基于CATIA V6三维模型的空船质量重心统计

董海杰，渠继东，叶效伟

(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2.深海载人装备国家重点实验室，江苏 无锡 214082)

0 引 言

船舶的质量重心对其浮性、稳性、抗沉性、快速性、操纵性、耐波性以及设备的使用性等方面都有着较大的影响[1]。因此，不仅需要在船厂制造现场严格控制船舶质量重心，还应在各个设计阶段开展质量重心的统计用以指导设计工作。在很长一段时间内，船舶的初步设计、方案设计等过程基本依赖二维平面设计方法，质量重心统计也主要采用平面图填表的方法。

对于采用平面图填表方法的质量重心统计工作，业界已形成了较为固定、成熟的流程和模式，同时也有相应的标准规范提供参考。如在各设计阶段对船舶进行质量重心统计时，可参考文献[2]将载荷依次按类、节、组、项分类并绘制相应的统计表格，然后从二维布置图中获取各载荷项的重心数据，通过填表的方式开展相应工作。随着新型船舶的功能越来越丰富、构成越来越复杂、系统设备越来越多，这种完全依靠人工采集数据的统计方法不仅工作量巨大、数据极易出错(正负号写反、小数点错位等)，而且容易漏项，对于设计业务比较成熟的单位或团队仍难避免上述问题，且一旦出现问题，需要逐项排查，工作效率低[3]。此外，对于外形复杂的载荷项，在二维布置图上只能大致量取其重心坐标值，影响统计结果的精确度。

近年来，三维设计正在逐渐成为船舶行业的技术发展方向，CADDS5、FORAN、Tribon等专用软件[4-5]以及SolidWorks、CATIA等通用软件[6-7]被先后引入国内并在船舶设计领域得到了很好的应用，使得基于三维设计模型的船舶质量重心统计方法成为可能。与传统平面图填表方法相比，基于三维模型进行质量重心统计具有计算速度快、不易漏项、统计结果精确等优点，可进一步节约设计时间，提高设计质量。

CATIA是法国达索公司开发的一款CAD/CAE/CAM一体化软件，在该领域内居世界领先地位，在国内外已广泛应用于航空航天、造船、汽车制造、机械设计等领域。CATIA V6是目前该软件的最新版本，为用户提供了较为完整的船舶设计模块，可用于总、船、机、电等各个专业的三维协同设计[8-9]。本文主要介绍在船舶设计过程中基于CATIA V6三维设计模型，进行空船质量重心统计的方法。该方法有助于设计人员在利用CATIA V6软件进行船舶设计时，实时掌握船舶质量重心信息，评估设计方案的合理性，提高设计质量和效率。

1 三维模型的质量重心属性

采用CATIA V6软件可建立较为完整、详细的船舶三维设计模型，但一般不包括货物、燃料、粮食、淡水和人员等，因此基于CATIA V6三维设计模型一般只统计空船质量，即船舶总质量减去可变载重量之后所剩的不变质量部分，包括船体钢料、木作舾装、机电设备等3大部分[10-11]以及其重心。

要在CATIA V6上实现空船质量重心统计，需在前期的建模过程中对三维设计模型进行质量重心属性的定义。根据属性定义方法的不同，CATIA V6将模型分为2类：声明质量的模型(直接定义模型的质量和重心坐标)和计算质量的模型(仅定义模型各部分的材料密度，软件结合模型体积计算其质量重心)。需要指出的是，声明质量的模型在定义其重心位置时，输入的坐标是相对于模型局部坐标系的数据，在将模型装配至全船模型中后，软件会自动根据安装位置计算其重心在全船坐标系中的值。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：m为空船的总质量；x、y、z为全船的重心坐标；n1和n2分别为声明质量模型和计算质量模型的数量；mi为第i个声明质量模型的质量；xi、yi和zi分别为该声明质量模型的重心在全船坐标系中3个方向上的坐标；ρj和Vj分别为第j个计算质量模型的广义密度(体密度或线密度)和广义体积(体积或长度)；xj、yj和zj分别为该计算质量模型的重心在全船坐标系中3个方向上的坐标。

2 B.I. Essentials功能简介

如图1所示，CATIA V6的B.I.Essentials命令提供了强大的统计和检查分析功能，主要包括：

图1 CATIA V6的B.I.Essentials命令

(1)Modification Status，即修改状态检查，主要用于统计当前状态下装配体中各模型的修改情况，并用不同的颜色区分表示。

解 因为tr A=0, tr2A=-3, det A=-2,由定理3，yn=An满足矩阵值三阶差分方程

(2)Design State，即设计状态统计，用于显示装配体各部分模型的技术状态(包括In Work、Frozen、Released等)并用不同的颜色加以区分。

(3)Weight Definition，即质量定义，主要用于定义模型的质量重心数据并进行统计，也可用来检查模型质量定义的完整度。

(4)Weight Distribution，即质量分布统计，主要用于统计当前装配体中不同质量的模型在全船的分布情况。

除上述4项外，还包括Assembly Design、Core Material Definition、Reserve Status等统计功能。本文主要介绍如何使用Weight Definition功能进行模型的质量重心定义和空船的质量重心统计。

3 声明质量的模型

船舶设备和装置(如锚设备、系泊设备、消防与救生设备等)、生活设备及工作用具、主副机械设备、船舶电气设备、导航设备等一般都是向供货商采购成熟的货架产品或者由特定厂商专门定制，同时也由供货方直接提供设备的质量和重心数据。因此，这些设备的三维模型可归类为声明质量的模型。

以某一具体设备为例，在该三维模型创建完成后，选择B.I.Essentials命令的质量定义功能，这时软件主界面中的模型会显示为红色以表示当前还未赋予质量重心属性。选择“Click this hyperlink to declare a weight on this element”(声明质量)选项打开定义质量重心属性的表格窗口，填写设备的质量、重心等项的值，如图2所示。再次说明，此表中应填写重心在局部坐标系中的值，与设备模型在全船的装配位置无关。关闭此窗口，此时主界面中的三维模型已显示为蓝色，说明该模型已成功定义了质量、重心等属性。

图2 声明质量模型的质量重心定义

4 计算质量的模型

船体结构、木作舾装中的船体木作及金属属具、全船管路等一般都会选用特定的材料且材料组成较简单，其质量和重心可由材料密度和模型体积计算得出，这些模型可归类为计算质量的模型。

4.1 船体结构

在应用CATIA V6进行船体结构建模之前需要建立结构资源库，包括资源数据配置和结构标准件创建等两大方面[12]。资源数据配置的其中一项工作就是配置材料表，用于定义设计所需的材质、型材截面和板材厚度等。在结构建库完成之后，用户可通过包含尺寸驱动和特征驱动的参数化结构设计方式，有效提取到结构资源数据，完成三维建模。

CATIA V6的结构设计形式分为结构功能设计(Structure Function Design,SFD)和结构详细设计(Structure Detail Design,SDD)。SFD主要用于方案设计阶段，结构的SFD模型虽然具有材料、截面、厚度等属性，但并不是实体模型。SFD模型可减少船体结构模型的数据量，实现快速修改，但不能直接用于质量重心统计。SDD主要用于详细设计阶段，SDD模型为实体模型。若采用SFD形式创建船体结构模型，则在统计质量重心时需将其转化为SDD模型，得到对应的实体模型。

在船体结构SDD模型创建完成(直接创建或由SFD模型转化得到)后，选择质量定义功能，点击“Click this hyperlink to compute the weight of this element”(计算质量)选项，软件会根据各部分选用材料的密度和对应模型的体积自动计算其质量及其重心位置。由于是通过计算得到的，表中的数据无法人为更改。此外，若表中Weight Maturity的值为100%或显示界面中的三维模型全部变成绿色，则表明计算没有遗漏。

4.2 全船管路

CATIA V6提供了从管路原理图绘制到三维放样的功能，可满足轮机专业的三维设计需求。在开展具体项目的管路建模与布置工作之前，需由设计人员配置管路基础资源库，包括工程技术表、规格书和标准件库[8，13]。

在管路布置时，首先需要修改资源管理文件使其指向正确的资源库，然后在Piping &Tubing 3D Design模块下确定管线的三维走向，选择该管路的功能类，在库中寻找相匹配的管路进行布放，生成三维管路模型。由于已经在工程技术表中定义了管路选用材料的密度(或线密度)、截面类型与尺寸等，软件可通过计算得到模型的质量和重心。选中管路模型节点，与第4.1节相同，打开质量重心计算窗口，即可计算得到管路模型的质量和重心数据。

空船质量一般还包括空船状态下机械设备正常运转时所需的各种液体的质量(如润滑油、液压油、冷却水等质量)。若需考虑管路中这些介质的质量，可通过人为换算将其计入管路的线密度值中，由设计人员在配置资源库时进行设置或在建模时于模型的属性列表中填写。需要说明的是：在同时定义了管路线密度属性和材料(即密度)的情况下，软件将优先采用线密度计算管路模型的质量和重心。

4.3 其他模型

木作舾装中的船体木作、金属属具及其他材料组成较为简单的模型，都可由软件自动计算其质量重心。为此，需要设计人员在建模时赋予模型相应的材料属性，即通过Material Browser命令，在材料库中选择相应的材料应用到当前的三维模型中。当操作成功后，在模型的结构树上会增加Materials节点。成功赋予材料属性的实体模型即可计算其质量重心，具体操作过程与第4.1节相同，此处不再赘述。

5 全船质量重心统计

在完成全船所有船体结构、舾装件、机电设备、管路等模型的创建、质量重心声明、材料属性赋予等工作后，即可统计全船的质量重心值。选中全船装配节点，在质量定义功能下，点击计算质量选项，打开质量重心统计窗口，点击左上角的Update按钮，更新得到当前状态最新的全船质量重心数据(见图3)。此图提供了全船模型的总质量、重心在全船坐标系中的位置、模型体积(未计入声明质量模型的体积)等相关数据。同时，还可以统计全船不同质量类型模型的数量比重，包括声明质量的模型、计算质量的模型、未定义质量属性的模型等，并用不同的颜色进行区分，可以有效避免漏项、直观地显示全船模型的质量组成等。

图3 全船质量重心统计表

此外，可以点击表格左上角的Publication按钮导出Excel表格，得到详细的数据并可对其进行后续处理。

如果在设计过程中由于设计变更调整了部分模型布置位置或更改了模型内容、修改了模型的材料属性或声明质量重心，只需重新打开全船模型的质量重心统计表格并点击Update按钮，即可得到最新的全船质量重心统计数据。

6 结 语

基于CATIA V6三维设计模型，从船体结构、船舶设备和装置、管路等不同模型入手，详细介绍了采用该软件进行全船质量重心统计的方法。

通过对比可以发现：传统的二维图填表方法完全依靠人工采集数据，需要多人同时独立开展统计工作相互验证以避免出现问题，一旦出现问题需逐项进行排查，工作效率低；对于外形复杂的结构或管路等，只能大致获取其重心数据，影响统计结果精确度；在处理大量数据时，容易漏项。本文介绍的基于CATIA V6三维设计模型的质量重心统计方法只需在建模时增加各模型质量重心的属性定义操作，全船的统计结果由软件自动计算，统计效率高；外形复杂的结构或管路等模型的重心数据可根据其三维形状和密度分布计算得出精确值，保证了统计结果的精确性；可通过Weight Definition功能进行检查，直观显示全船模型质量重心定义的完整度，不易漏项。因此，本文介绍的统计方法可提高设计效率、提升设计质量。

然而，若采用本文介绍的方法，焊料、油漆、结构建造误差以及前文提及的变动载荷等均未能计入全船的质量重心统计结果中。若需考虑这些质量，可进行相应的二次开发或者结合传统的方法进行统计。