2019, Vol. 51
2. 中国船级社技术研发中心，北京100007
2. China Classification Society Technology R & D Center, Beijing 100007, China
船舶工业的快速发展，使得船舶CAD技术成为缩短设计生产周期、提高产品质量和降低总体成本的有效方法[1-2].目前使用较为广泛的船舶三维设计软件主要有TRIBON、CATIA、IntelliShip、NX、FORAN等[3]. TRIBON虽解决了船舶设计中面临的主要问题，但其软件封闭性较强，三维图形的拓扑造型能力较弱[4]；CATIA自带的模板数量较少，并且没有标准数据库[5]；IntelliShip和NX生成的模型数据量较大，操作、存储不方便并且降低软件的运行速度[6]；FORAN在生成外壳时需要用户输入大量信息，建模效率低[7-8].另外，上述软件缺乏对CAE预处理和SDP校核的针对性，不满足审核流程的需求.
基于NX软件开发平台，使用NX/Open MenuScript和NX/Open BlockUI Style进行软件菜单和界面设计，利用NX/Open API语言模块进行船舶CAD系统开发[9-10].基于标准数据库[11]，通过结构建模和参数化建模方法，采用几何和数据相结合的方式描述船舶模型，使得模型数据量小且建模效率大大提高[12].同时面向审核流程，为CAE和SDP模块提供通用的原始数据模型，减少重复设计，实现数据共享.
1 船舶CAD系统体系结构 1.1 审核流程中各模块之间的关系船舶审核流程主要包括船舶CAD建模、CAE预处理、SDP校核和性能计算4部分，4者的关系如图 1.其中，CAE模块主要进行有限元网格划分和属性继承等，SDP校核模块主要进行船舶规范计算，如识别腐蚀环境，计算腐蚀余量等. CAD系统在整个审核流程中扮演模型创建与数据提供的角色，通过预处理转换，将CAD模型转换为CAE有限元分析模型和SDP校核模型.
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图 1 审核流程各模块关系 Fig. 1 Relationship between various modules of audit process |
系统采用分层设计原则，分为界面显示层、业务逻辑层和数据访问层，见图 2.
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图 2 系统架构 Fig. 2 System framework |
1) 界面显示层 提供人机交互的途径，其中视图区显示当前建模模型；通过工具栏可快速进入各功能对话框界面，进行数据输入和参数设置；自定义结构导航树用来新建和管理板架结构.
2) 业务逻辑层 主要由结构建模、参数化建模和舱室建模三部分组成，包括船舶外形、货舱区域建模、艏艉结构建模、骨材、开孔和面板等功能.其主要负责处理用户输入的请求和数据，从数据库读取标准数据，完成船舶的几何建模与数据管理.
3) 数据访问层 提供基于SQLite的标准库系统，主要包括材料库、型材库、肘板库和节点库，可通过NX图形化界面对船舶标准数据进行增删改查.标准库面向审核流程的全生命周期，提供导入和导出功能，导出的数据可供CAE和SDP模块使用，保证数据的一致性.
2 船舶结构组织管理关系船舶CAD模型由几何和数据两部分组成，几何是指板筋实体、板缝线、骨材理论线等，数据主要是指板筋属性和几何关联关系.
2.1 板架组织管理关系板架几何对应着NX中的片体(Sheet Body).板架(除外壳和甲板外)通常会以其他板架为边界而生成.如果边界板架与正在创建的板架不在同一Part下，则需要使用NX的Wave参数关联技术将前者关联到后者所在的Part，形成一个副本，导致模型数据量增大.而如果将所有的板架都放在同一Part节点下，一个板架的更新将会导致其他板架的更新，严重降低建模效率.另外，板架采用自定义特征技术创建，除Sheet Body之外，还包括创建过程中产生的中间对象，如曲线、基准平面等，而这些中间对象是CAE和SDP模块所不需要的.
为解决上述问题，系统建立3层板架模型：设计主模型、发布模型和工具模型，3者通过类型值区分，其关系见图 3，括弧内数字表示类型值.
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图 3 板架模型关系 Fig. 3 Relationship between panels |
1) 设计主模型 采用NX最新的自定义特征技术创建的板架特征(Panel)，为参数化驱动模型，是其他板架模型的设计源头.可编辑修改其参数，在未断开关联的情况下可自动引起其他模型更新，其类型属性值为1，在视图中默认被隐藏.
2) 发布模型 这是最终发布给CAE和SDP模块使用的板架模型.每次新建设计主模型时，在结构板Part下新建二级装配节点，然后使用NX的Wave参数关联技术，将主模型中的Sheet Body关联该节点下，形成发布模型，类型属性值为2.仅在设计主模型创建时才会生成对应的发布模型，所有的板架附属结构都将在发布模型上生成，见图 4.
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图 4 3种板架模型 Fig. 4 Three kinds of panel model |
3) 工具模型 当船舶结构要使用其他板结构做输入对象时，使用NX的Wave参数关联技术将后者关联到前者所在的Part.因为这些关联之后的板架结构只是用来辅助其他结构设计，并不参与CAE分析和SDP校核，所以称为工具模型，类型属性值为3.工具模型可从主模型或发布模型关联产生，在视图中默认被隐藏.
系统通过自定义结构树、NX装配树和特征树共3种导航树来管理板架结构.结构树按船体结构索引，分为型线、主船体、上层建筑及甲板室、其他区域四个部分；装配树表征装配关系；特征树展现建模历史，且结构树下的板架节点通过设计主模型与发布模型一一对应，3种导航树之间的关系见图 5.所有的设计主模型都存放在结构板.prt下，避免创建板架时的Wave参数关联问题；每个板架发布模型存放在不同的装配节点下，可与设计主模型断开关联，避免关联更新，提高建模效率；工具模型存放在对应的发布模型节点下.如图 5中所示，结构板.prt下Panel(1)“外板_C.1”为设计主模型，外板_C.1.prt下的Linked Body“外板_C.1”为发布模型，而Linked Body“舱壁板_S.3′1”则为工具模型.单击结构树下的主甲板_C.1节点，主甲板.prt特征树中的Linked Body“主甲板_C.1”高亮显示.
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图 5 3种导航树之间的对应关系 Fig. 5 Correspondence between three navigation trees |
因为板架几何在CAD模型中以Sheet Body显示，所以需要将其属性记录到板架几何中，便于后续模块使用，板架主要属性见表 1.板架几何不含厚度和材料属性，厚度和材料属性记录在板列对象中.
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表 1 板架主要属性 Tab. 1 Main attributes of panel |
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图 6 板厚度方向与板架面法向的关系 Fig. 6 Relationship between panel thickness direction and panel surface normal |
基于以上设计，在模型预处理转换时，通过对象类型和板架类型可确定板架发布模型，通过板架的附属结构属性组可获取该板架上所有的附属结构.
2.2 板架附属结构组织关系板架附属结构主要有板列、骨材、面板、开孔和节点.板列是带有不同属性的面(Face)，骨材和面板是带有属性的线，其中面板可当做骨材处理；开孔实际是根据草图拉伸得到实体，用实体修剪板架片体而来；节点在视图中是个带有属性的点.下面主要介绍板列和骨材的几何和数据管理方式.
在拟合曲面生成板架时，曲率变化较大的地方会出现分片缝，如图 7(b).划分板在产生板列(Plate)的同时还会产生板缝，其中分片缝和板缝对应NX中的边，如图 7(c).板列是为了对同一板架结构赋予不同的材料(Material)和厚度(Thickness)属性，而板缝和分片缝的存在会影响CAE网格划分的质量，在CAE分析阶段应该消除[13].因此，板列具有材料和厚度等属性数据，板缝和分片缝具有各自对应的标识，供CAE分析识别.图 7是带有分片缝的板架及板列示意图，其中P为Plate，M为Material，T为Thickness.
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图 7 板列和板缝 Fig. 7 Plates and seams |
如图 7(c)，板列属性记录在Face上，不同板列可具有不同的材料和厚度属性，水密性和板厚方向从被划分的板架继承而来，不可修改.板列主要属性见表 2.
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表 2 板列主要属性 Tab. 2 Main attributes of plate |
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图 8 骨材创建过程 Fig. 8 Process of stiffener creation |
骨材由几何和数据两部分组成，几何包括三维实体和理论线两部分.其中，三维几何只用来在CAD模型做显示，为减小模型数据量，用Sheet Body表示. CAE和SDP真正需要的是理论线，数据记录在理论线中.
划分板和开孔都会引起板架更新，板架上存在大量骨材特征，如果骨材关联于板架，那么所有骨材也随之更新，严重降低建模效率.因此，采用消参和自定义特征相结合的方法创建骨材，骨材创建过程见图 8.
1) 首先定义理论线并消参，见图 8(a)，消参可保证理论线与板架没有关联关系.
2) 在理论线起点创建坐标系，见图 8(b).型材库中草图模板均放置在坐标系的yoz面，默认以理论线起点处板架面法向为z轴(可由用户指定)，起点处理论线切向为x轴，两者右手定则得到的方向作为y轴.
3) 导入草图模板到步骤2)中坐标系，如图 8(c).
4) 以草图为截面，理论线为引导线进行扫掠生成骨材实体，见图 8(d).
骨材数据主要是骨材的材料和型材属性，记录在理论线中，提供接口供CAE和SDP模块获取，骨材主要属性信息见表 3.
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表 3 骨材主要属性 Tab. 3 Main attributes of stiffener |
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图 9 骨材锚点示意 Fig. 9 Diagram of stiffener anchor |
图 9为骨材锚点示意图，以骨材截面所在的平面为基准平面，定义理论线起点到终点的方向为理论线方向，图中
以底边舱横隔板为例，板架及其附属结构的模型见图 10. 图 10(a)是使用开孔功能在板架上创建孔结构，图 10(b)是使用系统划分板功能创建板列和板缝结构，图 10(c)是使用系统的面板功能在孔周围创建面板结构，图 10(d)是使用系统骨材功能生成骨材结构.
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图 10 板架及其附属结构 Fig. 10 Panel and its subsidiary structures |
基于上述板架附属结构组织管理方式，通过板架的附属结构属性组可获取该板架上所有的骨材、板列等结构.在模型预处理转换阶段，将所需几何和数据关联到CAE和SDP模块形成对应分析模型，结合标准数据库完成船舶的分析和校核工作.
3 船舶CAD系统应用实例传统的机械设计中，主要采用自底向上的设计方法，即先设计零件，然后进行装配，最后得到复杂的模型.而对于船舶设计等复杂工程领域，往往采用自顶向下的设计方法，先从模型的整体出发然后不断细化，最后进行零部件详细设计[14-15]，系统的建模流程见图 11.
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图 11 建模流程图 Fig. 11 Flow chart of modeling |
图 12是利用本船舶CAD系统对318000DWT超大型油轮进行建模的过程. 图 12(a)是利用系统型表面功能生成外壳和甲板. 图 12(b)是利用系统参数化建模功能生成货舱区域和艏艉结构，局部细节如图 12(c). 图 12(d)是利用结构建模功能创建板架附属结构后完整CAD模型的局部细节图.
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图 12 318000DWT超大型邮轮建模示例 Fig. 12 Modeling example of 318000DWT VLCC |
1) 本文采用几何与数据相结合的方法描述船舶模型，充分考虑审核流程其他模块需求，设计并开发了一套船舶CAD系统，在完成船舶CAD建模的同时，为CAE分析和SDP校核提供通用数据模型，避免模型重复设计.
2) 采用无厚度的几何片体表示船舶构件并提出三层板架模型，有效的降低模型数据量，提高建模效率.
3) 采用消参与自定义特征相结合的骨材设计方法，有效的提高模型更新速度.
4) 使用船舶结构为索引设计结构导航树，有效的对板架结构进行管理，符合船舶设计人员的使用习惯.
5) 基于SQLite设计面向全生命周期的数据库，实现审核流程各模块的数据共享，解决数据分散不一致的问题.
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