基于CATIA平臺的箱柱三維設計

鄔旭東，閆鳳超，湯清之,徐思豪

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

近年來，隨著集裝箱船的大型化以及超大型化的技術不斷成熟，集裝箱船載量[1]逐漸擴大，2021年由中國船舶及海洋工程設計研究院(MARIC)設計的大力神系列船型23 000 TEU已成功下水，集裝箱船的最大裝箱量在近20年的時間里擴大了近5倍[2]。隨著集裝箱在集裝箱船甲板上的堆放數量的擴大，使得箱柱上的載荷愈發復雜，對箱柱的設計如強度、質量等要求提出了更高的要求。為此，考慮基于CATIA平臺，采用CAD/CAE/CAM的設計思路，提出一種適合于箱柱的三維設計體系，目標是既滿足箱柱的有限元計算的要求，又提升出圖的準確性、易修改性，同時使箱柱設計工作更為直觀，從而達到提升設計質量，縮短設計周期的目的。

1 箱柱設計的需求

1.1 箱柱的CAD設計特點

箱柱一般布置在主甲板的兩側，主要形式分為兩類(見圖1)，一類用于支撐甲板最外側的集裝箱以及綁扎橋立柱，承擔綁扎橋立柱的反力以及集裝箱堆重，此類箱柱需要根據綁扎橋立柱的定位、箱腳的位置、船體結構的定位、甲板通道的要求等要素進行結構加強；另一類僅用于支撐集裝箱，僅承擔集裝箱堆重，此類箱柱需要根據其上箱腳的數量進行相應的結構加強。主要針對第一種同時支撐集裝箱以及綁扎橋立柱的箱柱設計展開，通過CATIA的框架設計模塊(generative wireframe&surface design，GSD)來構建輔助設計(computer aided design，CAD)模型來達成。該CAD模型能夠達成通過對于扎橋立柱的定位、箱腳的位置、船體結構的定位等外部條件的輸入，輸出一種典型的箱柱骨架形式。

圖1 箱柱的兩種類型

1.2 箱柱的CAM二維出圖特點

箱柱的送審圖紙需要達成能讓船廠直接進行生產放樣的程度，通過CATIA的結構設計模塊(structure design，SD)來構建輔助生產設計(computer aided manufacturing，CAM)模型來出圖。板材的趾端、導角、開孔、余量等，直梯、踏步、扶手等附件，船體結構的背景與箱柱的安裝定位信息在出圖過程中都需要表達出來；同時，箱柱的材料表需要精確的表達零件的件號與質量的統計，材料表需要將相同的零件歸為同一件號，并且能夠明確地區分不同件號零件之間的不同，這一點要求需要重新梳理CAM模型的結構樹，會與通過外部輸入條件產生輸出內容的CAD模型的結構樹有所不同，因此需要同時構建兩套不同的結構樹以適應CAD模型和CAM模型。

1.3 箱柱的CAE有限元計算特點

采用有限元計算(FEM)進行箱柱強度驗證。根據船級社規范要求的網格進行計算，有限元模型使用CATIA中的結構功能設計模塊(structure functional design，SFD)構建輔助送審設計(computer aided engineering，CAE)模型，CAM模型中所表示的板的趾端、導角等內容工藝內容進行簡化處理。CAM模型構建完成后可以通過CATIA中的結構模型模塊(structural model，SM)進行網格的劃分，從而導入有限元計算軟件進行強度的計算。

1.4 CAD/CAE/CAM一體化

箱柱的設計需求在傳統CAD設計的基礎上增加船級社需要的有限元計算送審CAE設計需求以及的用于輔助船廠生產設計CAM設計需求。根據設計需求，CAE模型在CAD模型上進行模型的有限元計算的簡化，如省略保證箱柱剛度的加強筋，保留能夠提供箱柱強度相關的主要板材以及貼板；而CAM模型在CAD模型的基礎上進行輔助生產設計的深化，如增加供人員登上箱柱的直梯、踏步、扶手等舾裝件，以及與生產工藝有關的趾端、導角等內容。因此CAD模型在滿足自身需要表達信息的基礎之外，還應該能具備分別轉化為CAE與CAM模型的能力[3]。合理構建能在CAD/CAE/CAM模型中進行高效切換的體系是箱柱設計的關鍵。

2 基于CATIA平臺的箱柱設計

2.1 CATIA箱柱設計思路

根據箱柱的設計特點，輔助生產設計特點以及有限元設計特點。構建基于CATIA平臺的箱柱三維設計體系。這種體系能夠做到：①根據立柱、箱腳、船體結構的定位快速生成箱柱的主框架平面；②在主框架平面上搭建定制化的構件模板以生成箱柱的骨架GSD模型；③GSD骨架模型能同時轉化為SD模型以供出圖以及SFD模型以供有限元計算。

2.2 知識驅動箱柱設計

根據以往箱柱設計經驗和知識，如對于箱腳、立柱的加強方式，構件板的朝向，船體結構對箱柱的加強，與艙口圍間的通道的距離等內容，使用CATIA中的知識工程(enterprise knowledge language，EKL)二次開發的功能來構造箱柱三維設計體系，其核心內容是將設計標準、規范經驗等特征信息建成知識庫嵌入到設計系統中，核心在于知識的推理與重用[4]。

兩類箱柱中又會細分更多小類，如隨著箱柱上箱腳的數量的增加而對應的箱柱結構加強的變更，如果為每一種小類的箱柱單獨設計一種的體系會消耗設計人員的大量時間和精力。因此使用基于EKL的箱柱三維設計體系能讓之前的設計經驗與規范，通過框架參數的修改，定制化構件的增補等方式被設計人員重復利用，從而提升設計效率。

箱柱三維設計首先根據立柱與箱腳在箱柱上的定位創建出主框架所在的平面。通過EKL快速遍歷立柱與箱腳所有的邊界，輸出箱柱的外部限制與內部限制(見圖2)，這些限制再通過與甲板上的船體結構定位的交集從而組成箱柱的主要框架平面。這是后續模型搭建的基礎。

圖2 使用EKL快速遍歷外部信息

與船體結構間的連接原則是在對齊結構已有的骨材，如整肋位處的橫向加強等的基礎上，根據箱腳或立柱在箱柱上的位置在甲板上添加所需要的結構加強。這些新添加的結構加強在工藝上需要考慮的問題有：箱柱趾端導角距離甲板上方立柱、艙壁等結構件的距離，箱柱趾端導角的朝向對新增結構加強的影響，這些新增的結構加強與已有的結構加強、船體外板間的距離是否方便焊接以及相關焊接方式。

這種基于EKL的箱柱三維設計體系可以總結為將外部信息(立柱、箱腳、船體結構的定位)通過CATIA的編程語言快速建立箱柱所需要的內部信息(箱柱主要框架平面)。隨著外部信息的更改而導致的箱柱類型的更改可以通過EKL自動對箱柱所需的內部信息的修改，實現高效更新箱柱。

2.3 箱柱的用戶自定義特征模板

箱柱中的板結構與筋構件使用的是GSD模塊中的用戶自定義特征(user defined feature，UDF)功能，將典型輸入情況的建模過程封裝成可以復用的通用性模板，從而生成箱柱的骨架模型。UDF模板具有如下的特點：①通用性，箱柱上的構件都具有通用性，將此項目中的所有構件UDF化后可以在后續的項目中繼續使用，每個構件的輸入條件有規律可循，對設計人員的需求僅是按照UDF的輸入條件重新創建或替換相應的輸入定位平面；②相對獨立性，同一個UDF模板生成的每一個構件都是相對獨立的，對于不同輸入條件的UDF模板，其結果相似但互不干涉保持獨立；③可更新性，UDF模板母版中的更改可以快速更新至每個已經由此模板生成的構件，確保由該UDF生成的構件都保持在最新狀態。

對于典型的箱柱板構件，其輸入條件為EKL通過外部信息生成的主框架平面，輸出為箱柱在這些主框架平面上的GSD骨架模型。GSD骨架模型主要包括了箱柱上的面單元、筋單元、附件的定位坐標等。以一個面板單元為例，其輸入條件為該面板單位所在的平面，上下邊界(甲板位置與箱腳所在的平面)，左右邊界(結構加強的位置)，在這個平面上創建草圖，將需要考慮的工藝細節如導角的高度(見圖3中Arch)等要素設置為控制變量。同時構建同一個面板單元的適合CAE需求的SFD模型輪廓以及CAM需求的SD模型輪廓。添加參數ModelType來控制SD模型輪廓或SFD模型輪廓，通過EKL語句按組別分類的函數來實現這兩種模型輪廓的快速變換。并將這些參數添加至UDF的特征中，同時添加其余輸出要素如此面上的加強筋定位、附件定位等至UDF的特征中。

圖3 板構件的典型UDF模板

2.4 SD模型與SFD模型的協同路徑體系

在通過EKL構建完箱柱的主要框架平面以及使用UDF模板完成箱柱的骨架模型后，便需要根據二維出圖的特點，即需要考慮現場工藝的要求，生成SD模型。同時根據有限元計算的特點，生成SFD模型，見圖4。

圖4 箱柱的SD模型與SFD模型

這兩套模型都是在箱柱的骨架模型基礎上得來的，但因為各自的特點無法統一為一個模型。SD模型與SFD模型的區別在使用性方面SD模型增加了生產設計需要的板的板厚、朝向、導圓，直梯、踏步、平臺、箱腳等舾裝附件，為實體模型；SFD模型則省略了這些與有限元計算的無關的內容，專注于強度計算本身，為片體模型。同時，SFD模型進行有限元計算的結果需要及時通過修改箱柱的主要框架進而反應在SD模型的二維出圖中，這種反饋修改最好是兩套模型同時、自動進行，以避免人工重復修改可能導致的錯誤。

根據以上特點梳理箱柱的三維設計路徑，如圖5所示。首先根據外部信息通過EKL得出一個箱柱的主要框架。在箱柱的主要框架的基礎上使用UDF建立箱柱的骨架模型。骨架模型分別轉換為SD與SFD模型，因此SD與SFD模型依靠主要框架協同更新。

圖5 箱柱協同路徑示意

根據有限元計算的結果，可以有兩種方式對箱柱進行修改。一種方式是修改船體結構的加強位置，這種修改方式即修改外部信息，需要與多專業進行協調。在外部信息進行修改之后，EKL能自動對箱柱的主要框架進行修改，SD與SFD模型也能同步進行更新，再將新生成的SFD模型進行有限元計算，迭代直至有限元計算滿足要求；另一種方式是僅修改箱柱的結構，即在應力集中處添加肘板、修改板厚等加強方式，此種方式在SFD模型中直接修改，再反饋到SD模型中。在箱柱的SFD模型通過有限元計算后，再在相對應的SD模型中增加欄桿、梯等舾裝附件。這些舾裝附件需要與外部信息進行空間關系核查，保證與艙口圍之間的通道滿足規范要求，如無法滿足通道要求則需要更改船體結構信息進行進一步的計算迭代。在完成進一步迭代后，即可以對箱柱的SD模型進行二維圖紙的出圖工作，出圖過程中的結構樹的分組采用基于CATIA V6的舾裝自制件 BOM自動生成二次開發技術[5]進行從而完成整個典型箱柱的設計過程。

3 箱柱設計實例

以某型船的箱柱設計為實際案例，展示本文提出的三維箱柱設計體系，見圖6。

圖6 箱柱設計案例示意

在一個典型箱柱模板完成之后，后續非典型箱柱的工作對于設計人員來說需要做的是復制(Duplicate)一份當前的典型箱柱模板，根據船體結構改變外部輸入信息，之后有限元計算需要的SFD模型與二維出圖需要的SD模型可以在外部輸入信息更改后自動生成，其余需要設計人員做的是調整附件的定位信息、保證二維圖紙的圖面完整性等工作量不大的任務，避免了重復性建模過程，極大地提升了設計效率以及準確性。

同時，在處理后續審圖意見的時候，設計人員可以通過修改UDF的設計母版，將需要修改的內容統一修改至UDF母版中，然后更新不同種類箱柱中相對應的UDF模板，從而將審圖意見僅通過一次修改就可以更新至所有的箱柱中，提升了箱柱后續修改的效率。

綁扎系統的疲勞計算目前由船舶設計院三維送審船級社，船級社根據相關規范連同船體結構一同進行計算。關于波浪載荷所帶來的疲勞，對箱柱提出相關要求，比如，在特定的船長(0.5～0.7L)范圍內對于大于甲板厚度1/3的箱柱需要添加最大高度為25 mm、傾斜角度小于20°的趾端。在完善相關專業分工流程及全船結構建模普及之后，箱柱的疲勞計算可以與綁扎橋，集裝箱導軌一同納入未來全船三維設計的范圍內。