基于CATIA二次開發的船舶結構三維校審方法

邱雨，程哲，陳曉明，戴宇晨

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

自2015年船舶行業大規模引入CATIA V6平臺以來，由于各大總體所、總裝廠在CATIA三維設計的應用方面正處于轉型推廣期，主要研究及開發方向集中在快速建模、計算統計等方面[1-4]。對三維結構模型的校審，主要依靠人工逐個查看結構件信息、二維出圖輔助校審等原始手段來實現，對于如何高效準確、流程完整地實施三維校審，相關研究還存在較大空白。為此，考慮基于目前總體所結構三維設計的現狀，總結出與實情相適應的校審流程，并通過基于CAA架構[5-6]的二次開發工具，實現基于結構三維模型的校審。

1 校審流程

結構三維模型的校審，以設計信息的校審為核心，結合總體所船舶平面設計的流程，在兼顧部分二維校審習慣的同時，更注意對三維環境的適應性。三維校審主要包括5個環節，流程見圖1。

圖1 結構三維校審流程圖

1)模型基本信息檢查。由結構系統聯系人對結構設繪模型名稱、總段范圍、產品樹架構、權限控制等進行檢查，確保設繪模型名稱、范圍無誤，特征結構樹排布合理；另外，模型修改權限由相應的設繪人員控制，校審人員應僅具有瀏覽和批注權限。

2)制定校審計劃，搭建三維校審環境。由專業負責人或聯系人搭建結構設校審總節點，組織模型產品結構樹邏輯；制定三維校審計劃，明確校審人員、分工和時間節點，建議參照結構設繪模型總段的劃分方式進行校審分工；按照計劃創建結構校審節點，并按順序置于模型校審節點中；分配任務并通知至校審人員。

3)分段模型校審。校審人員對其負責的模型分段進行整體校審，主要關注甲板、外板、艙壁、圍壁、大開孔及各縱向連續構件的布置信息，可參考總布置圖、基本結構圖、門窗梯蓋圖進行對比檢查；另外還需關注分段縫定位，跨分段構件連接形式、開孔定義等。校審順序根據分段位置有所差異，見表1。校審過程中發現的模型問題，應及時記錄并移交至設繪人員進行修改。

表1 分段校審順序

4)板架模型校審。板架模型是CATIA結構模型中最基本的模型單元，包含板材、型材、開孔、支柱等結構特征。校審人員根據校審順序選中待校審構件后，根據其分類檢查相應的屬性，見表2。

表2 板架模型校審內容

校審過程中發現的模型問題，應及時記錄并移交至設繪人員進行修改。

5)問題閉環。設繪人員收到校審意見后，對結構模型進行修改，并在修改完畢后發起閉環，由校審人員對模型中問題重新校審直至問題閉環。

2 關鍵技術

由于CATIA平臺本身沒有專業的結構三維校審工具，原生功能的通用模型檢查模塊專業性低、運行卡頓；校審人員只能通過特征結構樹、結構建模功能機械地查看結構件屬性，定位尺寸等信息更是只能通過草圖和原生測量工具查看，校審效率低下，且對校審人員CATIA平臺使用熟練度要求較高；校審中發現的模型問題只能使用文檔統計傳遞，問題無法直接與模型關聯，導致問題難以追蹤、易遺漏，整體校審體驗較差。三維模型的質量得不到校審工作的保障，限制了結構三維設計技術深化推廣應用。要實現基于結構模型的三維校審，需要解決以下4個關鍵技術問題。

2.1 快速剖切技術

傳統的二維平面圖紙通過剖視圖的形式，將結構信息分層表達，并通過圖層、顏色、線型將設計信息進一步細分。但在三維模型中，所有的幾何和屬性信息疊加在限定的區域內，模型的視覺信息量遠大于傳統的二維圖紙。盡管包含了更加豐富的信息，卻不具備工程意義上的直觀性，阻礙了校審人員獲取、分析信息。因此必須從整船或大區域模型中，快速選取需要校審的部分船體結構，并過濾掉無關信息，滿足設計人員按照甲板、橫剖面、縱剖面、分段、區域、艙室等不同要求快速切換校審范圍的要求。

基于CAA架構開發的校審工具，通過自定義包絡體實現小范圍結構的快速提取。包絡體為六面體，界面中可按船舶坐標法、按典型剖面法、按大地坐標法3種方式設置包絡體范圍，見圖2。

圖2 快速剖切工具界面

其中船舶坐標法讀取后臺配置船舶坐標系，分別設置包絡體6個面的位置，可附加設置偏移值，主要用于艙室、區域的剖切；典型剖面法僅需設置剖面方向、位置和前后景深，即完成包絡體范圍設置，主要用于典型橫剖面、縱剖面、甲板結構的快速選取，見圖3；大地坐標法按大地坐標系分別設置包絡體6個面的絕對空間位置，效果與船舶坐標法相同。

圖3 典型剖面剖切示意

2.2 三維標注技術

設計信息的表達，大部分是通過標注實現的，如板厚、型材規格、開孔尺寸、肘板尺寸、板縫及理論線等。與二維圖紙上大量的標注信息一樣，三維校審也需要相應的三維標注，以更加直觀地表達三維設計信息。取標注對象在當前范圍內的幾何型心處，其三維標注的空間定位坐標Pi為

(1)

i∈{x,y,z},Pi∈R

(2)

式中：Bimax為當前模型剖切范圍的三向最大值；Bimin為當前模型剖切范圍的三向最小值；Bimax為標注對象空間范圍的三向最大值；Rimin為標注對象空間范圍的三向最小值。

基于CAA架構開發的校審工具，采用“三維標注+云圖”的信息表達方法，其中三維標注分為板、肘板、型材、支柱、開通、板縫線、板材金屬理論線等7類，并通過不同顏色的文本加以區分；信息云圖分為了板厚云圖、材質云圖、型材規格云圖、理論線云圖，見圖4。

圖4 三維標注與云圖工具界面

當結構件比較密集時，可以根據具體需求自由地按構件分類對三維標注進行顯示/隱藏，屏蔽多余的信息，可避免過多的標注數量造成的文本重疊問題，見圖5。標注文本本質是依附于二維平面的，為了避免在模型旋轉時影響校審人員閱讀，采用標注與屏幕平行的顯示模式。

圖5 標注分類顯示對比

信息云圖采用臨時上色法，根據讀取到的結構件信息，先根據板厚、材質、型材規格等不同的屬性將結構件分組，按照從紅→紫的順序，通過線性插值法分配好相應的顏色，再通過CAA的臨時上色接口，改變結構件的顏色屬性，見圖6 。

圖6 板厚、材質、型材規格、理論線云圖

2.3 三維測量技術

結構校審工作中一項重要的工作是檢查結構件的尺寸信息、空間位置、幾何間距等。三維測量主要包含3種需求，①測量單一構件的定位尺寸，并換算出該構件所處的船舶肋位范圍、距中范圍、高度范圍等；②測量兩個構件之間的幾何間距，并分解為沿船長、船寬、高度三向的分量；③考慮到空間中大量的視覺交點并沒有存在與之對應的幾何特征點，需要具備捕捉臨時點的能力，以提供任意點間距及其分量的測量結果。

基于CAA架構開發的校審工具，提供了單個構件測量、多個構件測量、任意點測量等多種模式。支持CATIA軟件中結構件(SFD)、空間幾何(GSD)、拓撲幾何(BRep)等多種測量對象，并讀取后臺配置的船舶坐標，換算出相對位置，見圖7。為校審人員提供了檢查結構件規格的重要補充手段。

圖7 測量工具界面

此外，傳統的二維圖紙僅包含點元素及曲線元素，而三維模型中還包含了面元素、體元素等幾何特征，點線面體重疊在一起，使得校審人員難以準確選中測量目標，因此配置了幾何分類過濾能力，減少了誤操作。

2.4 批注與匯總技術

當校審人員形成校審意見時，需要對有問題的結構件進行批注，包括文本批注、截圖說明等內容，同時記錄校審人員、批注時間、意見分類等。批注的意見應當與模型保持關聯關系，并且隨著模型一同加載。校審人員完成批注時，所有的批注應當匯總，能夠按照常見的篩選項過濾，以方便校審人員查閱。同時應當具備問題反饋能力，使得校審意見可以在設繪人員完成修改后閉環。所有的批注與反饋應當具備報表導出能力，以便留檔保存。

基于CAA架構開發的校審工具，主要包含批注和匯總兩個功能。其中批注功能可以對構件的詳細信息和關鍵幾何進行提取，并顯示在功能界面上；并將校審批注，以文本、圖片的方式記錄并保存至校審節點中，如圖8所示。文本、圖片將與模型結構件保持鏈接關系，便于隨時修改、查看。

匯總功能用于匯總整理批注信息及相應結構件，并顯示于匯總列表中，同時展示校審批注的文本和圖片信息，見圖8。

圖8 圖片與文本批注工具界面

當匯總列表中批注構件數量過多時，設校審人員可以使用篩選功能至查看一定范圍內的構件，支持按構件類型、批注類型、批注人、反饋狀態、反饋人、審查結點、模型節點進行篩選。設繪人員在完成模型修改后，可通過反饋功能對選擇的校審批注條目進行反饋，并修改反饋狀態；反饋同樣支持文本、圖片的形式，并與模型結構件保持鏈接關系，見圖9。

圖9 批注匯總與反饋工具界面

3 應用實例

為了驗證結構三維校審的效率，分別使用校審開發工具和原生功能兩種方法進行校審，在校審時間等方面進行實例測試對比。

3.1 測試模型

測試模型采用CATIA V6軟件搭建的某型船的SFD三維結構模型機艙段。該分段模型共跨越42個肋位，共2層甲板，見圖10。

圖10 測試SFD分段模型

該模型結構特征種類齊全，包含板材、型材、立柱、肘板、開孔等7 111個構件，具體數據見表3。測試分段模型數據量大小為175.8 Mb。

表3 測試模型構件數量統計

3.2 測試結果

為了體現三維校審二次開發程序的效率，對同一個測試分段分別使用原生功能及二次開發兩種方法進行對比，其中原生功能采用Design Review模塊，采用手工創建文本意見的方式記錄意見，快照功能記錄問題位置；二次開發工具則直接輸入批注意見，無需額外創建文本載體，并采用外部鏈接的形式自動關聯意見與批注對象。

分別采用兩種方法創建批注意見20條，測試結果見表4。

表4 三維校審效率對比

對比測試結果發現，二次開發校審效率相對原生功能Design Review模塊校審效率有著大幅提升。其中僅單條意見的平均批注時間從18.9 s降至11.3 s，效率提升約40%。并且，開發工具提供的批量三維標注、問題批注匯總、三維測量等功能，可以進一步提升校審人員發現問題的效率，使得整體校審工作效率提升1倍左右。此外，經實船項目10余校審人員驗證，該工具可有效減少信息提取、人工操作的出錯率，有助于提升準確性。

4 結論

船舶行業正處于二維平面設計邁向三維空間設計的巨大轉型期，設計思維及設計工具的改變，使得大量校審經驗豐富的資深設計師，難以有效地參與到三維模型的校審工作中，由此造成三維模型質量較差、設計周期延長。所總結的基于三維結構模型的校審流程，通過CAA架構的二次開發工具，以滿足校審要求為目標，通過封裝接口及重構交互界面等形式，提供結構屬性和幾何信息的快速提取與測量，以及意見批注和匯總反饋功能。總體而言，該方法及相應的開發工具能夠大幅降低使用門檻，減少校審人員的機械操作量，提升結構校審的效率。