基于CATIA的非常规FPSO快速建模方法

2021-07-05李梦伟

船舶 2021年3期

李梦伟

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

非常规FPSO的结构形状特殊，其并非常规船体形状，而是呈圆筒形状；圆筒状FPSO较常规型FPSO更具经济性，具备更强的抗倾覆能力和甲板承载能力，更满足于海上工作的深度要求，因此，圆筒状FPSO更具实际应用价值［1-3］。不过，由于其各层甲板与水平桁上骨材的布置不同于传统船型横骨架或纵骨架式的布置，主要呈辐射状发散式分布，也进一步加大了骨材定位的难度。如果按照传统通用软件的常规建模方法进行建模，会无形中产生大量不必要的重复性工作，增加前期建模工作量，并且传统建模软件建立的模型，不能保证模型内部板之间、骨材之间的关联性及属性可继承性，既不利于前期建模，也加大了后期修改模型的难度及工作量。因此，非常规FPSO建模就不能拘泥于常规建模流程，而需要有针对性地建立一套高效的建模方法。

CATIA作为现有功能强大的可协同设计三维软件，其结构三维设计建模与常规的几何三维设计建模的思路不同，其三维设计建模的过程实质为特征化建模，用户根据可视化的全船参考坐标面集，将船舶结构设计中的板、筋等构件的特征库模型从单一的模型资源库中调用出来，并设计布置其具体的形状和位置。

目前，CATIA应用于船舶领域仍处于初期，但也已经取得一些研究成果，如：楼涛与包腾飞［4］基于CATIA二次开发的拱坝快速建模方法，通过读取模型参数，自动生成草图与构建实体，实现批量化建模，有效提高建模效率。龚丞等［5］提出一种基于CATIA的船体外板板架方法，简化重复性建模工作，可快速生成与修改外板板架，高效完成船体外板结构三维设计。卢雨等［6］基于CATIA与CAD的二次开发，量取船体各型线型值转换为三维坐标点，快速建立三维型线，生成船体曲面，实现船体快速建模。陶毅等［7］利用CATIA原生功能，提出合理的总体参照搭建方案和三维建模应用方法。柳梦源等［8］基于调用CATIA的建模模板，可通过修改预设参数进行快速变换，实现快速构建货舱区结构模型。

前述研究成果对于船体结构快速建模具有一定借鉴意义，但以上研究主要侧重于利用CATIA完成传统船体结构设计，而本文研究的非常规FPSO呈圆筒状，结构不同于常规船型。因此，本文考虑从解决圆筒型FPSO骨材定位繁琐，骨材结构关联性及属性可继承性等问题出发，基于CATIA平台，提出一种运用工程模板概念的快速建模方法。这种方法主要通过建立局部母体工程模板，可严格保证旋转复制后板之间、骨材之间的关联性及属性可继承性，从而减少不必要的重复性建模工作，可有效提高前期建模效率，同时降低后期模型修改难度及工作量。

1 传统建模方法

针对本文提到的非常规FPSO圆筒模型，列出以下几种软件及其应用的传统建模方法。

1.1 通用软件FEMAP、NAPA Designer

利用FEMAP软件、NAPA Designer软件来建立圆筒型FPSO模型，其建模方法主要是根据建模人员建模习惯，建立不确定量的部分结构后，进行一般性的旋转复制完成圆筒FPSO模型建立。然而，这样复制得到的结构模型是不带属性的，需要再重复赋属性的工作，建模工作量较大。并且，由于模型骨材之间互不关联，若后期需要修改，则必须逐一进行修改调整，因此后期修改的难度较高，工作量较大。

1.2 基于CATIA的直接旋转SSY法

基于CATIA的3D EXPERIENCE平台，比较直观地可以采用直接旋转结构系统节点法（Structure System，SSY）建立圆筒型FPSO。所谓直接旋转SSY法，其中SSY是指一个节点集，其包含了所需建立的模型；而直接旋转SSY是指，将最先建立的SSY节点作为母体，复制建立多个SSY节点，然后根据需要，分别按相应角度进行旋转，即完成另一部分圆筒模型建立，通过重复同样步骤，可得到所需旋转角度的多个SSY节点，然后将其统一放置于一个产品集下，即完成圆筒FPSO模型的建立。但这种方法的缺点在于，得到的每个SSY节点是各自独立存在的，互不关联，且由于多个SSY节点存在，模型容量会变得很大，同时会加大后期统计模型重量重心的难度。

2 基于CATIA的非常规FPSO快速建模方法

2.1 工程模板法

工程模板法思路是在指定的建模区域及约束范围条件下，建立独立的个体模型，然后将个体模型作为母体模板进行批量调用，这种方法一般常运用于建立类似如舾装设备种类繁多的小样模型中。

2.2 基于CATIA的非常规FPSO快速建模方法

2.2.1 基于CATIA的非常规FPSO快速建模方法依据

圆筒型FPSO的骨材数量众多，且呈辐射发散状，建模定位繁琐，按照常规建模方法会产生较多如参考面定位、赋属性等重复性工作，耗时费力。基于前述2.1节中工程模板法建立的个体模型具有独立存在这一特点，同时考虑到圆筒型FPSO的各层结构甲板、水平桁及辐射舱壁仍存在一定结构对称性；因此，这时依据工程模板法思路，建立局部结构模型，将该部分模型作为母体模板，进行批量旋转复制，一方面可以减少建模的重复性工作，另一方面保证结构骨材之间的关联性，骨材属性的可继承性，进而大大提高建模效率。

2.2.2 基于CATIA的非常规FPSO快速建模流程

在基于CATIA的3D EXPERIENCE平台中，以圆筒型FPSO的主甲板为例，观察到其存在一定的结构对称性，仅需建立主甲板的1/8作为母体模板。具体建模流程如下：

（1）建立定位参考面

直接调用事先外部参考面自动生成小程序，输入参考面个数及等分角度即可生成所需定位参考面，如图1所示。

图1 生成定位参考面

（2）绘制母体模板草图

绘制1/8的甲板结构草图，并建立约束，其中注意骨材之间的约束必须严格介于0° ～ 45°的扇形区域内，同时不能引用非公共部分进行约束，这主要是为了确保批量旋转复制后，甲板上的骨材能旋转到正确的位置，同时保证骨材之间的关联性。母体模板草图如图2所示。

（3）建立母体模板SFD模型

根据母体模板草图及骨材尺寸信息，建立如下页图3所示的母体模板SFD模型，并将SFD模型、母体模板草图及同一区域参考面整合到一个几何文件集内，方便下一步进行旋转复制。

图3 建立母体模板SFD模型

（4）母体模板的旋转复制

复制母体模板的几何文件集，根据需要旋转的角度，更换草图区域中用于约束的起始参考面与终止参考面（如：旋转45°，起始参考面由0°面更换为45°面，终止参考面由45°面更换为90°面），最好同样替换SFD模型板的边界，与前述参考面更换形式一致，即完成母体模板的旋转复制过程。具体旋转过程如图4与图5所示。

图4 母体模板草图的旋转复制

图5 母体模板SFD模型的旋转复制

3 CATIA模型与通用软件模型对比

3.1 快速建模法与直接旋转SSY法的两种圆筒模型对比

同样是基于CATIA建立圆筒模型，对比图6与图7两种方法建立的圆筒模型，可以发现：

图6 直接旋转SSY法建立的圆筒模型

（1）直接旋转SSY法

虽然建立模型速度较快，但需要形成多个SSY节点，导致模型容量变大，且旋转前后模型肉眼上板与板之间处于相互连接上的位置，但实际上相邻部分互不关联，导致后续加大了对整体模型进行重量重心统计的难度；当需要修改模型时，也必须往复切换多个SSY节点，大大增加了不必要的工作量。

（2）快速建模法相比于直接旋转SSY法，由于快速建模法建立的母体模板规则严格，旋转后模型的骨材定位约束具有可继承性，旋转前后模型相邻部分也具有关联性，亦可方便后续一次性完成模型的重量重心统计工作，修改模型也只在一个SSY节点中进行，节省大量工作时间。

3.2 快速建模法圆筒模型与通用软件圆筒模型对比

将基于CATIA快速建模法分别与FEMAP软件、NAPA Designer软件建立的圆筒模型进行对比，参见图7至下页图9，可以发现：

图7 快速建模法建立的圆筒模型

图9 NAPA Designer软件建立的圆筒模型

（1）采用FEMAP软件、NAPA Designer软件建立的圆筒模型同样主要通过旋转复制完成模型建立，存在一定劣势。一方面，旋转复制后的骨材需要重新赋予属性，重复性工作较多；另一方面，两者建立的模型骨材之间不存在约束关联，即当骨材位置及尺寸发生变化需要修改时，相邻骨材不能同时进行调整，需要逐一进行修改或重新定位，修改工作量巨大。

（2）基于CATIA快速建模法的圆筒模型是以母体模板为基础旋转复制而成的，旋转复制后相邻板与板之间，结构骨材之间都具有约束关联性，并且板与骨材的属性具有可继承性；后期若需修改模型时，仅需修改要调整的骨材，其余部分会跟随自动调整，大大减少了前期建模工作量与后期修改工作量，降低了后期修改模型的难度。