CATIA-V6在船舶结构设计中的应用

2021-10-25彭亚康高明星陈熠画徐思豪吴兆年

船海工程 2021年5期

彭亚康，高明星，陈熠画，徐思豪，吴兆年

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

在船舶制造业，国内外的设计方和制造方还未构建出实用化的三维设计体系，二维设计依然是船舶领域主要的设计手段。船舶是一个复杂的大型系统工程，船舶的线型复杂、构件繁多、结构尺寸各式各样，以船舶结构为例，船舶结构拥有复杂多样的各种形式的肘板、开孔、贯穿孔等信息，这些信息使得建模工作量相当大，而且船舶具有设计周期短、定制化程度高等特点，船舶三维设计成本居高不下，三维设计技术的应用受限。不管是从外部市场需求以及内部设计优化和提升的需求来看，三维设计是造船行业未来的发展方向，三维设计可以使目标立体直观化[1]的特点有利于船东和市场了解设计者方案，有利于设计目标的优化与提升。CATIA在三维设计领域有着自身独特的优势，但考虑到船舶行业本身的特点，要想实现基于CATIA进行船舶三维辅助设计需要方法论研究以及二次开发的补充[2-3]。根据中国船舶及海洋工程设计研究院对CATIA三维辅助二维设计方法的研究与应用情况，提出基于CATIA的三维辅助设计思路，探讨CATIA在船舶结构设计领域的应用。

1 基本思路

1.1 CATIA三维辅助设计基本内容

船舶三维辅助设计思路见图1。

图1 基于CATIA的辅助结构设计流程

在船舶设计伊始，先由总体专业确定船舶的三维骨架模型，使模型体现船东的需求、设计方案、舱室划分、大型设备布置等信息，为技术设计做好铺垫与接口，最重要的是确立一个协同依据。设计方可以依据骨架模型与船东进行设计方案的协商，从某种意义上来说，骨架模型就等效于合同设计阶段的方案总图与设计规格书。

确定骨架模型之后，各专业进入初步布置阶段，总体专业进行危险区域划分、防火区域划分；通风冷藏专业布置主要通风管道；舾装与轮机专业进行核心工作设备布置；在该阶段，结构专业可以展开基本结构设计，布置主要桁材，大开孔，骨材形式，包括确定中横剖面，还可以进行结构重量估算、水动力网格划分、输出二维草图；各专业对关键区域的构件进行协调与确认，避免设备、结构出现干涉现象，避免后期较大的改动。

经各专业的协调确定布置模型之后便可启动二维详细设计，此时，各专业相对独立地在本领域内进行详细设计。各专业之间经过反复优化迭代，最终确定目标船的详细设计方案[4]。在整个设计过程中，结构设计具有任务量大、设计复杂、耗时耗力等特点，各专业都需要在船体结构布置的基础上进行设计，提高结构设计的效率对整个船舶设计有着重要意义。

1.2 辅助结构设计流程

三维模型是一个信息高度复合的对象，尽管包含了丰富的设计信息却并不具备工程意义上的直观性，在利用CATIA进行船舶三维建模时，首先需要对设计信息进行分层梳理，具体流程如下。

1)由总体专业构建骨架模型。骨架模型是一个几何模型，可以作为结构专业的定位信息。

2)各专业根据骨架模型构建各专业的全船基本布置模型。基本布置模型利用空间点、线信息作为一个抽象的布置示意，起到定位形状信息的作用。例如结构专业以大梁、纵向连续的骨材迹线、板缝布置等信息绘制基本结构图。结构专业在此阶段建立重量预估模型、水动力网格模型以及强框间距的振动有限元计算模型。

3)结构专业依据一定规则对全船进行区域划分，并在基本布置模型的基础上建立详细的舱段模型，此模型可用来划分骨材间距的有限元模型。在此阶段可通过CATIA的出图功能辅助结构专业的二维设计。

4)结构专业将其他专业需要的背景用统一属性的线框模型在模型中予以表现，其他专业即可将这些线框直接引用至各自模型中进行协调性的修改，形成协同修改的能力。

以上建模流程与设计思路相统一，满足并行协同的要求。可以看出前两步是前期三维设计，第三步是建模过程，结构专业在基本布置模型的基础上可以进行重量预估、水动力网格划分、结构网格划分、辅助二维出图等辅助设计工作。

2 前期重量预估

船体的重量重心是船舶设计的重要指标，船舶前期设计阶段就需要较为准确的预估船体重量，船体重量预估的准确程度直接影响到船舶设计的质量。通常以列表格清单的形式来初步预估船体每一结构件的重量，最后汇总得到船舶的重量与重心位置。这种表格清单预估船舶重量重心的方法虽然能够初步预估船舶重量重心位置，但构件不直观，校对审核困难。

本文基于CATIA在船舶设计前期阶段的骨架模型和初步布置模型基础上快速建立起重量重心预估三维模型，根据此模型分析船舶的重量重心位置、板材清单、骨材清单等信息。

2.1 建模要点

在前期设计阶段对船体重量进行预估时要求过程快速且结果准确，这样就必须对三维建模过程进行一些必要的简化，且简化过程不能影响最终结果。

重量重心预估模型只需在骨架模型和全船初步布置模型的基础上对各板材、筋、大开孔进行赋属性即可。为了提高效率，建模时忽略肘板和小型开孔，肘板和小型开孔可根据设计经验附加一个余量系数，所有的大梁都以筋的形式建模。需要注意的是在对重量重心进行预估之前应该对结构件进行重复性检验以避免重量高估。

2.2 某型船重量预估实例分析

某型船重量重心预估模型见图2，剖视图见图3。

图2 重量重心预估模型

图3 重量重心预估模型剖视图

针对重量重心预估模型，可以根据需要对相应的结构进行重量、重心位置的预估，CATIA可以报表的形式输出结构重量重心，其中全船重量、重心位置见表1。

表1详细给出了结构重量、重心位置以及各板厚、材料的详细清单等信息，此类清单信息便于设计者与各方进行交流。

在前期设计阶段，采用CATIA建立重量重心模型预估船体结构重量重心存优势如下：①准确度高且能直观地核查结果；②报表信息齐全，有利于竞争市场；③相比传统的列表格预估重量的方法，在骨架模型和初步布置模型的基础上建立三维模型的效率较高。

3 辅助二维设计

船体结构专业常常需要绘制外板展开图并与肋骨型线配合来确定外板接缝和外板纵骨位置[5]，CATIA在骨架模型和基本结构模型的基础上能够高效绘制外板展开图。以某型船为例，利用CATIA绘制外板展开图(见图4a))，CATIA生成的外板展开图包含线型信息、板缝信息、构件尺寸等信息，经在CAD中对格式再做一轮调整即可作为正式送审图。

船体结构专业在绘制详细图纸时，往往是在船体外板二维剖面的基础上进行作业，借助CATIA能够相当高效地绘制船体外板的二维剖面图，只需设置剖切面的位置并进行投影即可。图4b)即为船壳的剖面图，此图完全满足设计的要求。在详细设计之前，船体结构专业往往需要搭建众多主要结构的框架，比如在绘制横剖面详细图纸时就需要事先绘制好外板、平台、纵向舱壁等等的剖切图，这项工作需要耗费设计者很多的精力与时间，而在三维骨架模型和基本结构模型的基础上，借助CATIA能够很轻松输出二维框架图纸作为详细设计的基础。以一型船为例，利用CATIA输出横向二维框架图纸(见图4c))，此图满足设计要求并且出图效率十分高效。

图4 辅助船体详细设计案例

CATIA三维辅助二维设计的优势不仅仅体现在出图方面，三维模型还能增加设计人员的空间概念。一般来说，有着丰富经验的设计人员具有空间的概念，即便面对二维图纸也能在大脑中形成三维场景。而尚缺经验的年轻设计人员常常没有实船的空间概念，这样很容易导致考虑不全面，出现设计不合理的情况。三维模型可以帮助设计人员建立很好的空间概念，使设计人员可根据三维模型了解设计所需的环境条件。

4 水动力网格

对于某些条件不满足规范或者规范强制要求预报波浪载荷的船型，需要划分船体的水动力外壳。在计算波浪载荷时，水动力网格常可用型值输入或者有限元模型导入两种途径获得，型值输入生成的网格很难模拟附体以及线型变化很大的船体部分且无法控制水线附近的网格，采用有限元软件例如PATRAN、GeniE等建立有限元模型时面临着船体外壳离散带来的建模困难和网格不好控制的难题。采用CATIA划分水动力网格的方法能够解决上述问题且效率十分高效。

针对某型船，采用CATIA建立三维水动力船体外壳模型见图5。在进行水动力网格三维建模时，在骨架模型的基础上对船体外壳离散的面片进行合并操作，再利用CATIA的坐标系求交生成硬线，硬线主要目的是控制水动力网格，除此之外在水线处建立硬线来控制水线处的网格质量，最终进行网格划分即可得到图6所示的水动力计算网格。

图5 外壳三维模型

图6 水动力网格

图6中外壳内的线条为人为设置的网格控制硬线，可通过在各水线处设置硬线控制水线处的网格质量，有利于水线处的积分计算。此方法存在的优势为：①效率高，约30 min即可得到一个完美的水动力网格；②水动力网格质量好且精确，能够精确且高效地划分附体、球鼻首以及尾部等线型变化很大的区域。

5 有限元建模

自从HCSR生效之后，油船、散货船每一个货舱段都需要进行有限元舱段计算分析[6]，超过280 m的大型集装箱船需要进行全船有限元分析[7]。提高有限元建模效率就能极大地缩短结构设计周期，节省大量的人力。经过十几艘船的有限元建模实践，提出采用CATIA划分有限元的方法能极大地提高有限元建模效率，相比通用的有限元建模软件，在越是复杂、线型变化越大的区域，CATIA的效率越高效，甚至可以成倍提高建模效率。

除了提高效率之外，CATIA内部严格的拓扑、逻辑关系十分有利于模型的修改。在船体设计阶段有时候会面临结构形式改变而被迫修改有限元模型的情况，比如舱室划分变化、平台提升、线型改变等情形，这些改变一旦出现，在PATRAN、FEMAP等有限元软件内修改模型将十分麻烦，而CATIA可在很短时间内解决问题。

5.1 建模要点

基于CATIA有限元建模的方法要点主要是简化模型、局部去协同化、网格优化以及输出修缮。

目前CATIA还无法针对有限元网格模型的需求进行自适应简化，虽然生成有限元的几何模型与实际几何模型在力学性能上相同，但在局部的细节上依然存在很大的差异。需要结合简化原则进行针对性的建模。

局部去协同化主要指船壳的去协同化。在前期设计和详细设计阶段，船壳线型经常会进行局部更新。在CATIA三维模型中，船壳作为所有构件的最底层的外部边界，船壳更新将会带来全船结构的更新。而每一次更新都有可能导致局部的结构对象错误，这将需要会花费大量的时间去修复全船结构。在更新前应当确认船壳更新是否会显著影响结构计算，再判断是否进行曲面更新。总之，在有限元建模过程中应尽可能规避协同导致的冗余迭代。

网格优化是指在结构建模过程中人为的设置硬线硬点来控制网格的质量，以便生成更符合计算需求的网格划分区域。人为设置硬点硬线的方法有很多，例如可以在三维模型中增设特殊属性的假想板和假想筋，且这些单元可根据其特殊属性进行分组删除。

目前CATIA输出骨材间距的有限元网格很难一次性能达到有限元直接计算的要求，这其中既存在人为的因素也存在软件自身的因素。在实用过程中，CATIA保证了大部分的网格主体能够被快速划分，并输出网格文件。输出修缮指的是结合专业有限元软件局部修缮模型，例如影响网格质量的小开孔、局部板缝线等局部信息可不在CATIA中进行建模，这些局部细节可在PATRAN、FEMAP、GeniE等专业有限元软件中进行修缮。CATIA在主构件高效与协同建模方面可与专业有限元软件在局部细节处网格处理优势互补。

5.2 案例分析

CATIA仅提供了建模平台，但建模的方法各式各样。相比于PATARAN、FEMAP、GeniE等常用有限元前处理软件，在正确使用CATIA的情况下，对于越是复杂、线型变化越剧烈的区域，CATIA的建模效率越是高效，建模案例见图7。对于含有线型变化的舱段来说，在同等网格质量的情形下，采用CATIA的有限元网格划分方式所花费的时间成本只有采用PATRAN划分有限元网格方法的60%左右，可有效地提高建模效率。