根交錯的板縫，根據創建板縫的順序，以Seam 為關鍵字，存儲板縫數據。

子板數據集是單塊板架劃分板縫生成的子板數據集合。因此子板集中子板的數量取決于板縫的劃分。在沒有板縫的情況下，子板集中唯一的子板即是板架本身。子板數據簡單，僅僅具有邊界數據和板厚材質數據，其他數據繼承板架。

筋數據集是單塊板架上所有型鋼的數據集合。筋集僅僅表達了筋的零件號及其最基本的屬性，筋的詳細幾何信息和屬性信息會在型材的詳細數據中表達。該數據明確了板架上所包含的筋。在板上沒有型材的情況下，筋集可以為空。根據筋創建的先后順序，以Stiffener 為關鍵字，存儲筋的數據。

開孔數據集是單塊板架上開孔特征的數據集合。在板架上沒有開孔的情況下，開孔集可以為空。三維詳細設計時，創建開孔的主要方法是運用數據創建標準開孔，例如HO600x400，R300。

本研究中數據文件單塊板架的數據如圖3所示。

圖3 單塊板架的數據節選Fig. 3 Excerpt of single plate data information

1.3.2 型材數據信息

型材數據記錄型材的屬性、所在板架、定位信息（例如定位面或定位線、偏移量、軌跡線、安裝角度及方向）、端頭信息（例如兩個端頭元素、端頭連接形式）、端切幾何信息。

型材的屬性用于描述型材的類型、規格、材質、名稱等屬性數據。圖4 中給出了某一型材的實例信息。

圖4 型材數據Fig. 4 Profile data information

型材的具體類型列表可根據船型情況，做針對性的規定。根據法國船級社審圖要求，本研究將常見的型材做如下分類，如表2 所示。

船體結構中的型材不是單獨創建的，必須依附在板上，字條中的數據關聯對應板架信息。本文記錄的型材定位數據是型材的定位面或者定位線、偏移量、軌跡線、安裝角度及方向等幾何數據。型材的定位面一般以“plane”或“surface”或“curve”為基面進行偏移?！?”表示偏移方向和定位面的矢量方向相同，“?”則相反。數據表達型材的安裝角度，分為2 種情況：垂直于板架或者平行于定位面。

是型材的端頭信息。主要包括2 個端頭元素、端頭連接形式及端切幾何信息。端頭元素不可以為空，可以是幾何元素，例如曲面、平面、線，亦可以是結構對象，例如另一個型材、板。端頭連接形式分2 種，頂牢或者削斜。

端切的幾何信息有多種形式，可采用端切幾何編碼來表達幾何信息。行業尚未統一端切幾何編碼，但各大船廠都有固化的幾何編碼標準，用于定義模型。目前送審模型數據不需要定義具體的端切幾何形式，因此在送審的模型數據可不包含端切數據信息。

表2 型材的分類Table 2 Classification of the profiles

1.3.3 肘板數據信息

肘板本質上也是一塊板，既包括板厚、材質等基本屬性，也包含邊界信息。除此之外肘板數據還包括肘板類型、肘板安裝平面及偏移距離等信息。

肘板類型不同，所對應的數據也不同，因此具體數據內容根據肘板類型而定。不同類型的肘板所運用的模板各不相同，但最終通過模板和參數的共同作用，得到肘板的輪廓線。例如，KL 類型的肘板，對應的數據可以通過圖5 中的Geometry-Data 數據集進行表達，OuterContourID 是輪廓幾何線的ID 編號，Limit1 是第1 個邊界條件，Limit2是第2 個邊界條件，Length1 和Length2 分別表示2 個邊長，Scallop 表示角隅開孔數據，Geometry-Data 的具體條目根據肘板類型而定，對于其他類型的肘板，可通過擴充更多的數據條目來表述復雜的肘板。

圖5 肘板數據信息的表達方式Fig. 5 Expression of bracket data information

2 分析模型的數據

為實現面向三維送審模型的轉化，我們希望采用同一組數據信息，利用不同的接口讀取數據，能夠直接生成目標結構的有限元分析模型（后文簡稱“分析模型”）。分析模型與送審模型的結構信息和數據要求略有不同，需要對送審模型進行一定的簡化/修補處理以滿足有限元模型的要求，例如消除圓角、刪除小筋、加強筋處理、刪除小孔、孔等效。由于本研究以打通數據交換為目的，送審船級社的分析模型僅僅用于粗網格的局部強度分析，故我們在設計存儲數據與有限元軟件之間的接口時，采用XML 格式作為中間文件，接口具有模型轉換及簡化/修補模塊、劃分網格模塊、創建分組模塊等5 個功能，其中模型簡化模塊為主要功能。

2.1 模型簡化

2.1.1 針對孔的簡化

刪除尺寸較小的構件孔及穿越孔（小構件孔以及穿越孔對于結果的影響比較小。如果保留這種小構件孔，對于其周邊網格的質量會造成很大的影響）。但是，尺寸在800 mm × 600 mm 以上的減輕孔，或舭部R角大于1 000 mm 的孔應當保留（圖6）。

圖6 刪除長邊尺寸小于800 mm 的小孔Fig. 6 Deletion of holes with longitudinal dimension smaller than 800 mm

在船舶設計過程中，一般會在孔的邊界與鄰近的強框架之間保持100～200 mm 距離，這里的強框架指的是板、筋等對船舶結構強度影響大的構件。搜索與孔鄰近的強框架（如板架、筋），在孔與強框架的中間位置做適當的有限元網格細化處理。

在對孔進行簡化后或有些無法按真實情況模擬的連續開孔，其孔所屬板的面積會相應增大（比如刪除連續小構件孔）或減?。ㄖ苯觿h除一個網格單元作為開孔信息）。在某些特殊要求下，需要按照開孔面積除以整板面積的比例，適當減少或增加板厚以保證板重量不變。

2.1.2 針對板的簡化

1） 一邊圓角化的板。根據有限元簡化原則和高質量的網格需求，將一邊有圓角的板簡化成一塊直板。圖7 給出了1 塊典型的帶圓角的板簡化后的示意圖。2） T 型梁上的防傾肘板。將T 型梁上有斜度的防傾肘板簡化成直板，畫成1 個網格單元，如圖8 所示。

圖7 帶圓角的板簡化處理方式Fig. 7 Simplification of a plate with round corners

圖8 防傾肘板簡化處理方式Fig. 8 Simplification of an anti-tipping knee plate

3） 肘板。肢端尺寸小于300 mm 的肘板可以刪除，若計算之后的強度校核不滿足，則細化網格加入該地方的肘板。相對的，尺寸大于300 mm的肘板數據保留在設計模型中。

2.1.3 針對型材的簡化

1） 刪除小構件筋。根據船舶有限元分析知識，小構件筋對于結果的影響比較小，而且如果保留這種小構件筋，對于其周邊網格的質量會造成很大的影響（網格尺寸可能遠大于小構件筋尺寸，自動網格劃分器很難保證在此處進行高質量的網格劃分），因此需要在分析模型中對其刪除，如圖9 所示。

圖9 小構件筋的刪除Fig. 9 Deletion of the small dimension stiffener

2） 修補頂點不在強框架上的筋。

船舶有限元分析中，任何一個頂點不在強框架上的筋都可以認為是對分析影響小的筋，如果保留這樣的筋，對其周邊網格的質量會造成很大影響，因此可以考慮將其刪除。但是有些時候，考慮到后續建造需要，設計時在筋的頂點與幾何上連接的鄰近強框架之間留出一段距離以方便建造（如焊接）。這種筋就不能刪除，生成分析模型時需要將其自動延伸到鄰近的強框架上，同時也保證了此處的應力傳遞，如圖10 所示。

圖10 筋到鄰近強框架的延伸Fig. 10 Extension of stiffener to the adjacent main frame

2.1.4 板縫的處理

船舶設計時，通常都要求將“板縫”與強框架之間交接的地方預留距離差，目的是為了后期的制造工藝要求（焊接）以及基于可靠性考慮。直接在這種模型上劃分網格，將導致此板縫與強框架交接處出現很狹長的四邊形單元，影響計算結果。生成分析模型時需要自動將該板縫移動至強框架交接處，以保證有限元模型的網格質量，提高計算精度，如圖11 所示。

圖11 移動板縫至強框架交接處Fig. 11 Movement of seam to the main frame junction

以上所有的簡化操作都是有限元接口軟件自動完成，用戶可根據需要對軟件參數進行設定，可選擇是否刪除構件或小于多少的尺寸需要刪除等，確保生成的有限元模型符合送審要求。

3 中間文件和接口

3.1 中間文件

要實現在不同平臺間的數據傳遞，還需借助中間文件對數據信息進行存儲。對CAD/CAM 系統而言，數據傳遞多采用標準產品數據格式，如IGES，STEP 等[12-13]。但這些數據格式過于復雜，可讀性和擴展性較差。為此，本研究采用可擴展標記語言XML 格式對前文數據進行存儲?？蓴U展標記語言（標準通用標記語言的子集）是一種簡單的數據存儲語言，使用一系列簡單的標記描述數據，而這些標記方便建立。雖然可擴展標記語言占用的空間比二進制數據更多，但可擴展標記語言極其簡單,易于掌握和使用，這是我們選擇XML 格式進行數據傳遞的主要原因。

關于XML 格式表達船舶設計通用模型數據的形式可參見文獻[6]。需要說明的是，由于本研究希望能實現同一數據文件在不同平臺的模型轉化，所以第2 章中所述的分析模型的簡化處理均放入模型轉換的輸入接口中，則中間文件XML僅存儲設計模型數據。即在重構CAD 模型和轉化生成CAE 模型時使用同一個XML 文件，該文件中存儲的結構模型信息，如外形信息、材料信息、板厚與型材朝向等，都會在對應的軟件接口中讀取并繼承到重構的CAD 模型和CAE 模型中。

3.2 模型參數的讀寫接口

存儲在XML 文件中的數據，需要對應的接口才能被CAD 和CAE 軟件讀取和調用。采用如下功能模塊，對送審模型和分析模型進行讀取。

1） 設計模型導入接口。包括：板架類型參數讀寫模塊；板架支持面參數讀寫模塊；板厚、厚度偏移及厚度方向等參數讀寫模塊；板架和型材的材質參數讀寫模塊；板架邊界參數讀寫模塊；型材類型參數讀寫模塊；型材支持面參數讀寫模塊；型材規格、錨點、生長方法，球頭朝向等參數讀寫模塊；筋的端頭參數讀寫模塊；定義開孔模塊；標準開孔參數讀寫模塊。基于數據接口讀取XML 文件中的數據，自動構建CAD 板架結構，包括生成板，創建型鋼，生成開孔等。

2） 分析模型導入接口。包括：模型轉換及簡化/修補模塊；劃分網格模塊；創建分組模塊；創建屬性模塊；FEM 元素與幾何元素匹配模塊。

以CATIA 為例，運用CAA 接口CATIStrUse-CategoryMngt->SetCategory()，即可定義零件類型信息；調用CATIStrUsePanelSurf 接口對板架支持面參數進行讀寫；調用CATIStrUsePlateExtrusionMngt 接口進行板厚、厚度偏移及厚度方向等參數讀寫；運用接口CATIStrUseOpeningMngt 命令在板架上新建開孔，再調用 CATIStrUseOpening3DObject->SetIntersectingElement()定義貫穿對象，即可實現批量開孔等。

4 實例分析

按照以上的數據分析和格式說明，我們整理了某船1 個艙段模型的數據，該艙段模型包含雙層底、雙舷側、甲板、艙壁、骨材以及開孔信息和依附關系。整理的XML 文件部分數據如圖12 所示。

圖12 XML 文件部分數據Fig. 12 Partial data in XML file

4.1 設計模型轉入

使用3DE 軟件平臺上自帶接口讀入XML 文件，二次開發重構模型的接口軟件，交互界面如圖13 所示。

圖13 CATIA 二次開發接口軟件交互界面Fig. 13 Secondary developed interface of CATIA software

交互界面中的功能信息說明如下：

1） CreatePanels 功能框。功能按鈕CreatePanels用于將數據信息創建為板材模型；選項框Limit-Panels 用于選擇模型處于船舶結構中的布置方位，X表示相對平行于肋位Frame 方向，Y表示相對平行于縱骨longitudinal 方向，Z表示相對平行于甲板Deck 方向；功能按鈕LimitPanels 用于修正板材模型邊界拓撲關系；功能按鈕Create Opening用于為板材模型開孔。

2） Create Stiffener 功能框。功能按鈕Create Stiffeners 用于將數據信息創建為型材模型；功能按鈕Limit Stiffeners 用于修正型材模型邊界拓撲關系。

讀取模型信息重構模型數據后生成CATIA 3DE 軟件內的設計模型（SFD），模型的建立依靠輸入的接口軟件和少數的人工干預完成。重構的模型如圖14 所示，該送審模型數據類型和原生船舶專用設計模塊生成的模型數據一致，可采用船體結構解決方案進行進一步編輯。

圖14 重構的“送審”模型Fig. 14 Reconstructed “inspection-oriented” model

4.2 分析模型轉入

在Patran 軟件上二次開發XML 文件輸入的接口軟件，讀取模型信息，接口軟件的功能界面如圖15 所示。Import 為模型轉換及簡化/修補模塊；Mesh 為劃分網格模塊；Group 為創建分組模塊；Material 為定義材料屬性模塊；Property 為創建單元屬性模塊；Refine 可對模型進行細化。

圖15 接口軟件的功能界面Fig. 15 Functional interface of the connection software

模型的簡化/修補處理是接口軟件的重要組成部分，以接口的人機互動操作完成，避免出現“一刀切”的情況。按照2.2 節的內容，進行模型轉換及簡化/修補模塊的編譯工作，交互界面如圖16 所示。圖16 中第1 個對話框Arc/Hole 表示圓弧/孔的處理，包括生成圓弧的節點數，是否移除小孔，若移除小孔則移除長邊尺寸為多大的孔等；第2 個對話框Plate 表示對板的操作，如是否移除尺寸較小的板，可選擇根據長邊或面積的大小對板進行刪除等；第3 個對話框Stiffener 表示對筋的操作，如是否移除尺寸較小的筋，可根據筋的尺寸大小來進行篩選，是否延伸筋頂點至鄰近的強框架等；第4 個對話框Other 表示對板縫、小穿越孔等操作。

圖16 模型轉換及簡化/修補模塊交互界面Fig. 16 Interface of model transformation and simplification/mending

其中板的開孔是識別XML 文件中圓弧2 個頂點（或孔的圓心）和半徑進行幾何線的生成，用戶自定義需要在圓弧上添加多少個點來模擬圓弧以離散圓弧/孔的幾何線。圖17 以半圓、添加3 個點為例來說明圓弧/孔的生成方法。

圖17 有限元模型中圓弧/孔的生成方法Fig. 17 Generating method of the arc/hole in FEM model

由于有限元模型是離散的，所以不需要考慮構件之間的連接關系，而是依靠XML 文件中的原始坐標和局部坐標位置來定義構件的位置關系，筋模型是通過已生成的板模型單元邊界進行生成的，軟件界面如圖18 所示，先劃分板單元，再生成梁單元。圖中對網格的控制暫時提供3 個參數：網格平均尺寸、網格最小尺寸及網格最大尺寸。

圖18 板、梁單元的劃分Fig. 18 Mesh generation for the shell and bar elements

提交給法國船級社BV 的有限元模型僅僅是用于局部強度計算的粗網格模型，生成的有限元模型如圖19 所示。

圖19 生成的有限元分析模型Fig. 19 Generated FE analysis model

在CATIA 3DE 軟件和Patran 軟件中重新生成的模型質量和信息完整性都較好，在CATIA 3DE 上重構的設計模型提交給法國船級社審查，是可以在審圖軟件上識別和進行操作的。在Patran上生成的分析模型進行加載和邊界條件設定，可以進行局部強度分析計算。法國船級社基于三維模型無紙化審圖和退審工作，完成了部分規范校核、強度計算。船級社給出的審圖意見可在網站VPM 上登錄查看，與設計單位實時交互共享三維模型數據，是一種三維模型退審意見的實現方法。本研究截取了該艙段的退審意見，如圖20 所示。

圖20 法國船級社部分退審意見Fig. 20 Part of the review letter from the Bureau Veritas (BV)based on the 3D virtual model

5 結 語

本文針對面向送審的詳細設計模型數據信息和特點進行分析說明，對分析模型的數據要求和簡化處理進行闡述，并介紹了中間文件格式和接口。采取XML 文件格式，整理了某船艙段模型的數據，對CATIA 3DE 軟件和Patran 軟件進行二次開發，完成了該艙段設計模型的重構和分析模型的生成。

實現了對目標模型的規范計算和艙段強度分析，打通了三維模型審圖全流程，驗證了面向送審的三維詳細設計模型數據可行性。三維審圖可以完全實現傳統的紙質/電子版圖紙審圖的功能和目標。與傳統的審圖方式相比，設計者不需要提供紙質/電子版圖紙，僅以三維模型為對象完成審圖。

該實例表明，利用XML 文件進行數據存儲，二次開發設計分析平臺的輸入接口，可以在不同平臺上完成模型的重構和生成。XML 格式具有簡單易用、便于擴展等優點，能夠為船舶不同平臺模型間的數據轉換方式提供一種新途徑。而利用XML 文件進行數據存儲，二次開發設計平臺的輸入接口，也是實現面向送審的三維模型數據轉化一種新的嘗試。

利用本文所提出的XML 格式對模型數據進行存儲，可以在不同平臺上完成模型的重構和生成，實現不同平臺的模型轉換，達到減少設計人員重復勞動的目的。當然，模型質量和重構信息是否完整，也依賴于輸入接口編譯功能是否完整。但對于現在船舶行業三維送審模型轉化的問題，通用數據格式文件共享率更高，而且二次開發的輸入軟件接口數量相對比專用軟件接口數量少。