船舶三维一体化设计的探索和尝试

2013-09-22杨晓锐沈童伟

船舶设计通讯 2013年2期

袁俊杨晓锐沈童伟

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

工信部“十二五”重大科研项目“三维数字样船的信息集成技术研究”的深入开展让船舶业界感到三维一体化设计已经触手可及。事实上，这一方法很早就被业界公认为引导未来船舶设计手段的主流方向。直观、快速、差错率小是三维一体化设计受到青睐的主要原因。上海船舶研究设计院（上船院）作为国内较早接触三维设计的设计单位之一，已经形成了关于三维一体化设计的思路，即利用优秀三维设计软件间的接口，打通基本设计、详细设计和生产设计三个设计阶段，做到设计信息数据的共享和及时反馈，达到提升设计质量的目的，先后引进了NAPA、NUPAS、CADMATIC等软件，已在多型散货船、客滚船和LNG船上应用，获得了良好的效果。

1 基本设计阶段三维设计

1.1 设计任务及软件介绍

基本设计阶段，设计者主要确定船型的主要性能指标，满足主要布置要求，完成主船体的结构布局及相关的计算。在此过程中主要使用NAPA软件进行性能计算和结构建模，以及采用船级社软件的规范计算。后者为大家所熟悉，因此不再赘述，笔者主要介绍一下NAPA软件及其常用模块。

NAPA软件是由著名船舶软件开发公司NAPA Oy Finland独立开发、销售并提供技术支持的一套船舶设计软件。其内部包含的系统和模块众多，功能各异。比较常用的主要模块包括线型设计、船体建模、性能计算和结构建模等。

1.1.1 线型设计

NAPA软件生成船体线型的途径多样，直接设计、母型转化、参数化设计等都是经常被选用的方法。利用几何模块（GM），对型线进行初步定义后，可以在线型编辑（Hull Surface Editor）模块中对初步型线进行光顺以达到线型设计要求。此外，NAPA内置有多种数据接口，可以与其他软件的型线数据互相调用，用于进一步的计算和优化。

1.1.2 船体建模

生成船型之后，为了后续计算和结构建模需要对船体进行分舱、总布置等操作。整个过程可以在船型模块（SM）下实现，且操作过程可二维、三维可视化，非常直观。

1.1.3 性能计算

这是NAPA软件中相应模块数最多的部分，为设计者提供了包括船舶静力学、船舶动力学、操纵性和耐波性等在内的几乎所有船舶总体性能方面的计算分析功能。其中，诸如静水力模块（HD）等基本计算模块，只要船舶设计人员将船型外壳直接导入这些模块中便可得到计算结果；而像涉及稳性（Stability）和安全性（Safety）的各类计算模块，NAPA更是长期以来都受到各船级社和海事单位的认可，并被部分船级社采用，具有较高的权威性。

1.1.4 结构建模

船体结构模块（ST）是NAPA Oy Finland在1998年开发的，在整个NAPA软件中是和船型模块（SM）并立的两大专业模块之一。在基本设计阶段，它的主要功能是为船舶结构设计提供一个快速、直观、有效的三维建模工具，以此获取初步的空船结构重量重心数据。2010年起，为了突出NAPA在前期结构设计中的快速反映能力，NAPA Oy Finland逐步开始针对散货船、油轮、集装箱船开发相应的Manager模块。Manager模块是NAPA软件中集合多种功能，如建模、计算、输出等为一体的综合性模块。其中部分Manager模块由NAPA Oy Finland提供，用户也可根据自身需要进行个性化的Manager模块定义。例如在Bulk Carrier Manager中，用户可以根据中横剖面上的信息在Manager中输入相应的数据，即可获得目标船的平行中体段模型，再进入ST模块界面对其进行编辑。通过这一举措，NAPA摒弃了以往单一的结构建模模式，向参数化建模迈出了重要一步。

1.2 设计的基本流程

NAPA建模与其他软件有着明显不同。它一切均以数据库对象为核心，图形只是对象的外在显示。NAPA的建模思路是由浅入深，以便于设计者尽快掌握整个建模流程。NAPA认为，船体舱室是由各个无限扩展的面（Surface）所围成的，其上的板材则就是从这些面上截取下来的面的对象（SO）。进一步分，面是由线（Curve）包围起来的，线又是由点（Point）构成的。根据以上的思路，设计者就可以按照从点到线到面，再由面到面的对象或舱室的顺序编写命令来实现从总体到结构的建模。NAPA软件操作具体流程如图1所示。

图1 NAPA软件操作基本流程

2 详细设计阶段三维设计

在详细设计阶段，设计者主要完成船上的一系列布置，使其满足使用和强度上的要求，最终生成图纸送审。在这一阶段，总体、结构、舾装、轮机、电气的设计工作互相依存交错，模型要求更好的完整性和精确度。因此，在这一阶段，设计者需要既能满足本专业设计精度，又能延伸到其他专业的设计手段。在这里，笔者向大家介绍两组软件组合。

2.1 软件介绍

在结构建模方面，NAPA ST模块可以承接基本设计阶段的相关数据进行更进一步的设计和建模（见图2），并用以出图和制作材料清册。值得注意的是，通过ST模块中的有限元（FEM）控制表格和2012版NAPA软件中新开发的FEM Manager模块，设计者可以对任意部分结构模型，甚至是全船结构模型进行网格划分后，直接导出至PATRAN软件进行有限元分析。如今，随着船舶大型化和协调共同规范（HCSR）实施的日益临近，全船有限元分析将成为衡量结构设计水平的重要依据，NAPA ST模块为全船建模提供了一条快捷、准确的途径。

图2 NAPA ST结构三维效果图

除此之外，上船院于2009年引进了NUPAS软件。NUPAS软件是由荷兰NUPAS公司开发的专业船舶三维设计软件，可用于详细设计和生产设计，在欧洲的众多船厂被广泛使用。

NUPAS可以完成各种形式的结构建模，且精度甚至可以媲美TRIBON。NUPAS结构三维效果图见图3。它主要采用下拉菜单和图形快捷方式，减少命令输入，具有良好的交互界面，对于长期应用AUTOCAD的设计者而言是一款非常容易上手的软件。

图3 NUPAS结构三维效果图

为实现船舶舾装、机电的三维设计，上船院还专门引进了由芬兰CADMATIC公司开发的CADMATIC软件。该软件拥有Diagram，PlantModeller，Pipe等多个功能强大的模块，既可以进行轮机等专业的二维原理图设计，又可以进行三维模型创建，还能对整个工作空间进行动态漫游观察，因此能够满足不同用户对于设计任务的各种需求。另外，CADMATIC独有的工作组网络作业方式为现代工业背景下的团队合作提供了良好的平台，可实现单机作业、交互访问以及终端整合。其开放式的数据库系统，允许用户自由创建属于自己的图样和模块标准，从而使用户能够在自己最熟悉的数据环境中进行设计作业。同时，CADMATIC与当前业内广泛使用的总体与结构建模软件NAPA有着良好的双向接口，使得船舶设计过程中的大规模专业协作成为可能。

2.2 组合方案

2.2.1 NAPA ST模块&CADMATIC

利用在基本设计阶段建立的船体外壳和初步的内部结构，根据实际需要在ST模块下搭建详细的结构构件。完成结构建模后，可以进行以下一系列工作：

1）利用建好的模型进行重量重心统计、材料统计、输出2D图纸供送审使用；

2）导出给船级社计算软件进行结构规范计算；

3）生成FEM模型，进行网格划分，为有限元计算特别是全船有限元做准备；

图4 CADMATIC舾装三维效果图

4）将结构模型导入CADMATIC进行管系和舾装建模，舾装三维效果图见图4。前文已经介绍，NAPA与CADMATIC之间有着良好的接口，同时后续结构有变换时还可以在CADMATIC中不断更新。完成三维的设备建模后就可以生成满足送审要求的各种布置图。

2.2.2 NUPAS&CADMATIC

设计流程与前面介绍的相似，首先从NAPA中导入相应的线型，然后按曲面和平面进行结构建模。同样，在使用软件内部模型库的同时设计人员可以根据自己需要定义自己的结构形式；待结构建模完成之后就可以将模型转入CADMATIC进行设备建模和出图。

3 生产设计阶段三维设计

生产设计阶段主要是完成材料的放样和套料，目前也有两套方案可行。

3.1 TRIBON

TRIBON是目前在国内大型船厂使用比较成熟的软件。但在一体化形成之前，生产设计都必须拿着详细设计的图纸重复建模，这是对人工的极大浪费。TRIBON的建模将船体分为平面和曲面两部分，主要借助强大的模型库建立满足船厂工艺的模型，生成放样图纸等供生产使用。

TRIBON供用户自定义进行二次开发的功能极强，也是此款软件在业界如此受欢迎的重要原因之一。上船院生产设计部依托TRIBON也做了很多有益的开发尝试，如自动出图、各专业托盘表的自动生成、机装管系小票的自动出图等，无一不是对提升设计能力的有力补充。

此外，TRIBON本身具有一定的详细设计功能，只是一直以来都未被充分开发利用，作为一体化设计可以从这方面着手研究。NAPA ST模块一直都对TRIBON有接口，只是目前还没有成熟；一旦研究通过，利用STEEL的模型进行后续的生产设计将会大大的提高生产效率。

3.2 NUPAS

前文已经介绍NUPAS本身具有很强大的生产设计功能，其在详细设计阶段获得的模型可以通过内部接口直接转到生产设计模块（CAM），按照船厂生产工艺要求自动进行放样和套料，大大节省了工作时间。只是目前在国内还不是很流行，主要因其工艺流程和套料、出图标准都是欧洲模式，尚未被国内船厂接受。如果要使其在生产设计领域发挥作用，定制一套符合国内需求的标准至关重要。