（轮机工程专业论文）船体结构产品模型建模方法研究及软件系统开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 船舶的虚拟设计是一种以虚拟现实技术为基础，以船舶产品为对象的全数字化的产 品开发手段。采用虚拟设计的技术，实现船体结构设计的数字化，在计算机中建立面向 全生命周期的数据产品模型，不仅能够提高船舶设计的效率，解决结构设计中反复修改 的不便，而且可以对数字化的产品进行产品的设计、分析、加工等过程，及时发现并更 改设计中的问题，保证船舶设计的质量。同时虚拟的数据产品模型可以减少因制作物理 原型所耗费的人力、物力和时间，降低船舶建造费用，缩短船舶建造周期，保证产品开 发一次成功，增强企业快速适应市场变化的能力。 s o l i d w o r k s 是一套基于w i n d o w s 的c a d ，c a e ，c a m _ p d m 桌面集成系统，是机械 制造领域被广泛应用的虚拟设计系统之一。该软件对v e t , 、v c 、d e l p h i 以及任何其它支 持o l e 和c o m 的编程语言提供s o l i d w o r k sa p i 函数，可以方便使用者针对各行业的 产品，二次开发出适合本行业的虚拟系统。本文介绍了一个基于s o l i d w o r k s 平台，以 v b n c 作为开发工具开发的船体结构虚拟设计系统。文章着重阐述了系统的总体结 构，各模块的功能及实现方法，提出了船舶结构数据产品模型的建立方法，对建模中的 关键技术进行了研究、开发。本文开发的系统，具有结构分段划分、船体结构设计等功 能模块。系统可根据型线设计中建立的三维船体曲面模型，完成船体结构设计，实现了 结构分段的参数化建模、动态修改和产品数据管理等功能。可在计算机中建立船体结构 分段完整的数据产品模型，并将产品模型中记录的图形和数据信息应用于后续的设计和 制造。 关键词：虚拟设计；产品模型；s o li d w o r k s ；船体结构 船体结构产r 锦模型建模方法研究及软件系统开发 s t u d y o nh u l ls t r u c t u r ep r o d u c t m o d e h n g a n ds o f t w a r e d e v e l o p m e n t a b s t r a c t v e s s e lv i r t u a ld e s i g ni saw h o l e - d i g i u ap r o d u c td e v e l o p m e n tt e c h n i q u e ，w h i c ha i l n sa t v e s s e lp r o d u c t so nb a s eo fv i m m l r e a l i t y hc a l ln o to n l yi m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo f v e s s e ld e s i g n a n dr e s o l v et h eb o r i n gi t e m t i v em o d i f i c a t i o n ，b u ta l s o h e l pu s e r s t o d e s i g n , a n a l y s e sa n d m a n u f a c t u r ep r o d u c t sb yv i r t u a lp r o d u c tm o d e l ，m o d i f yt h ed e s i g n - p e r i o di n c o r r e c t n e s si nt i m e a n dm e l i o r a t et h eq u a l i t yo fv e s s e ld e s i g n ，a d o p t i n gv i r t u a ld e s i g nt e c h n i q u et ob u i l dl i f e - c y c l e - f a c e dp r o d u c tm o d e li na c c o m p l i s h m e n to fv e s s e ls 仰c t u r ed e s i g n i tc a na l s os a v ec o s t si n b u i l d i n gp r o d u c t si np h y s i c a l ，s h o r t c u tt h es p e n d i n g i nm a n u f a c t u r e ，r e d u c et h ec y c l eo f v e s s e l m a n u f a c t u r e ，e n s m et h es u c c e s si np r o d u c td e v e l o p m e n ta n de n f o r c ee n t e r p r i s et h ea b i l i t yo f r e s p o n s ea g i l i t yi nh i g h - c h a n g e d m a r k e ti nt h em e a n w h i l e s o l i d w o r k si sac a d c a e c a m p d md e s k t o ps y s t e mi nw i n d o w s i th a sb e e nw i d e l y u s e di nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea sas u c c e s s f u lv i r t u a ld e s i g ns y s t e m i tc a r lb ed e v e l o p e d b y a n yl a n g u a g e st h a td e p e n d so l ea n dc o mt e c h n i q u e s s u c ha sv b 、v c 、d e l p h i w i t h s o l i d w o r k sa p if u n c t i o n ，r i s e r sc a l l e a s i l yd e v e l o pt h ea p p l i c a b l e v i r t u a l d e s i g ns y s t e m a c c o r d i n g t op r o d u c t sc h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n tf i e l d s t h ep a p e rb r i n g sf o r w o r dav e s s e ls i l u e t u r ev i r t u a ld e s i g ns y s t e m s ，w h i c hs e c o n d l y d e v e l o p e dw i t ho b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g i ns o l i d w o r k s 。i tm a i n l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r e o f t h es y s t e ma n dt h ef u n c t i o n so f m a i nm o d u l e s ，d i s c u s s e st h ek e y t e c h n i q u e sa n d m e t h o d si n m o d e l i n gd a t ap r o d u c ti nv i r t u a ld e s i g n o nt h eb a s i so f r e s u l t sf r o ml i n e sd e s i g n ，s y s t e mc a n e s t a b l i s ha3 dv e s s e lh u l lm o d e la n d c o m p l e t ev e s s e ls t r u c t u r ed e s i g n t h es y s t e m r e a l i z e st h e m a i nf i m c t i o n si nv i r t u a ld e s i g ns y s t e m ，i n c l u d i n gp a r a m e t r i cm o d e l i n g , d y n a m i cm o d i f y i n g a n dd a t ap r o d u c tm a n a g i n g au n i f o r mv e s s e lp r o d u c td a t am o d e lt h a ti n t e g r a t e sd e s i g n i n ga n d m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o nc a nb eb u i l ti nc o m p u t e r ，w h i c hc a nh e l pu s e r so b t a i ng r a p h i ca n d d i g i t a lr e c o r d s i np r o d u c t ，a n du s et h e mi nt h e f o l l o w i n gd e s i g n a n dm a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：v i r t u a ld e s i g n ；p r o d u c tm o d e l ；s o l i d w o r k sa p i ；s h i ps t r u c t u r e 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他入已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名： 司竖 日期： h 圪r r 弓“) 大连理工大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题的理论意义和应用价值 近年来，世界造船行业的竞争不断加剧，迫使制造厂家必须降低成本，同时要求大 幅度提高生产效率，才能在市场中赢得一席之地。早些年各船厂通过裁员、采用弹性机 构、工程外包等方式，来尽量降低成本和提高工作效率，虽然这些方法使企业效益有所 改观，但不可能有大幅度的改善，只有技术领先和设计手段先进，产品的制造周期才能 大幅度缩短，质量也才能得到提高，技术先进的厂家才是市场的大赢家。 随着计算机功能的日益强大，数据库技术、多媒体技术、网络技术、人工智能、计 算机图形学等软件技术的不断发展，船舶c a d 软件发展至今，已为船舶设计的各阶段 提供了强大的设计手段。面对舰船的日益复杂化、用户需求的不断变化、市场竞争的不 断加剧，船舶c a d 技术已逐渐传统的二维设计向三维虚拟设计转化。 虚拟现实技术提供了人与计算机交融的环境，在这个计算机构造的能够模拟现实世 界的数字化多维空间中，人可以获得与环境相互作用的各种信息，而且这种环境可以代 替一个需要耗费大量时间与资源的实际环境，也可以使产品设计与开发各环节表现得更 逼真。虚拟现实技术有3 个主要特点：实时性( r e a l i t y ) 、沉浸性( i m m e r s i o n ) 和交互 性( i n t e r a c t i v i t y ) 。虚拟现实技术不仅能极大地改善人机界面的交互方式，而且具有 非常广阔的应用前景。 虚拟设计是一种队虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象的设计手段。借助这样 的设计手段，设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互，实现从 定性和定量综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意。 在舰船设计领域，虚拟设计可涵盖建造、维护、设备使用、客户需求等传统设计 方法无法实现的领域，真正做到产品的全寿期服务。舰船虚拟设计以虚拟现实技术为设 计对象的操作媒体，大的方面，可以实现船舶的整体设计贯穿，虚拟船厂模拟：小的方 面，可以完成构件的功能有效性测试，实体间的干涉检查，船舶空间的人流路径设计 2 】。 此外，由于舰船虚拟设计始终以可制造为目标，因此在舰船虚拟设计系统中可以单 独讨论构件( 设备) 的可制造性；而且由于舰船虚拟设计以船舶生命周期为最后目标， 在舰船虚拟设计系统中也可以讨论船舶构件( 设备) 的可维护性。 船体结构产品模型建模方法研究及软件系统开发 因此，通过对面向船舶整个生命周期的船舶虚拟设计系统的开发，可提高船舶设计 的质量，减少船舶建造费用，缩短船舶建造周期。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 9 9 2 年秋，美国国防部高级研究计划署( d a r p a ) 以公开招标的形式，希望有关公 司、企业和机构能够联合开发一种集虚拟样机技术( v i a u a p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 和仿 真技术( s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) ，并对船舶设计、制造、生命周期维护等各项过程兼顾的 新一代船舶设计系统。这一举动引发了一种新的船舶设计方法的探索，即基于仿真的船 舶设计方法( s i m u l a t i o nb a s e ds h i pd e s i g n ) ，简称s b s d 。s b s d 中的关键技术是集成的 开发环境( i p p d ) ，它利用了虚拟现实技术，无缝集成c a e c a d c a m 和数据库，该计划署 在1 9 9 4 年给出了相应的原型系统“。 1 2 1 国外先进虚拟设计造船系统 随着计算机硬件系统的迅猛发展，目前国际上各种先进的船舶c a d c a m 系统有 了较大的发展。可称得上虚拟设计的造船系统有： ( 1 )西班牙的f o r a n 系统。它是一个从概念设计到详细设计钢结构加工、 机舱布置和船舶舾装作业都可使用的功能强大的造船集成系统。s e n e r 声称，他们的f o r a n 系统是市场上最完整的船舶设计及建造系统。 f o r a n 由使用同一数据库的不同软件包组成，能设计出三维拓扑学的 “制造模型”，并为船厂的大部分工作提供信息，如船型设计、船体结 构、机装、外舾装、供暖、通风、空调、供冷、电气、内装、物料管理 及生产设备。而且它是基于模块化的，适应性强，适用于任何类型的船 舶和任何规模的船厂。 ( 2 ) 瑞典的t r i b o n 系统。该系统包括了初步设计、生产设计、计划管理的 全过程，系统具有自行开发的图形支撑软件及工程数据库平台，具有参 数化造型、线框建模等实体模型修改等特点，并在初步设计阶段考虑到 初步生产设计时的各种因素。但由于它是k c s 公司兼并的各c a d ，o k m 产品，t r i b o n 的各分系统的接口连接，数据结构上还存在一定的问 题，有待于进一步完善。目前国内几大船厂大连造船厂、广船国 际、江南造船集团公司、沪东造船集团等都安装了k c s 公司的t r i b o n 系统，t r i b o n 在全球已有2 0 0 余家用户。 2 人连理jl ：火学硕士学位论文 ( 3 ) 美国p t c 公司的c a d d s5 系统。该系统包括c a d d s5 - c vh u l l ( 船 型与数据结构) 、c a d d s5 c s t ( 钢结构设计) 、c a d d s5 - h v a c ( 热 力、通风、空调系统设计) 模块。采用了p t c 公司的b e h a v i o r a lm o d e l i n g 先进技术，是船舶设计制造有效平台。 ( 4 ) 虚拟制造系统e p d c o n n e c t 。c o m p u t e r v i s i o n 公司开发的e p d c o n n e c t 饵p d e 1 e c 仃o n i cp r o d u c td e f i n i t i o n ) 是一个能进行计算机虚拟制造的新 软件工具，它拓宽了存取工程和制造信息的渠道，将不同来源和不同i t 系统中的信息和应用程序集结在一起，如c a d 和m r p 。e p d 在9 0 年 代中期首次被航空、汽车和造船公司所采用和验证。1 9 9 8 年初， l o c k h e e dm a r t i n 财团实现了e p d c o n n e c t 的首次商业应用，该财团 l i t t o n 公司的i n g a l l s 造船厂和n e w l x ) r tn e w s 造船厂已选定e p d c o n n e c t 技术来运行美国海军开发的集成制造数据环境系统( i p d e ) 。 ( 5 ) 船舶设计及工程系统n u p a s - c a d m a t i c 。由荷兰的n u m e r i e kc e n t r u m g r o n i n g e nb v 和芬兰的e l o m a t i c c a d r n a 舡i c 有限公司合资组建的 m j p a s c a d m a t i c 公司所开发的该系统是一个。山c a 王c a m 集成 的系统。它是一个包含船体、管系、机装、舾装、舱室设计、工程和舾 装制造信息的新一代开放式软件。 n u p s a c a d m a t i c 的主要优点如下： 它是开放和用户可定义的软件，因而容易安装且严格满足每一船厂 的特定要求。 它的菜单和图像技术使其简单易学，工程师可以按自己的想法进行 设计，控制三维模型建立及定义数据库。 n u p a s c a d m a t i c 的三维功能使不同设计部门能共享设计信 息，所有用户都可以通过计算机网络共享最新的设计信息，因而缩 短了设计周期，提高了设计质量和产品质量。 n u p a s c a d m a t i c 的漫游功能是观测三维模型的优良工具，用 户可进入三维模型中漫游，他它给出了整个船舶的真实面貌，在区 域建造和装配之前就可以进行预装配，从而减少了上船的次数。 该软件能生成准确而高质量的生产信息，不但生成图表文件，也可 以生成建造的数控数据、自动装配数据等，这样能最大限度降低生 产成本，节省材料，显著减少加工和装配中的差错。 3 船体结构产品模型建模方法研究及软件系统开发 该软件的结构使船厂能很方便的转包部分设计和工程，承包上完成 一个分段后，可通过i n t e r n e t 发送回船厂，它将插入数据库而 成为整艘船的整个三维制造模型数据库的一部分。 该系统有较好的售后服务，能倾听各厂家的建议，不断提高系统的 性能。 在过去几年中，n u p a s - c a d m a t i c 已大大巩固了其作为重要船 厂c a d c a 眦a m 系统的供应上的地位，它在欧洲造船市场的地位可 谓举足轻重，尤其是在荷兰和德国。目前购买了n u p a s c a d m a t i c 的大公司除了u l s t e i nv e 撒以外，还有荷兰的s c h e l d e 造船厂和i h c 挖 泥船厂、德国的f i e n s b l l r g e rs h i f f b a u 、新加坡的k e n t o n 船舶公司，葡 萄牙的e s t a l e i r o sn a v a i sd ev i a n ad oc a s t e l o 等，现在全世界约有5 0 家 船厂及顾问公司使用该软件“1 。 1 2 2 国内造船计算机应用现状 近年来，国内多数大型造船企业、设计院和大学等研究机构相继引进国外大型船舶 设计制造集成软件t r i b o n 、c a d d s 5 和c a t i a e n v i a e n v i s i o n 。国内造船工业正 在积极从事船舶先进制造技术的研究，例如：原船舶总公司开展了由传统造船向现代造 船模式转换的专项研究；广船国际、上海交通大学、船舶工艺研究所三方联合研究的国 家经委重点创新项目“船舶集成制造技术”等。但由于国内造船业计算机集成化应用相 对落后，现在国内仍没有自主开发的真正意义上的船舶虚拟设计系统。 1 3 选题的学术特色、技术路线和主要研究成果 基于并行的船舶虚拟设计克服了传统c a d 系统信息不足，与制造脱节的弊端，在 未来数字化造船的建设中必然成为主流的船舶设计手段。目前，我国在船舶虚拟设计领 域的研究还处于起步阶段，再加上船舶设计的综合性和复杂性，所以要完成一个通用的 船舶虚拟设计系统还相当困难。数据产品模型的建立是虚拟设计系统实现的基础和关 键，因此只有对船舶虚拟设计中数据产品模型的建模方法进行深入的研究，找到有效表 达船舶数字化产品的可行方法，才能最终实现真正意义上的船舶虚拟设计系统。 本文介绍了基于参数化特征建模方法建立的适合船舶虚拟设计系统的数据产品模 型。在面向对象的编程环境下，以s o l i d w o r k s 作为平台，调用a p i 函数二次开发提出了 4 大连理工大学硕士学位论文 面向船舶产品生命全周期的数字产品模型的方法，完成了船舶分段结构虚拟设计的基本 功能。 系统版本介绍：w i n d o w s 单机板 操作系统：w i n d o w s 2 0 0 0 以上操作系统 图形开发工具：s o l i d w o r k s 2 0 0 3 a p i ， 开发工具：v b v c6 0 数据库系统：s q l s e r v e r2 0 0 0 本课题研究内容为： ( 1 ) 采用基于面向对象方法实现特征建模的思想，在系统中设计船舶数 据产品模型的主要类库，以此建立船用零件库。 ( 2 )在系统中建立基于产品全周期的船舶分段结构数据产品模型，实现 船体分段结构设计的三维模型参数化交互式动态设计。 ( 3 )建立船舶产品工程数据库，可对结构构件及材料信息进行提取和管 理，用于船舶的生产建造。 ( 4 ) 根掘三维设计模型。生成二维工程图纸。 本文最后以某油船结构分段为例，实现了分段的参数化建模、动态修改、工程数据 库的管理和二维工程图纸的生成，从而在计算机中建立一个集设计、制造信息于一体的 面向船舶产品生命全周期的统一的船体分段结构的数据产品模型。系统借鉴了机械等其 他领域虚拟设计的研究成果，运用了计算机发展的许多新技术，使用户的生产设计更为 方便快捷成为可能。 s 船体结构产品模型建模方法研究及软件系统开发 2 虚拟设计的主要理论方法 2 1 虚拟设计的概念 虚拟设计技术是对真实产品制造的动态模拟，是一种在计算机上进行而不消耗物理 资源的模拟设计制造的软件技术。它具有建模和仿真功能，是产品从设计过程、生产过 程、工艺计划、调度计划、物资采购供应到生产管理全过程的一种集成的、综合的制造 环境，在真实产品的制造活动之前，就能预测产品的功能以及制造系统的状态，从而可 以做出预先的决策和优化实施方案。 虚拟设计技术包含以下三种含义：以设计为中心的虚拟制造v m ( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) ，这类v m 是将制造信息加入到产品设计和工艺设计中，并在计算机上 进行数字化制造，仿真多种制造方案，评估各种生产情景，通过仿真制造技术来优化产 品设计和工艺设计，以便做出正确决策。以生产为中心的v m ，这类v m 是将仿真技 术加到生产技术模型中，以便快速评价生产计划，检验工艺流程、资源需求状况以及生 产效率，从而优化制造环境和生产供应计划。以控制为中心的v m 。这类v m 是将仿 真技术加到控制模型中，提供对实际生产过程的仿真环境，其目的是实现实际生产中的 过程优化，改进制造系统。这里本文主要讨论的是以设计为中心的虚拟制造技术。 2 2 虚拟产品模型( m a lp r o d u c tm o d e l ，v 】) i ) 虚拟设计利用存储在计算机内部的数字化模型虚拟产品模型来代替实物模型进 行仿真、分析，从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目标中的决策水 平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。建立虚拟化的试验模型篚拟产品，目 的是对产品外形、功能、使用性、可靠性等进行测试，以便加快决策速度，改善产品开 发的并行性。因此，必须要求完整可靠的产品描述，不仅包括产品定义数据本身，还包 括产品所有相应环境的描述，以及产品和环境相互作用规律的描述。通过产品、环境及 相互作用规律来考察产品生命周期中的各项性能。 定义1 产品模型( p m ) 是产品各方面要素( 功能、结构和行为) 及其相互关系的 描述，它要能提供足够的信息( 图形、数据和文本等) 以保证产品能够物理实现和满足 预期的功能。 - 6 - 大连t 里_ - r l _ 大学硕士学位论文 定义2 虚拟产品模型( v p m ) 是反映产品本质的基于计算机的集成化数字模型。 它能够反映产品在全生命周期内具有的功能和性能，并且从多个技术层面和角度反映产 品的本质。 显然，定义2 从根本上把v p m 和通常的p m 区别开来。p m 只是最终设计结果的 记录，如通常的2 d 图纸，它不能全面反映产品的本质，不能反映产品模型的演变历 程，更不能对其进行测试。v p m 是研究虚拟设计各个问题的基础，可以通过各种仿真 工具和虚拟现实工具对产品进行设计、分析，在多个通道中交互性、沉浸性和想象性地 感受产品的功能、结构和行为 5 1 。 2 _ 3 产品建模的主要思想方法 虚拟产品建模( v p m ) 是产品生命周期过程中与给定产品相关的全部信息的仓库， 而模型本身包括数据、结构和算法。目前，产品信息模型大致包括：基于几何的产 品信息模型、基于特征的产品信息模型、基于约束的产品信息模型、基于全生命周期的 集成产品模型、基于s t e p 的产品模型、基于特征语义关联的模型、基于变动特征的模 型、信息基因模型。这些理论和方法的思想和特点可归纳为表2 - l 。 表2 1 不同p m 的建模思想和特点 f p m 建模思想特点 l 几何p m几何约束几何尺寸参数化 特征p m特征中反映几何描述和工程具备工程特征 语义 s t e p p m 提供了一套完整的描述规开放性、层次性、 范、方法、工具和应用协议多维性 信息基因p m借鉴基因遗传机带乱利用概念继承性、模块化、 基因模型和结构基因模型描述产转换性、自组织性和代 品设计码化 目前基于实体的建模方法，产品模型的不足集中表现为： ( 1 ) 对各个阶段产品信息静态的描述，难以反映产品的设计历史与过程。由于 缺乏描述产品模型与产品开发过程融合的机制，忽略了产品开发中的信息 继承、过程进化、模型演化等历史性信息，无法解决产品模型的来源和状 态转化问题。 7 船体结构产品模型建模方法研究及软件系统开发 ( 2 ) 对产品开发过程很少有反馈机制的描述，不能有效表达设计内涵。产品建 模是表达设计概念和进行结构创新的过程，现有的产品模型由于建模层次 低，缺乏产品和过程的交互关系，所以难以有效表示设计意图和结构关 联。 ( 3 ) 产品建模的智能化程度不够。在产品建模过程中应该描述产品赖以产生的 环境、知识、规则等外部过程信息，还需建立产品模型演化与设计意图之 间的关系。 2 4 利用特征造型技术建立虚拟产品模型 2 4 1 面恕虚拟设计的产品特征建摸 基于特征的虚拟产品建模技术，把特征作为产品模型中的基本单元并把产品描述 为特征的有机组合，使特征成为c a d c a p p c a m 并行集成中信息的载体，可以实现产品 信息从c a d 向c a p p 、c a m 正确地传递，以满足产品生命周期内各阶段对产品信息的不 同需求和保证对产品信息理解的一致性。特征建模克服了传统实体造型的种种弊端。成 为现阶段c a d c a m 系统中的主流建模方法。 在虚拟产品建模中引入特征模型技术目前在学术界已达成共识，但是对特征的具体 含义和内容的认识还不一致，如何在产品模型中实现特征造型则是需要继续进 亍研究的 内容。 目前，特征的定义还没统一，在不同特征的具体陈述中，不同的人从不同角度给出 了不同理解，但也存在一些共同点，即都是把特征作为产品模型中相关联的数据集合所 共有的某种工程内容的抽象：引入特征的目的是为了将产品信息处理与工程处理直接关 联，以提高处理的智能级别并简化和加速集成处理的操作。因此，可以将特征理解为 产品信息工程智能化服务的功能性对象。从特征功能出发分析，由于应用领域以及分析 处理侧重点的不同，现存的多种特征定义在其应用环境中都有其合理性。 2 4 2 产品特征的分类 特征兼有形状和功能两种属性，特征可分为：形状特征、工艺特征、设计特征和装 配特征等。 形状特征：是一组与零件几何形状相关的信息集合。 工艺特征：是指与零件制造过程有关的信息集合。 装配特征：是指与装配设计d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ) 有关的信息集合。 - 8 大连理工大学硕士学位论文 形状特征是零件模型中最重要的特征，具有特定的功能，是构造零件形状的基本要 素。与零件模型相关的形状特征、工艺特征和设计特征基本上包含了产品设计和制造活 动所需要的信息，在这三种特征中，形状特征又是工艺特征和设计特征的载体，后两者 图2 1 特征组成与分类 可作为独立信息模块单独造型，又可直接作为产品的内部属性附加于形状特征模型，因 此，形状特征是实现特征造型的关键。 形状特征的最大特点是特征几何参数( 如圆柱面的长度与直径) ，) j n - r 要求( 如 公差、精度、表面粗糙度、加工方法等) 与几何形状的相关性。由此可见绝大多数零件 信息都依附于形状特征之上( 如几何形状尺寸及公差、表面粗糙度、形位公差、热处理 方法、加工方法、工艺参数等) 。因此，零件的形状特征不仅是构造零件模型的主干， 9 船体结构产品模型建模方法研究及软件系统开发 而且是联系设计特征和工艺特征之间的桥梁。这说明在并行设计集成系统中，零件设计 与工艺设计不是相互独立，而是彼此并行交叉的设计过程，零件信息和工艺信息通过多 次迭代逐步完善而形成既满足给定功能又具有制造工艺性的产品零件。工艺特征使得产 品模型与制造方法联系起来。而且它还是工艺评价的对象【6 j 。 2 4 3 基于面向对象的产品信息对象 。 产品模型实质就是信息化了的产品，从信息处理角度，产品可抽象为一个信息对 象。产品对象中的信息数据可分解为三部分：几何形体信息、非几何属性信息和有关该 产品的知识信息。产品对象的组成及其内部关系如图2 _ 2 所示。 将模型视为对象，用对象的成员变量来记录模型的表观特征，用对象的成员函数来 实现产品信息的处理。采用面向对象的方法可以很好的描述船舶的数据产品模型 ”。 图2 - 2 产品对象组成 2 4 4 面向虚拟设计的产品模型系统的建立 基于特征的虚拟设计产品模型系统框架如图2 3 所示。 从c a d 应用角度考虑，用户最需要的是面向用户专门化应用的特征功能；但从 c a d 支撑系统开发角度看，特征的定义需要规范化。为解决应用特征多样化和系统开 发特征规范化之间的矛盾，可将特征的定义和实现分为多个层次级别，至少可以分为系 统级特征和应用级特征，系统级特征指c a d 系统提供的特征，它们是构成复杂产品对 象的最基本内容和方法，经过规范化，由开发c a d 支撑软件创建。c a d 支撑软件除 了提供系统级特征之外，还应提供调用、组合系统级特征组成更复杂特征的工具和方 法。应用级特征就是使用上述工具和方法，为满足用户专门化要求而构建的特征。根据 应用领域的范围，在系统级特征和应用级特征之间还可以加设中层次的特征。对于具有 1 0 大连理工大学硕士学位论文 特征功能的产品模型系统来说，衡量其特征功能不只是提供特征类型的数目，更重要的 是提供用户自定义和扩充特征定义的能力。 图2 3 产品模型系统结构 2 4 4 1 系统级特征和特征造型操作 在实体几何造型系统中，以体素作为造型基本单元；基于同样的思想，引入特征体 素作为特征造型单元。系统可包含以下几种特征体素类： ( 1 ) 基准特征体素类 基准特征体素是为了确定特征体素的相对位置而引入的辅助平面、辅助轴和辅助 点，一般称为基准面、基准轴和基准点。基准特征体素是定位用的虚拟体素，物理上并 不存在。 ( 2 ) 基本特征体素类 特征造型中也可保留了实体造型系统中的体紊：长方体( b o x ) 、球( s p h e r e ) 、楔形体 ( w e a g e ) 、圆锥体( c o n e ) 、圆柱 * ( c y l i n d e r ) 、圆环体( t o m s ) 等简单的几何体，称为基本特 征体素。 ( 3 ) 基于截面图形生成的特征体素类 船体结构产品模型建模方法研究及软件系统开发 船舶产品中大量的零件形体是由二维图形扫描而成的，这类形体生成分为两个步骤 二维截面图形的生成和参数化 首先选择作为截面生成平面的基准面，然后在截面生成平面中绘制二维图形，图形 采用参数化策略处理，实现截面的参数化生成。 扫描生成三维实体 ， 使二维截面图形沿给定路径( 一条空间曲线) 扫描生成三维实体，简单的扫描方式 是拉伸( 路径为直线) 和旋转( 路径为圆弧或圆) 。 ( 4 ) 自定义特征体素类 在船舶工程中，有许多具有固定拓扑形状的结构，这时用户希望将常用的结构加以 命名，作为造型单元使用，这类结构称为自定义特征体素。它是前面几种特征体素的组 合，实际上可以将之看做是一段造型过程的记录，可以直接引入到构形历史中。 系统级特征中除了提供特征体素外，还提供了生成产品模型的相关操作即特征造型 操作，常用的特征造型操作有： 特征实例化 赋予特征体素具体参数以产生具体特征体素。 实体平移和转动 实体相对定位基准作平移和转动。 横截面的扫描 通过横截面形成实体。 拼合 通过实体之间的并、交、差等运算生成产品的边界模型。 过渡 指对形体的两个或多个相邻面进行过渡，即使用平面或曲面取代边或角，通常有平 滑过渡( r o u n d ：在相邻两面之间用圆柱或圆锥面光滑过渡) 和平面过渡( c h a m f e r ：相当于 切去楔或角) 。理论上讲，过渡操作可以通过基本特征经过拼合实现，但十分困难，一 般通过局部操作直接修改形体数据结构。 2 4 4 2 应用级特征和特征的语义表达 用户在工程抽象层次上通过应用级特征实现特征造型的语义表达，由系统转化为系 统级特征体素造型进而生成边界模型。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 2 4 4 3 构形历史和动态设计 造型过程中的第一个特征体素常称为基本特征体素，后继的特征体素以现有的特征 体素为参考生成新的特征体素，在各特征体素之间形成了父子关系，父特征和子特征之 间的特征定位平面记录了特征之间的定位关系。整个零件的几何形体可以看作做是特征 体素按一定顺序组合而成，构形历史记录了造型历史。将构形历史中的特征体素逐个进 行运算，就可得到零件的几何和拓扑数据。在特征定位平面中修改特征体素的尺寸或特 征体素间的定位，或者插入、删除特征体素后，重新遍历构形历史就可得到修改后零件 的几何形状，这样就实现了产品模型的动态修改”。 2 4 4 4 参数化的特征模型 将产品对象的组成封装为类，如图2 4 给出了产品模型的类层次图，建立特征类 库。应用级特征类和系统级特征体素类具有相同的基类c f e a t u r c 类，通过虚函数可以具 有相同的接口，c d a t u m p l a n e 类封装了基准特征体素；c s k e t c h p l a n e 类封装了横截面的参 数化操作，提供了与参数化处理系统的接口：c s o l i d 等类封装了边界模型的组成要素； c h a r d n e s s 类、c m a t e r i a l 类、c r o u g h n e s s 类和c t o l e r a n c e 类分别封装了硬度、材料、粗糙 度和公差等非几何属性；c g e o t o l e m n c e 类和c c o n t o l e r a n c c 类分别封装了尺寸公差和形 位公差；c p a r t 类封装了产品模型所有的信息和接口。 图2 - 4 产品模型类层次图 类c f e a t u r e 由c o b j e c t 类派生而来，包含特征的公共信息。 c l a s sc f e a t u r e p r i v a t e ： c s t r i n gm - f e a i d ：当前特征码 1 3 船体结构产品模型建模方法研究及软件系统开发 c s l r i n gi n f e a n a m e ：特征名 c s t r i n gm f e a t y p e ：特征类型( 正特征或负特征) c s l r i n gm - o p e r a t o r ：正则拼合运算符( i n t e r s e c t 、s u b t r a c t ) c f e a r e l a t i o n m f e a r a l a t i o n l i s t ；指向该特征的约束关系链，当特征为根特征 时为空： 。 c p a r t * m - p a r t ：当特征为根特征时，指向该特征模型表达的零件：否则为空 c p l a c e m e n t 3 d + m f e a l o c a l c o o r ；特征的局部坐标系 c p o i n t + m - l o c a t e p o i n t ；定位点 f l o a td x l ，d y l ，d z l ；定位点至局部坐标系原点的偏移量 c p o i n t+ m r e f e r e n c e p o i n t ：参考点 f l o a t d x 2 ，d y e ，d z 2 ；定位点至参考点的偏移量 c f a c em - f a c e ：基准面 c s t r i n gm _ m o d e ；生成方式“e 代表拉伸，“s ”代表扫描，“r ，代表旋转 c g r a p hn l g r a p h ；草图轮廓 s t r u c tg e o m p a r a m + p p ；特征生成参数 c f e a t u r e* m - n e x tf e a t u r e ；指向该特征的下一个特征 c b o d y+ m b o d y ：指向对应该特征的实体 ) i 草图特征由横截面通过拉伸、旋转或扫描而成，在草图特征中，需要包含对横截面的 描述和自身参数，如拉伸方向和长度、旋转轴和角度、扫描路径等。我们使用 c e x t r u d e f e a t u r e 、c r e v o l v e f e a t u r e 和c s w e e p f e a t u r e 类来描述草图特征。下面是 c e x t r u d e f e a t u r e 的描述，这里只列出形状特征的相关部分 c e x t m d e f e a t u r e ：p u b l m c f e a t u r e p u b l i c ： c s t r i n gm - s f e a t t t r e n a m e ； u 心汀m - n f e a t u r e l d ： c o b j e c t + m - p g e o m e t r y e n t i t i e s ：指向构成横截面的几何元素的列表 d o u b l em i d i r e c d o n 3 ；拉伸方向 d o u b l em i l e n g t h ；拉伸长度 c o b j e c t 3m p f e a t u r e r e l a t i o n ；指向表达特征关系的类 c o b j e e r3m - p b r e p ；指向特征的b r e p 结构，生成体素的边界模型表示 1 4 大连理工大学硕士学位论文 ； 在c e x t r u d e f e a t u r e 类中，m p g e o m e t r y e n t i t i e s 用于参数化，m - p b r e p 指向特征的b r e p 结构描述，用于特征运算” h 0 1 。 1 5 - 船体结构产品模型建模方法研究及软件系统开发 3 系统采用主要软件及关键技术 3 1s o l i d w o r k s 简介 s o l i d w o r k s 是基于w i n d o w s 平台的三维实体特征建模软件系统，是微机版参数化特 征造型软件的新秀，利用了多种流行技术，如革图生成器与面向对象技术，且系统具有 可扩展性和集成能力，采用p a r a s o l i d 作为几何平台和d c m 作为约束管理模块，底层功能 得到了专业机构的支持，技术相对成熟，具有很强的稳定性。采用特征树和装配树来直 观管理产品的设计过程，有严密的几何和尺寸约束关系，清除区分欠约束和全约束，零 件、装配图和二维图全程共享关联性约束，它的设计数据1 0 0 可以编辑，尺寸、相互 关系和几何轮廓形状可以随时修改；s o l i d w o r k s 具有特征管理器，复杂零部件的细节和 局部设计安排条理清晰明了，操作简单；s o l i d w o r k s 的全相关技术使得零部件之间和零 部件与图纸之间的更新完全同步；s o h d w o r k s 日自动进行动态约束检查，具有强劲复杂 曲面造型能力，能设计表面形状复杂的船体曲面和各种曲面零件；s o l i d w o r k s 既可以先 设计立体的钣金零件也可以按零件的平面展开图进行设计。由于以上特点，s o