基于CATIA軟件的船舶鑄鋼件三維建模方法

閆勝楠，秦 龔，仇鳳平

（滬東中華造船（集團）有限公司研發設計院，上海200129）

0 引 言

近年來，隨著船舶設計類軟件的不斷發展，三維設計技術逐漸成為提高船舶研發效率和產品質量的重要手段。在國內，基于采用CAD自主研發的SPD（Ship Product Design）和引進的Tribon、NAPA等軟件，在船舶三維設計技術研究方面取得了一些成果。但是，當前船舶鑄鋼件的設計建造仍主要采用二維圖紙實現，該方法不僅設計效率低，而且難以克服傳統二維設計中存在的視角單一、線型重疊不易分辨，以及部分區域曲面的曲率變化較大導致構件定位困難和重量估算不精確等問題。

CATIA是法國達索公司開發的CAD／CAE／CAM一體化設計軟件。作為PLM（Product Lifecycle Management）協同解決方案的一個重要組成部分，CATIA采用了先進的混合建模技術，提供了豐富的造型工具和強大的曲面設計模塊，廣泛應用于航空航天、汽車、工程建筑和消費品等領域中。目前CATIA V6版本提供了較為完善的船舶模塊，已在我國多家船廠和船舶設計院所推廣應用。隨著CATIA在我國船舶行業應用的不斷深入，考慮采用3DE平臺CATIA三維建模軟件，以船舶的艏柱鑄鋼件為例，提出一種在三維環境下設計生成船舶鑄鋼件的方法。通過對船舶鑄鋼件進行三維建模，實現船體結構與船舶鑄鋼件的協同設計，提高艏柱、艉軸管和艉軸架等船舶鑄鋼件的設計建造效率，以及這些鑄鋼件重量和重心估算的準確度。

13 000 t重吊船是一種能裝載集裝箱、散貨和特殊設備等多種貨物的多用途重吊船，其船體結構設計包含艏柱、艉軸管等鑄鋼件設計。本文以13 000 t重吊船的艏柱鑄鋼件的CATIA三維建模設計為例，介紹一種基于CATIA的船舶鑄鋼件三維設計建模方法。

1 13 000 t重吊船艏柱設計建模方法

1.1 設計準備

船舶鑄鋼件設計是船體結構設計的重要組成部分，涉及外板線型、區域甲板和肋板等構件。通常情況下，與船體結構連接的鑄鋼（或鍛鋼）的厚度，應比相鄰的船體外板的厚度增加25%～50%；艏柱與舷側外板、底部結構和底板甲板等構件牢固相連，形成水密結構；艏柱外露部分和邊緣應充分倒圓。在三維環境下，鑄鋼件的設計建模工作需以前期的船體外殼（表面）、甲板和肋板等相關結構的設計工作為依據。圖1為艏柱和艉軸管鑄鋼件CATIA建模效果圖，鑄鋼件要與其相鄰結構分段對接。

圖1 艏柱和艉軸管鑄鋼件CATIA建模效果圖

1.2 CATIA中船舶鑄鋼件設計建模的總體思路

在CATIA中，對鑄鋼件的建模與船體結構不同：由于鑄鋼件大多是表面為曲面結構的實體且其線型曲率變化較大，無法像結構板架、肘板和艙壁等結構一樣采用平面作為支持面進行建模；由于鑄鋼件的厚度不均勻，不能像外板一樣賦予其板架屬性。因此，需利用關鍵的點、線、面等信息對鑄鋼件的形狀進行控制，建模完成的鑄鋼件至少要有2個方向的剖面實現線型光順連接。

1）需調入前期工作中的船體結構文件和經過光順處理的船體外殼曲面文件，以肋位、各層甲板和平臺為剖面，建立各肋位面、甲板和平臺肋板等重要對接構件與船體外殼之間的交線，將其作為下一步鑄鋼件與外板相對接部分的骨架線（與外板曲面連接的線型），以及鑄鋼件內表面設計的輔助線。

2）需根據這些線型和結構特征將鑄鋼件劃分為不同的區域，分別對其線型和曲面進行構建。在CATIA中，曲線和曲面的生成方式有多種：可采用任意平面繪制草圖，進而向曲面投影形成空間曲線；可通過點、線、面的方式對空間元素直接求交集、剪切和偏移等，生成新元素，通過篩選對有用的元素進行重新組合，形成新的三維曲線。

3）針對生成的三維曲線，以填充或多截面曲線等方式生成船舶鑄鋼件的外表面，對該外表面形成的封閉包絡體進行填充，由此即可完成對船舶鑄鋼件結構的前期設計建模。

鑄鋼件的幾何特征主要通過GWS（Generative Wire-frame＆Surface）模塊設計。艏柱鑄鋼件設計建模流程見圖2。

圖2 艏柱鑄鋼件設計建模流程

2 CATIA中艏柱的設計建模

2.1 CAD剖面線獲取

在船體結構前期設計中，可結合線型光順的外板曲面和相關鑄鋼件的設計標準，在各水平面、肋位面和與外板對接的過渡節點對鑄鋼件進行相關設計，得到艏柱鑄鋼件水平剖面，作出艏柱鑄鋼件中縱剖面和水平面的線型，見圖3和圖4。

圖3 艏柱鑄鋼件部分水平剖面

圖4 艏柱CAD中縱剖面、水平面和部分節點詳圖

由圖3和圖4可知，根據CAD部分詳設剖面圖、部分節點圖和艏柱鑄鋼件左右對稱的特點，可創建左舷（或右舷），另外一側可作實體鏡像處理。根據圖4可得到部分典型位置的線型信息，如中縱剖面輪廓線、部分水平面截交輪廓線和與外板相交處結構形式。在中縱剖面和部分水平面，通過做草圖的方式生成部分剖面輪廓的空間曲線。

2.2 結構對接線型獲取

圖5為艏柱部分船體結構及其與鑄鋼件對接處輪廓線，艏柱位于船體球鼻艏上部區域。由圖5可知，對于該區域與艏柱鑄鋼件相連接的結構，采用Extract（抽取功能）獲得船體結構與艏柱鑄鋼件相交部分線型，將這些曲線作為艏柱鑄鋼件船體內部曲面的骨架線，通過多截面曲面（Multi-Sections Surface）將這些曲線擬合成艏柱鑄鋼件內部曲面。

圖5 艏柱部分船體結構及其與鑄鋼件對接處輪廓線

2.3 曲面的生成與修正

在獲取鑄鋼件典型剖面的線型信息和與船體結構對接部分的線型信息之后，可通過Multi-Sections Surface和填充（Fill）功能大致構建一個艏柱鑄鋼件船體內部曲面，該曲面可能存在不光順或不合理的情況，需進一步對其光順度和精度進行提升。通過截交（Intersection）功能可截取不光順部分的關鍵部位曲線（或點），調節曲線（或點）的偏移數值，對曲面關鍵的點、線元素進行修改、舍棄和添加，從而達到提升擬合曲面的不光順度的目的。在提取關鍵的線（或點）之后，要通過斷開連接（Isolate）的方式使線（或點）變為孤立的幾何元素，否則再次引用可能會引發重復引用的錯誤，陷入死循環。

2.4 封閉曲面的生成

抽取艏柱鑄鋼件區域內外板曲面的輪廓線（即圖4中的部分外板邊界線），選用GWS中的分割（Split）功能，從外板中取出艏柱鑄鋼件區域的外板面。抽取經過修正的曲面的邊界，根據圖1所示的節點鑄鋼件與外板的連接形式，在平面上做出節點草圖，并按線段（Feature）的形式分段發布。在邊界線上選取多處剖面重復類似操作，發布的Feature沿曲面邊界線掃略（Sweep），生成新曲面。利用新曲面的邊界線重復上述操作，直至按圖1所示節點的形式使艏柱鑄鋼件船體內部曲面與外板曲面相連接，形成封閉的曲面。

2.5 實體模型的生成

通過GWS中的相加（Join）功能，可將修正后的曲面、利用修正后曲面邊界線的重復掃略曲面和外板曲面Join起來，圍成一個空間型閉合曲面。在GWS中，可通過Close Surface功能，利用空間型閉合曲面生成一個實體模型。

以上生成的實體模型只是船體外板內部的部分，對于與船體外板對合的部分，以Thick Surface（加厚，厚度與該區域外板的厚度相同）的方式將在2.3節中截取的艏柱鑄鋼件區域外板曲面生成實體，并將實體部分與之前生成的曲面包絡實體Join，得到最終的艏柱鑄鋼件實體模型。

3 鑄鋼件估重、計算分析

在CATIA中，可對直接實體模型賦予密度和材料等信息，艏柱鑄鋼件為鋼結構，密度取7 850 kg／m，軟件讀取模型體積，以獲取艏柱的重量、重心等信息。這些信息可應用于后續鑄鋼件的運輸和搭載設計中。

根據《英國勞氏軍規》第1卷第2篇第4章，不允許制造或修理鑄鋼連桿，為了得到認可，應在制造廠采用建議的方法進行試驗，以證明鑄件是完好的。應進行試驗，以證實鑄件（包括曾經焊補過的區域）已具有滿足要求的力學性能。有了鑄鋼件三維模型之后，可利用該模型對一些鑄鋼件的力學性能進行模擬測試，根據試驗結果對鑄鋼件的設計質量進行及時掌握和修正，有效避免一些錯誤的產生。

4 結 語

通過對13 000 t重吊船艏柱鑄鋼件進行三維建模設計，克服了傳統鑄鋼件二維設計中存在的視角單一、線型重疊等弊端，船體鑄鋼件外型結構表達更為直觀，施工建造難度下降。同時，通過對鑄鋼件進行三維建模設計，可在設計管理上實現船舶鑄鋼件與船體結構的協同設計，避免因外板對接區域結構復雜而引發對接誤差過大和鑄鋼件重量估算誤差較大等問題，提高船舶結構整體設計的效率。利用三維建模的方式估算鑄鋼件質量，可減小采用傳統方式估算鑄鋼件質量產生的誤差，例如13 000 t重吊船艏柱三維模型質量估算結果與實際相比誤差下降10%以上，能提升企業在鑄鋼件建造報價和委托建造議價等方面的主動性，節省建造費用。

本文所述鑄鋼件CATIA三維設計建模方法能用來完成船舶鑄鋼件設計和質量估算等工作，同時能實現船體結構與船舶鑄鋼件的協同設計，有效提升船舶結構和鑄鋼件設計的準確度、表達的直觀性，具有一定的工程意義和實用價值。