基于CAXA与CATIA的船体三维建模技术比较分析*

2017-11-01赵洁张伟

武汉交通职业学院学报 2017年3期

关键词：船体曲面实体

赵洁张伟

(武汉交通职业学院，湖北武汉 430065)

基于CAXA与CATIA的船体三维建模技术比较分析*

赵洁张伟

(武汉交通职业学院，湖北武汉 430065)

对300箱多用途集装箱船船体结构进行生产设计，分别使用CAXA和CATIA实体软件完成三维建模，着重研究船体构件建模和装配模拟，展示三维设计技术在船舶生产设计中的应用。对国产软件CAXA和大型造船三维软件CATIA在曲面造型和参数化设计等方面的功能进行比较分析，进一步研究探讨三维建模技术在船体复杂曲面生产设计中的运用。

船体结构；生产设计；三维建模；CAXA；CATIA

0 引言

在以往，船体生产设计通常是由设计人员在头脑中完成工作对象的三维构模，再在图纸上用二维线条描述出来，施工人员利用这些图纸指导施工。而随着计算机辅助设计技术的推广和应用，尤其是三维建模软件的大规模使用，使设计人员可在电脑上直接进行三维建模设计，从而更加直观地判断工作对象的具体外形、布置位置及装配关系，有效避免人为误差、设计偏差和构件干涉等问题，并对详细设计起到验证和校核作用，提高设计质量和施工效率。

在船舶生产设计领域，目前国内外使用的三维系统软件有TRIBON、CAXA、CATIA、CADDS5、FORAN、SBSDS、MASTERSHIP等多种软件。这些软件大多基于传统制造行业的生产需求而研发，然而，由于船体结构的特殊性，尤其是船体外板自由曲面的复杂性，使得很难有一种软件可以在所有方面都具备明显优势。

本文利用CAXA和CATIA实体软件对300箱多用途集装箱船进行三维建模生产设计，通过构件的创建装配对造船生产的过程进行模拟，并分析两种软件在船舶模型建造的不同之处。

1 建模船舶产品特征概述

1.1 船型

该船为单浆、单舵、单甲板、方尾、球鼻首、带首楼和尾楼的由中速柴油机驱动的多用途集装箱货船。艉部设补偿导管节能装置。

1.2 主尺度

表1为该船主尺度值。

表 1 300箱多用途集装箱船主尺度

1.3 三维造型的体系结构

船体构件种类和数目繁多，形状复杂多变，可概括为骨架结构和板材结构[1]。型材剖面形状通常都有固定的，不同之处在剖面尺寸和轴线形状。板材结构中，船体外板特别是首尾部都具有非常复杂的形状，船体曲面建模在船舶设计和建造中起着基础作用，为其它船体结构建模提供曲线曲面信息[2]。故运用三维设计软件进行船体曲线曲面设计是建模时遇到的困难之一。三维建模的核心是零部件、曲面的生成以及模型的装配，然后就是装配构件、形成所需工程图。

图1即为三维实体设计的框架图，对船体三维实体设计工作进行分解后可以看出主要有以下相关项目：

(1)骨材和板材构件的建模；

(2)构件的装配；

(3)外板和曲面的生成；

(4)干涉检查；

(5)生成装配动画，完成结构部件间的装配关系模拟；

(6)生成需要的剖视图和节点图。

图 1 三维实体设计框架图

2 CAXA船体三维实体的完成

2.1 完成实体造型

标准的型材如扁钢、角钢、球扁钢、槽钢、工字钢等零件在CAXA软件的设计元素库中直接调用然后编辑截面和修改尺寸，复杂骨材等零件可以运用特性生成工具即拉伸、旋转、扫描和放样来完成，然后建立自定义零件库。复杂的板材曲面生成可以通过直纹面、放样面和导动面等功能来完成，普通外板这种零件表面的曲面生成，可以利用已经绘制出的船体肋骨型线等三维曲线通过放样面来完成。

在利用拉伸、旋转功能进行零件设计绘制草图过程中，CAXA可以从已绘制好的AutoCAD图形中导入直接使用，这是它的一大特色，减少了很多绘制二维曲线的时间[3]。图2为CAXA软件建模生成的部分船体零部件。

图 2 CAXA船体零部件生成

2.2 装配构件

通过选择装配的中心点，以船长和船宽为坐标将船体构件由小到大进行装配，一般情况是先装配和定位肋骨，然后再装配定位其它的骨材，最后生成外板等[4]。在装配的过程中，CAXA显示三维球强大而灵活的三维空间定位功能，通过平移、旋转和其它复杂的三维空间变换精确定位任何一个三维物体。按空格键使三维球与零件分离后，可以拖动三维球到零件的指定点，然后利用三维球与其它点、线、面的关系来精确地定位到任意的位置。图3为利用CAXA三维球进行精确到点的船体构件装配。

图 3 CAXA三维球和船体构件装配

2.3 干涉检查

CAXA实体设计可检查到装配过程中可能出现的干涉并形象的表示出来，包括装配件、零件内部、多个零件和零件之间的干涉现象。系统经过计算后检查到构件相互干涉，会对干涉部分加亮显示出来。当零件出现干涉时，可双击零件使其进入智能图素编辑状态并根据需要改变零件的属性和尺寸。

2.4 装配动画

装配动画就是模拟实际的装配过程，按照实际的生产顺序通过骨架和板材的装配形成分段，分段装配再形成总段[5]。通过利用自定义动画向导及路径设置工具，可以自行设定和修改每个零件特的动画路径，智能动画编辑器可以调整每个零件开始和结束的时间。图4为利用CAXA软件进行的船体构件装配。

图 4 CAXA船体构件装配

2.5 生成剖面图和节点图

利用三维实体来生成标准视图，选择主视图、左视图或者俯视图等，可以移动视图和修改比例，接着在标准视图上来进行剖视。生成的剖视图可以保存为AutoCAD格式的图形，可以直接在图纸上直接修改，利用局部放大工具在节点处放大后的部分就是节点图。图5分别是利用CAXA软件所绘制的船尾立体分段图、剖面图和结构节点图。

3 CAXA与CATIA三维建模的比较和分析

CAXA和CATIA都是相对成熟的主流通用三维软件，在船舶三维设计中有着很多的优点：软件通用性强，能解决特殊产品造型的特殊问题；大量引进了先进的计算机辅助技术，代表了国际上三维CAD软件的发展方向；支持的数据库开发性强，具有很好的开发平台；造型手段丰富，操作灵活，易于修改。

图 5 CAXA软件绘制的船尾立体分段图、剖面图和结构节点图

3.1 曲面造型功能方面

CAXA和CATIA零件造型等方面有很多相似的地方。但在实体设计的过程中，面对船体首尾复杂的曲面CAXA软件的曲面设计功能很多时候不能够满足需要，很难建立与实际相符合的曲面。

CATIA具有很强的曲面生成和三维造型功能，非常适合船体曲面建模。它在机械、汽车和航空等行业里应用很广，但是在船舶行业应用得还不是很多，特别是它强大的曲面设计功能没有充分利用[6]。

CATIA的曲面的造型有常规曲面造型和自由曲面造型，常规曲面造型即规则曲面的生成，可以通过拉伸、旋转、偏移、扫描填充、多截面曲面、拼接曲面等完成，与CAXA的功能有很多相似的地方；自由曲面则是应对于曲面设计要求的提高，解决传统方法不能满足的那些复杂的曲面设计，主要有缀面、圆角面、填充面、网格面、扫描曲面，可以说自由曲面设计能够让设计者创建出任意形状的曲面。图6为利用CATIA软件所建的船尾模型。

3.2 参数化设计功能方面

CATIA软件可自定义变量，再通过公式修改零件的几何尺寸，且变量之间可以建立函数的联系，即对各个变量做约束。通过修改零件的一个或多个参数，就可以改变其它的零件参数。利用Formulas可通过函数关系表示变量与自定义变量和其他一些参数之间的关系，Rules可以通过编写程序代码实现尺寸驱动和特性驱动，Checks可以着重表明在校验过程中涉及的参数，方便地确认违反了哪条标准或约束。

图 6 CATIA船体尾部模型图

同时，根据需要选择指定的参数导出生成Excel表格，直接在Excel中修改参数的值来改变零部件的几何尺寸，Excel表格在这里实现各个文件之间的数据共享。

3.3 装配方面

CAXA的三维空间定位功能相对而言特别强大，三维球可以通过平移、旋转和其它复杂的三维空间变换精确定位任何一个三维物体，在装配的过程中可以发现两者之间有很多相似的地方，但相对CATIA而言，CAXA的装配定位特别精确、方便。

由于船舶的装配中零部件众多，通过比较，发现CATIA的装配和修改比CAXA的更直观和方便。CATIA的装配由部件和零件组成，组件产品和零部件的关系在特征树上面表现得很清楚，而且关系也可以调整。特征树上列出了所有创建的特征，并且在特征树上自动以子树关系表示特征之间的父子关系和各个构件之间的约束关系，用户可以有一个清晰直观的认识。同时，CATIA在装配的图中可以查看每个分段或部件的体面积、形心和惯性矩等几何特性，能够跟实际的生产运用很好的结合。图7为利用CATIA软件所进行的船体装配。