基于CAA的外板骨材自動布置

鄒夢瑤，曾文源，樓鵬宇，杜文磊

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

傳統的船舶設計手段主要是基于AutoCAD的二維設計，即在軟件中繪制各類圖紙，如系統圖、布置圖、結構圖等，然后以圖紙作為送審和交付的載體。隨著數字化技術的發展，三維協同設計正成為船舶行業新的技術發展方向。法國達索公司推出的CATIA V6軟件平臺為用戶提供了較為完整的船舶設計模塊，用于船舶結構三維設計的模塊主要包括SFD(structure functional design)模塊和SDD(structure detail design)模塊。在結構方案設計和詳細設計階段，一般應用SFD模塊創建結構輕量化模型表達設計要點。在施工設計或生產設計階段，先將輕量化模型轉模為實體模型，然后應用SDD模塊在實體模型上深化設計細節。關于船體結構方案設計階段基于CATIA V6平臺的外板骨材三維設計方法，雖然CATIA V6軟件具有相對完善的三維建模能力，但是面對外板骨材創建這類在曲面上繪制定位跡線的建模場景時，建模效率較為低下；并且由于目前CATIA在結構模型檢查與設計校核等功能上較為欠缺，因此無法直接實現對外板骨材的直接布置設計。在早期建模方法中，主要是應用繪制好的肋骨型線圖輔助骨材創建。具體方法是先去掉肋骨型線圖中的標注、肋位線等冗余信息，只保留骨材跡線。然后將圖紙導入到CATIA中，沿船長方向投影至船殼曲面上，生成的投影線即為骨材布置所需參考的跡線。但是，應用該方法創建骨材存在兩個明顯的缺陷，一是CAD圖紙線條準確度不高，沿船長方向投影至船殼會導致較大的誤差，骨材布置準確性完全依賴圖紙質量；二是生成的線條可編輯性較差，無法修改投影線的光順性。為解決跡線準確性和可編輯性問題，考慮從外板展開圖中提取每根骨材跡線的空間點坐標信息，并通過CAA開發實現以系列化的空間點生成空間跡線。在CATIA中可通過對空間點的修改而間接修改跡線的光順性。此外，外板展開圖中準確表達了每根骨材的規格、范圍等屬性參數，應用屬性參數表格對骨材進行創建則可極大提高設計效率。基于以上考慮，提出基于CAA的外板骨材自動布置方法。

1 CAA二次開發簡介

CAA是組件應用架構(components application architecture)的縮寫，是達索產品擴展和客戶進行定制開發的平臺。每個應用架構(workspace)由1個到多個組件(framework)組成，每個組件又包含一個到多個模塊(module)，見圖1。

圖1 CAA架構

在CAA架構的支撐之下，達索系統可像搭積木一樣建立起來。利用CAA完全可以實現達索系統的深層次開發，而且和原系統結合的非常緊密。用戶定制化開發的工具可以和系統原本提供的工具處在同一個位置，在沒有特殊說明的情況下無法把研發的功能從原系統中區分出來，這非常有利于用戶的使用和集成。

CAA二次開發是通過提供的快速應用研發環境RADE(rapid application development environment)和不同的API (application programming interface)接口程序來完成的。RADE是一個可視化的集成開發環境，提供完整的編程工具組，包含兩個模塊：Tools和Guides，前者介紹怎樣創建運行環境、開發平臺上各個功能菜單的作用、對話框的創建等；后者介紹編程時的相關規則、不同層次的組件、編寫代碼時的一系列建議等。實際上RADE以Microsoft Visual Studio VC++為載體，在VC++環境中增加了CAA的開發工具。API 則提供了操作各種對象的方法、工具和接口，通過API可對CATIA V6平臺的各種類型的對象進行相關操作。應用CAA創建骨材主要接口及方法如表1所示，在二次開發中通過對接口的調用實現對原生功能的完整復現，從而達到通過開發取代原生功能的目的。

表1 創建骨材接口及方法

2 外板骨材創建的原生功能方法

2.1 外板骨材跡線創建

CATIA是通過Structure Functional Design App(以下簡稱SFD模塊)完成結構特征的創建，但創建結構特征所需要的幾何輸入條件依舊需要應用其創成式幾何設計模塊(以下簡稱GSD模塊)完成。通常在創建外板骨材時，首先要創建外板骨材的定位空間曲線。

目前創建外板骨材跡線主要有兩種。

1)結合二維肋骨型線圖，將CAD圖紙中的某縱骨跡線在橫剖面上的投影線導入CATIA環境中，在將此投影線反向投影至船殼，獲得縱骨空間跡線,。但此方法受限于二維圖紙精度與三維環境中船殼精度不匹配，無法保證骨材跡線的創建精度。

2)直接獲取縱骨跡線的型值點，直接在三維環境中創建依附于船殼的樣條曲線，該方法創建的跡線精度較高，但由于外板骨材數目較多，整體創建效率低下。

由此可見，目前在結構外板骨材建模中，應用平臺原生的幾何功能創建外板空間曲線存在著精度差與效率低的問題，因此很有必要應用二次開發解決這一問題。

2.2 外板骨材創建

在結構SFD模型中骨材以輕量化的幾何面片顯示，本質上是通過簡化的截面輪廓沿著某根三維跡線掃掠生成。結構三維設計人員在進入SFD模塊后，調用工具條Function中的Stiffener命令即可創建骨材，工具界面如下圖所示。首先，根據具體的設計場景，在結構類型字典中選擇所創建骨材的類型。然后，定義骨材的幾何(geometry)、限制元素(limits)、角度(angle)等屬性。最后，定義骨材的材質(material)、截面(section)、方向(orientation)等屬性。

圖2 創建骨材界面

Geometry欄中：“Plate”表示骨材所依附的板架面；“Support”表示骨材跡線的支撐對象。當Support對象為坐標系平面或自建平面時，該平面與板架面的交線即為骨材跡線。如果需要調整跡線的位置，可在Offset欄中設置平面的偏移值；當Support對象為三維空間直線或曲線時，空間線和板架面的交線即為骨材跡線。為確保交線的存在，對于平直板架，一般采用草圖中發布的空間直線作為Support對象；對于曲面板架，需要將空間線向曲板上投影，生成的投影線作為Support對象。設置完Plate和Support之后，如果需要對跡線的起始端進行修改，可在Limits欄分別設置Start Limit和End Limit。根據具體的設計場景，限制元素可選擇某個平面或者構件。在默認情況下，方向模式為“Normal to Plate”，即骨材腹板面和所依附的板架面垂直。如果Support對象為平面，可選擇“Along plane”模式，骨材腹板面與平面貼合。

通過以上操作步驟，確定骨材的位置、范圍以及腹板和依附面的角度，接著需要設置截面屬性以確定骨材的簡化輪廓。由于在項目資源庫中配置了“Material Section”表格，因此在確定骨材的材質屬性之后，即可選擇與材質相匹配的截面屬性。此外，在界面的Orientation區域中，需要設置Plate Side、Section Orientation、Anchor Point等屬性。其中，Plate Side決定了骨材在板架的哪一側，可通過“Flip”按鈕進行調整；Section Orientation決定了骨材的球頭朝向，同樣可通過“Flip”按鈕進行調整；Anchor Point精確定位型材的Support面位于型材腹板的左中右哪一側，默認選擇為“Web Side Left”，即腹板外側和理論面重合。

通過以上幾何參考對象和參數屬性的設置，即可完成輕量化骨材模型的創建。

3 基于CAA開發的骨材布置方法

3.1 必要性分析

通過對原生功能的分析，結合外板骨材的自身特點，不難發現創建外板骨材的難點包括以下4個方面。

1)需要在船殼曲面上創建所有外板骨材的三維跡線。

2)對于腹板面不垂直于依附板架的骨材，需要創建定方向的Support平面。

3)依據同一根骨材跡線，沿船長方向可能創建多根不同截面規格或方向的骨材，需要設置每根骨材的限制元素和限制元素的偏移值。

4)對于全船模型，外板骨材數量較多，無法批量創建的情況下耗時較多。

基于以上因素，如果采用原生功能創建外板骨材，則會嚴重影響三維設計的效率，因此需要通過開發實現外板骨材的自動布置，而關鍵技術點則在于骨材跡線的批量生成和依據參數表的骨材批量創建。

3.2 骨材跡線批量生成

為實現外板骨材的自動布置，需要批量生成一系列空間曲線作為骨材的跡線，創建流程見圖3。

圖3 創建空間跡線流程

3.3 依據參數表創建骨材

根據AutoCAD外板展開圖，可以獲取每根骨材名稱、位置、范圍、截面、材質等信息。為實現外板骨材的自動布置，可以將船體左舷骨材的屬性信息以參數的形式記錄在Excel表格中，表格形式如表2所示。

表2 骨材參數表

由于外板骨材的布置具有左右舷對稱的特點，因此右舷骨材的屬性和左舷同位置骨材的屬性相同，在創建右舷骨材時直接根據骨材名稱進行屬性映射。

骨材參數表中的各項參數代表含義如下。

Start Limit&End Limit：規定骨材跡線的起始位置，以船體肋位坐標面FR為參考和基于肋位面的偏移值Offset表示。其中FR欄中填寫 “--”和“++”時表示無限遠，無需設置骨材的Limit，即由跡線的長度決定骨材的長度。

Section：表示骨材的截面規格，由于二維圖紙與CATIA平臺內的型材截面規則表達形式不同，兩種形式存在相應的映射關系，可以方便二維設繪人員識別。例如，在外板展開圖中一般以P*這種簡化的形式表達，而在CATIA V6平臺中“P10”對應的截面名稱為“HP100x6_2_Large”。

Material；表示骨材的材質。

Angle：表示骨材的角度模式，如果骨材的角度模式為Normal to Plate(即骨材腹板面沿外板法向布置)，則在表格中選擇Normal，創建骨材時無需根據跡線創建拉伸平面作為Support對象；如果骨材的角度模式為Along plane(即骨材腹板面沿水平或垂直等指定角度布置)，則在表格中選擇Vertical或Horizontal，創建骨材時需要根據跡線沿水平或垂直方向創建拉伸平面作為Support對象。

Category：表示骨材類型，根據結構類型字典中的定義，外板縱骨分為船底縱骨(Shell Bot Long Stiffener)和舷側縱骨(Shell Side Long Stiffener)，根據實際情況在表格中選擇骨材類型。

批量創建骨材流程見圖4。

圖4 創建骨材流程

4 案例分析

在外板骨材自動布置技術的基礎上，利用CAA的C++ API函數，在CATIA V6平臺上開發骨材跡線批量生成工具和外板骨材批量創建工具。以某實船外板骨材布置為例，驗證該方法的有效性。

4.1 骨材跡線批量生成工具

骨材跡線批量生成工具界面見圖5。首先，加載記錄三維空間點的資源表格，生成空間跡線，且將跡線存儲在結構樹的幾何集節點中。需要注意的是，資源表中空間點的值需要按照船腫平面距三維坐標原點的距離進行調整。如果用戶不需要檢查或修改生成的空間跡線(模式1)，可以直接選擇船殼曲面，將空間跡線向船殼投影并沿中縱平面對稱，即可生成全船外板縱骨跡線；如果用戶需要檢查生成的控件跡線(模式2)，則可以先結束程序，后續以存儲空間跡線的幾何集作為輸入條件，生成全船外板縱骨跡線，見圖6。

圖5 骨材跡線批量生成工具

圖6 外板縱骨跡線

4.2 骨材批量創建工具

骨材批量創建工具界面見圖7。

圖7 骨材批量創建工具

該工具可同時滿足全船模型或分段模型的外板骨材批量創建。用戶先選擇目標外板，然后選擇存儲縱骨跡線的幾何集，再選擇本地的骨材參數表格并加載，最后點擊創建按鈕，即可完成外板骨材的批量創建。經實船測試，批量創建的全船外板縱骨110根，共耗時2 min 36 s，極大提高了建模效率。此外，骨材節點命名規范，符合設計要求，確保了設計質量。

5 結論

為實現外板骨材的自動布置，提出了具體的技術路線并應用CAA完成了設計工具的開發。通過實際應用，基于二次開發的外板骨材布置方法較以往的建模方法主要有以下幾方面的提升。

1)建模效率顯著提升，基于CAA開發方法布置骨材模型較以往方法省去了二維圖紙處理，草圖跡線繪制以及命名定義參數等復雜過程；并且CAA程序的批量運行效率也較手動建模有著極大地提升。

2)建模精度提升，根據型值點生成的空間線解決了由二維圖紙精度以及三維船殼與二維船殼跡線的精度差異所造成的誤差，生成的骨材定位跡線更加準確。

3)骨材參數定義規范化，骨材的編號、截面等信息通過表格控制使得骨材建模與命名更加的規范化，避免了手動建模所造成的的命名以及骨材參數選擇可能帶來的錯誤。

4)骨材跡線修改性強，由表格控制的骨材跡線信息與參數信息極大地方便了設繪人員對外板骨材設計的調整與檢查。

綜上所述，在對外板縱骨跡線和骨材的規格、材質等屬性進行參數化描述后，利用開發工具可快速準確地完成外板骨材的自動布置，不僅可縮短船舶設計周期，而且可提高模型的準確性，具有現實的工程意義和使用價值；同時也可為基于CATIA V6的船體結構高效建模研究提供具體的技術路徑。