船舶数字建模方法的对比研究

孔令琪，朱金善，阎际驰，李春男

（大连海事大学 航海学院，辽宁大连 116026）

0 引言

数字建模方法最早于20世纪60年代～70年代出现在西方国家的大学中，中国的几所高校也于80年代初引进了数字建模方法。船舶数字建模方法是以计算机为工具，为实现某个特定的目的，通过一定的数学方法对船体进行建模。近年来随着计算机科学的发展，数字建模方法成为广泛应用于船舶设计与制造中的智能化建模手段。市面上的船舶建模软件虽然众多，但有的建模软件对专业技术的要求较高，经济成本高，综合使用的性价比低。需要针对不同的研究目的，选用合适的建模方法。本文分析传统建模方法的局限性，进一步从操作难易性、适用性等方面对SolidWorks、TRIBON、CATIA、Rhinoceros及简易法等船舶建模方法进行分析整理，以期为业内人士选择合适的建模方法提供一定的帮助。

1 传统建模方法概述

船模是根据真实船舶的形状、结构、颜色等严格按比例缩小制作而成的船舶模型。传统的船舶建模方法有物模法。物模法即把实船按一定比例缩小制成模型用于实验，由于该模型的运动状态和原船基本相同，故可以通过一系列物模实验推导得出实船运动的客观规律。

随着科学技术的不断发展，船舶设计和生产过程越来越复杂，对效率的要求也不断提高。仅凭实船实验已经不能满足高效率、低成本的船舶产品设计要求。此外，该方法在进行船舶碰撞程度模拟或某些需极端操作才能达到实验目的的情况下还存在一定的危险。物模法按实物一定比例所制，对比原物直观形象，物理概念清晰，但由于使用物模法进行试验时存在尺度效应及环境问题难以模拟等局限性，要达到和实船实验相同的实验效果面临很大困难；同时，该方法往往需要较大规模的场地、投入大量设备、材料和人力，投资较大，加上船模所研究的问题改变或者边界条件改变时，往往需要局部甚至全部拆除，因而实验的周期也会延长。数字建模方法的出现有效地解决了这一问题。数学模型的边界条件可以随时改变，并且在实验中进行的危险模拟不会带来实际损失。与传统建模方法相比，数字建模方法具有良好的安全性、可控制性和重复性等优点，同时，受外界环境因素影响也较少，成本低，性价比高，所以深受船舶设计、制造人员的喜爱。

2 数字建模方法

2.1 SolidWorks 船舶建模方法

SolidWorks是一种通用的建模设计软件，广泛应用于航空航天、汽车制造及工业设计等领域，同时也适用于船舶建模，其软件功能十分强大，上手较快，对专业建模知识要求低。在船舶设计制造领域经常利用SolidWorks软件，在二次开发的基础上，采用不同方法对不同船型进行建模，具体适用情况如下：

1）利用半宽水线图放样船体。对于船长方向方形曲率变化较大且底部平坦的肥大型船舶，例如带有球鼻首和球尾的部分散货船和油船，通常采用半宽水线图放样。在导入型线图之前，为了减小SolidWorks在曲面建模中的复杂计算量，便于快速识别曲线，提高建模成功率，在建模前先使用AUTOCAD进行简化，只保留必要的线条。

2）利用横剖线图放样船体。对于部分小型船舶，如快艇和不具有球鼻首和球尾、底部不平且首尾两端曲率变化小的双体船和三体船，适合采用横剖线图放样船体。这种方法的建模效率和建模质量都很高。在建模时应注意，由于在型线图上，船首尾半段分别分布于中线的左右两侧，因此，在AUTOCAD初期简化型线图时只需将其中一半完成，另一半取镜像即可，有效缩短建模周期。

3）点云建模。当船舶设计图样失效无法获得时，可以使用船舶精度控制方面的仪器和软件获取船舶点数据，这些数量庞大的点数据简称点云。点云建模常用于已有产品模型，逆求设计图样。在点云建模中需要注意，将点云数据存于txt文件中，

x

、

y

、

z

坐标用空格分开，不同的点需要单独成行。点云建模需启动SolidWorks软件中的ScanTo3D插件。

SolidWorks的二次开发虽然适用于船首、船尾复杂曲面的设计，但因为此技术对技术人员的数学基础和程序语言应用要求很高，无法向广大技术人员推广。此外，SolidWorks软件的曲面造型功能不足，并且在力学分析、工程分析等方面存在一定的缺陷。在实际工作中常把SolidWorks和AUTOCAD绘图工具结合使用，提高建模效率，但是SolidWork与其他分析软件的接口有待完善。

2.2 TRIBON船舶建模方法

TRIBON软件是瑞典KCS公司设计的一种专门用于船舶建模的软件，具有完备的设计程序和较快的处理速度，可以完成船体、栖装的三维设计建模和绘图工作，包含船体、生产设备、管路、基座、风道、电缆和内部栖装等多个模块，可利用多种方法建立三维船舶模型。

TRIBON建模系统的优点在于，数据库可共享，便于设计人员快速访问船舶数据信息。每个设计人员都可以看到其他设计人员作出的修改，使不同的设计人员可以平行作业，不受时间、空间限制，降低专业之间的协调成本，减小后期修改难度，提高设计质量，缩短设计周期。现阶段，TRIBON各部分功能已广泛应用于专业的船舶生产设计中，但对于需求性较低的船舶建模来说性价比较低。如果仅掌握初级建模要领，在利用TRIBON建模过程中会遇到很多困难。

将TRIBON软件应用于我国船舶建模中，具有一定的局限性。首先，TRIBON软件采用欧洲造船标准，在设计习惯、造船技术、设备条件及处理工艺等方面与我国存在一定的差异，无法直接用于国内船厂。其次，其系统功能局限性大，三维拓扑造型能力差。最后其数据系统封闭性极强，缺少与外部数据相连的接口，进行二次开发非常困难。例如，在对船体外板进行受力分析实验时，由于TRIBON软件本身不具备此项功能，所以实验人员需从具有受力分析功能的软件中完成受力分析工作，然后通过数据接口把实验所得数据传入TRIBON软件中进行下一步操作，但目前来看，TRIBON软件只能与CADDS5软件系统连接，进行2个不同系统之间的数据传输。TRIBON软件的系统兼容性还有待开发。

2.3 CATIA 船舶建模方法

CATIA是法国达索公司设计的一款三维建模软件，在船舶结构设计、有限元分析及船体曲面优化方面被广泛应用。近年来，达索公司又推出了CATIAV5三维软件，采用混合建模技术，提高造型设计和曲面设计优化功能，为后期完善曲面光滑度提供有力帮助。

采用CATIA软件进行建模具有以下优势：

1）对于初学者来说，容易操作。针对初次接触建模软件的人员来说，一款容易理解、便于上手的建模软件是入门的关键。采用CATIA建模软件不必深究软件各个模块的使用方法就可以轻松进行船舶线框、曲面模型的快速设计，从而快速实现船舶三维建模，操作过程简单、快捷、方便。

2）与传统船舶三维建模相比，基于CATIA二次开发进行船舶三维建模，具有高效率和高精度的优点。

3）适用于涉及船舶相关计算的船舶建模。应用到涉及船舶计算的建模主要有3种情况。（1）利用CATIA软件二次开发进行船舶相关计算，基于船舶三维实体模型，能实时观察各个模块计算过程中各项计算的动态过程，及时发现运算过程中存在的问题和不足之处，加以改正。（2）以三维实体模型为基础，取代了传统的二维插值计算方法，便于快捷地基于CATIA二次开发从船舶三维模型中提取相关计算属性，取代了大量运用经验公式的传统计算方法，使结果更加接近真实值，能减少数据的测量误差，提高计算结果的准确度。（3）相关计算操作简便，只需在CATIA软件的程序界面输入船舶计算涉及的相关数据，系统便能实现船舶计算过程的自动化，与传统的计算方式相比，能节省大量计算时间。另外CATIA的程序界面采用人机交互的方式，过程简单，容易操作。

在船舶曲面设计方面，CATIA软件具有强大的曲面设计功能。但该系统只提供了一个便于曲面设计的功能，最终设计成的三维曲面精确度还依赖于设计人员对船舶型线数据特点和曲面特点的了解程度。完成一个好的船壳曲面，需要设计人员丰富的实践经验以及使用计算机完善型线光顺和曲面生成的高超技术。

CATIA并不是船舶专用设计软件，在计算船舶稳性方面的参数有一定的局限性，因此不适用于船舶的初步设计。因其具有强大的三维造型功能和船舶结构、管系专用模块，故在船舶、施工设计中占有较大优势。

2.4 Rhinoceros船舶建模方法

Rhinoceros软件于1997年由美国Robert McNeel and Gassociate公司发明，是一款专业的三维造型工具。Rhinoceros软件可以建立、编辑、分析及转译NURBS（非均匀有理B样条曲线），利用二维图形实现三维仿真功能，具有运行条件低，造型功能强大的特点，适用于不规则的曲面、船体外板的建模，该软件具有NURBS建模方式，同时也具备网格建模插件T-Spline，便于在工作中选择合适的建模方式。在工作中能与3Dmax、AUTOCAD、MAYA等主流软件完成数据对接，并且在NURBS建模方式上比3Dmax软件更有优势，在建模过程中始终保留NURBS数据，便于在操作过程中进行细微的修整，快速实现大面积修改工作。由于对建模数据的精度具有良好的控制性，故能通过数控手段直接制成相应的成品，广泛应用于精工行业。该软件安装运行内存较小，对电脑硬件配置要求不高，对于低配置设备来讲是不错的选择。采用Rhinoceros软件进行船舶建模，可以在保证建模精度的同时，提高船体表面的型线光顺程度。其强大的渲染模块Flamingo可以渲染出逼真的实体效果。利用其强大的建模功能可完成表面三维数学模型的建立，可通过软件提供的IGES、STEP等标准接口输出，该软件为船舶制造提供了结构设计及船体的有限元分析等功能。此外，与同行业其他昂贵的设计软件相比，Rhinoceros软件价格低廉，适合目前我国船舶建模的现状。此方法在船舶建模中多作为辅助设计软件使用，用于船体外壳的建模。

在使用Rhinoceros软件对船体建模的时候，一般把船体外壳的曲面部分作为建模的基础面，发挥Rhinoceros软件在NURBS方面的优势，用NURBS表面勾勒出船体外形，在此基础上进行分割，直至得到需要的细节。先构造出B-zier（贝塞耳曲线），然后通过曲线的拉伸、放样等复杂、高级的面构造法构造出B-zier曲面。

根据生产和结构的特点，船舶建模遵循由下而上、由大及小的规律。将船体的主视图、俯视图、侧视图分别放至相应的背景视图中，将视图的位置关系调整至符合建模要求，通过设置好的船舶背景图把船体表面主要的特征曲线表示出来。为保证曲面的光顺程度，在这一过程中要尽可能利用较少的控制点表示出来。利用Rhinoceros软件进行船壳外板建模的基本步骤如图1所示。

图1 Rhinoceros软件建模流程

Rhinoceros软件也存在缺陷，该软件不是专门针对船舶建模开发的软件，在船体尺寸标注、线型等设置方面没有AUTOCAD和CAXA功能强大且全面。使用此方法建模时，应特别注意与其他软件的结合使用。另外，Rhinoceros软件属于非约束性的非工程类软件，只能依靠其导出格式来进行快速成型的加工制造，因此，构建的三维实体模型会被导出格式的精度大小所影响。

2.5 简易船舶建模方法

目前现有的主流船舶建模软件存在专业技术要求性强、造价较高、受众较窄等局限性，为了在满足实验精度要求的前提下，减小工作量，还可以采用一种简易的船型构造方法。根据船舶资料，利用EXCEL软件，生成标准三维点坐标，以“线”为组，将其导入AUTOCAD软件，生成三维线框船体，对其进行区域性放样后导入GAMBIT软件，生成三维船体模型，具体建模流程如图2所示。

图2 简易建模流程

由图2可知，通过上述简易方法进行船舶建模涉及到EXCEL、AUTOCAD、GAMBIT这3款软件，使用难度较低。其中EXCEL在日常工作中使用广泛，属于基础性软件，在船舶建模过程中用于完成船舶三维坐标点的标准化；AUTOCAD是目前在各个领域被广泛使用的绘图软件，经过标准化的三维坐标点，以“线”为组，在AUTOCAD软件中执行“Spline”命令，逐组导入后生成船体三维线框模型；GAMBIT是FLUENT推出的一款面向计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称：CFD）的专业前处理软件，包含较为全面的几何模型构建，在将前期基于AUTOCAD软件构建的船舶三维线框模型放样曲面分步导入GAMBIT的基础上，合并重复的点、线、面，经过后期处理，最终生成船舶三维实体模型。

因为船体型线密集，在选取时容易遗漏或重复，使得放样曲面与船体真实曲面之间形成一定的误差。因此采用此种建模方法时应注意，对于曲率变化较大的船体部分在建模时要选取相邻2条型线；对于表面平整的船体，可在放大线框模型后，分成若干区域分步选取，生成多个放样曲面，分段建模。

表1 5种建模方法比较

3 结论

通过对各种船舶数字建模方法的综合考察可知，TRIBON建模方法适用于船舶专业建模，要求较高；Rhinoceros、CATIA、SolidWorks和简易建模方法适用于初学者，其中SolidWorks和简易建模方法可以针对不同船型选择对应的建模方法，构建的船模可满足基本的科研实验要求，且操作简单。工作人员在选择建模方法时，可以根据本文并结合建模的不同船型和船体不同部分选择适合自己工作任务的建模方法，以提高建模效果与效率。