基于VB.NET的Napa Steel快速建模程序的开发
2019-07-03
(上海船舶研究设计院,上海 201203)
在机舱、艏艉等结构复杂或线型变化大的分段区域，使用Napa Steel模型导出有限元模型，比直接在Patran中建模更加快速准确，故在实船项目中设计院大多采用上述方式建模。但是根据已有平面CAD图纸，通过繁琐的人工测量读数方法将其转为三维结构模型，既费时耗力又容易出错，使用Napa Steel建模，需要大量编写命令，三维建模速度较慢[1]。已有的Napa Steel二次开发插件大多使用Napa Basic语言编写，内嵌于Napa Steel软件中，虽在一定程度上提高了三维建模效率，却无法与除Napa之外的任何软件进行数据交互[2]。为此考虑联合使用AutoCAD及Napa二次开发技术，建立CAD输出到Napa Steel的数据通道，解决建模效率低，易出错的问题。
1 快速建模程序的开发
1.1 开发原理及关键技术
Napa Steel与AutoCAD分别是基于Linux与Windows平台开发两款软件，之间无数据传输的接口。而目前跨平台不同软件之间的数据传输，大多依靠导入导出中间格式文件的方式实现，如DXF，IGES等。参照其原理，本软件选取简便的txt文档做为中间格式文件，用于将AutoCAD中的数据传输到Napa Steel中。
本软件使用基于.Net的ObjectARX托管技术对AutoCAD进行二次开发，获取平面CAD图纸中的剖面构件信息，再利用Napa二次开发技术将获取的信息转化为基于Napa Basic 语言的Napa Steel建模命令存储于txt文档中。同时在Napa Steel中编写Marco读取并运行该txt类型的中间格式文档，即可完成相应的三维建模工作。软件流程图见图 1。
图1 软件开发流程
1.2 快速建模的主要实现方法
1.2.1 通过“拾取”转化CAD图纸信息
使用本软件根据已有平面CAD图纸进行三维建模时，几乎不需要用户手动测量任何定位信息，无论是剖面基点、Surface Object(SO)的limit、筋的Trace乃至构件尺寸等，仅通过鼠标的“拾取”操作即可完成将CAD图纸信息转化的工作，可省去繁琐的人工测量读数，既快速又准确。拾取SO 的Limit流程见图2。
图2 拾取Limit流程
1.2.2 简化建筋操作
在三维建模时，筋的数量远多于板，是影响建模速度的重要因素，除快速将CAD图纸中筋的定位坐标转换成三维建模命令外，为简化建筋操作还做了如下几方面的工作。
1)图层筛选判断。为使在CAD图纸中框选时，而不选中无关构件如板、开孔等，在选择时设置了图层筛选。结合本院图层设绘标准，程序只选中图层为“213_stiff-1(可见筋轮廓)”、“213_stiff-2(不可见筋轮廓)”的直线。同时根据根据图层线型自动判断出筋是位于SO的哪一侧，无需用户后期手动修改。
2)筋SET自动判断。在Napa Steel建筋时，错误输入SET值，会导致软件弹出警告“Geometry of trace not compatible with stiffener axis(W24379)”,即实际Stiffener 方向与SET所填方向不一致。因此程序在开发时，增加根据Stiffener的几何信息自动判断SET的代码，可省去用户后期的修改工作量，保证三维模型的准确性，流程见图3。
图3 筋SET自动判断流程
3)扶强材与纵骨连接。在强框区域的扶强材一端或两端与外板、内壳纵骨相连。仅通过从CAD图纸中获取坐标在三维模型中直接创建，缺失扶强材与纵骨连接的属性，仅能做到“看似”相连。所以在拾取筋时，软件会提示“请给出加强筋两端与纵骨的链接方式(N/D/S)
(1)无论建模误差大小，均可以保证扶强材与纵骨相连。
(2)即使纵骨位置后期发生微调后，仍可以保证扶强材与其相连。
1.2.3 提供操作便利
1)预览窗口。传统二次开发程序的运行过程、结果均隐藏于后台，用户只能在生成三维模型后，才可判断是否正确。本软件提供了“预览窗口”，将生成的三维建模命令显示出来供用户预览甚至直接修改， 如图5的E区域，可提早发现错误，省去了生成三维模型后再删除的麻烦。
图4 添加扶强材与纵骨连接流程
2)基本平面表。通过总结使用Napa Steel的建模习惯，发现无论是建SO,还是筋都经常会使用HUL、Deck、LBH等基本平面作为限制，类似此参考平面的使用频临极高，为减少频繁输入的工作量，软件增加了“基本平面表”的功能，相当于一个存储平面名称的库。如图 5的D区域所示，鼠标左键双击选中参考平面便会自动填写到指定边界的文本框中，点击该区域右下角的“编辑”按钮，可以进行编辑/添加/删除的操作。
1.2.4 数据交换
本软件利用txt文档作为中间格式文件传输数据，其存储基于Napa Basic语言的三维建模命令。为省去用户先“复制”“粘帖”再“运行”“显示”的繁琐操作，软件开发中利用Toolbar功能为Napa Steel添加按钮。即在TBAR*ST//SYSDB 表格中添加一行，见表 1，其中COMMAND列为让Napa Steel运行指定宏代码，“ZQLAPP_N>.”为VB.NET生成的宏存储路径。只需点击“SD1”按钮即可创建，并显示出相应三维结构模型。
表1 Toolbar设置
2 应用案例
软件主要包含EasySO(建板)与EasySTF(建筋)两大功能模块。在某大型矿砂船的设计中期，船级社提出需要加算机舱有限元分析，不仅要如实反映复杂的机舱区域结构，且要需要建全船模型，真实反映机舱区域的边界条件。虽然设计时间紧张，但使用该快速建模软件进行建模，大幅缩短建模时间，保证了设计节点。
2.1 EasySO(建板)
机舱中油柜、液舱众多，故机舱区域的舱壁数量大，使用EasySO可快速创建舱壁，以机舱结构图某剖面为例，软件界面见图 5。
图5 EasySO(建板)程序界面
1)在EasySO软件界面中的A区域，拾取剖面的基点，选择剖面类型为X，位置为S，剖面定位为Fr25,舱段为ER，程序会自动给定结构类型为TBH，以及自动生成SO名字为ER_TBH#25_S，自动生成的内容也可根据用户需求自行修改。
2)在B区域填写限制条件，用户无需手动量取读数，直接用鼠标在图纸中拾取相应舱壁边界即可，也可直接双击引用D区域中所列的基本平面作为边界。对于舱壁中有开孔的情况在C区域添加Red即可，选择开孔边界的方法同上。
3)在F区域填写舱壁板厚9，若勾选“对称”，则会自动关于XY平面生成对称的SO。点击“预览”便可在E区域生成三维构建信息供预览，如有需求用户可直接在预览窗口进行修改，点击“写入”名称为ER_TBH#25_S，板厚为9的舱壁便可写入NapaSteel中，并自动加入到节点为“Steel->EngineRoom->ER_TBH”的结构树下。
可见EasySO软件不仅免去了繁琐的人工测量读数过程，还可协助用户完成建模标准化操作，比如根据建模标准自动命名SO，并将加入指定结构树节点下。
2.2 EasySTF(建筋)
EasySTF软件除可以轻松创建舱壁上定位规则的加强筋外，在临近机舱区域的货舱区域强框中，有大量非规则定位的加强筋，与传统模式相比，更加高效，仅需用户在CAD平面图纸中框选，便可完成在Napa Steel中的建筋操作。程序主界面见图6，点击“拾取构件”按钮后弹出的子界面见图7。
图6 EasySTF (建筋)程序界面1
图7 EasySTF (建筋)程序界面2
具体的建筋步骤如下。
1)在软件界面中的A区域，输入要在其上建筋的SO名称H_WEB#52_P，用鼠标在CAD图纸中给定基点后，点击“拾取构件”按钮，用户可直接在CAD图纸中框选或点选加强筋。
2)用户根据程序提示“选择构件尺寸”，从图中标注直接拾取构件尺寸(FB150X12)，拾取过的筋与文字标注的会自动变成紫色(173)，以便用户区分，避免重复建模。完成上述操作后，程序子界面会弹出，对筋的定位以及构件尺寸做进一步细化修改。
3)在完成子界面的操作后，点击“保存并退出”，筋的数据传回EasySTF主程序界面中列在B区域中。用户也可再次点击“拾取构件”按钮继续在CAD图纸中选择筋，最终汇总至主界面B区域中。点击“写入”按钮，该强框的所有加强筋将自动写入NapaSteel模型中。
3 结论
VB.NET开发的Napa Steel建模插件，建立了CAD直接向Napa Steel传输数据的通道，打破了“先手动测量数据，再建模”的传统模式，仅通过简单的拾取操作，便可快速将平面CAD图纸中的构件信息转化成三维构件信息，完成三维建模工作。在多个实船项目中的应用中，根据已有平面CAD图纸使用该插件创建Napa Steel三维模，仅需传统模式约1/3工时，其在创建如机舱、艏艉等复杂结构或线型变化大的分段模型时优势更加突出。
