（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船体维护保养三维模型应用及关键技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着世界经济全球化趋势不断发展，担任各个国家进出口货物主要运输任务的海上 运输业务量大大增加，海运对于国际贸易正发挥着前所未有的重要作用。由于航运业历 来属于高风险行业，如何保证船员、船舶和货物的安全，提高船舶营运效率，己成为各 海运公司面临的重要问题。 为了解决海运的安全问题，从1 9 1 4 年的s o l a s 公约到1 9 7 3 年的m a r p o l 公约， 国际海运界已经制定了一系列的国际安全公约。这些公约大多是从船舶设计、航行规则、 设备性能、操作规则等方面给出的一系列安全技术规范。对于海洋运输公司来说，更需 要一套针对运营中船舶设备、结构零件的管理方案。只有海运公司全面的了解运营船舶 的设备状况、结构腐蚀损坏情况，才能更好地指导船员对船舶设备进行维护保养，同时 根据结构状况，提前定制修理计划，提高营运效率，有效的保证了船舶运营安全。 目前国内海运公司普遍以国标g b t 1 6 5 5 8 1 7 ( 2 0 0 9 ) 船舶维修保养体系( c w b t ) 为基础，开发和应用了基于b s 或者c s 的船舶设备维护保养管理软件系统。但由于船 体结构复杂，构件数量庞大，单纯使用二维关系数据库无法准确高效地描述船体结构状 况。也无法应用这些系统实现对船体结构和涂层状况的管理。 本论文针对目前海运公司在船体结构保养和涂层状况检查方面的不足，提出一种通 过三维模型实现船舶结构维护保养的方法。通过对c a t i a 软件系统的定制和二次开发， 建立船体结构三维模型，采用s q ls e r v e r 数据库存储构件属性和状态信息，通过v b n e t 集成3 d x m l 模型浏览插件开发，实现船体结构和涂层的三维管理，直观的显示船舶构件 状况，从整体上查看、统计、分析船体结构件腐蚀、损坏情况，从而提高海运公司对船 舶的管理水平。 关键词：船舶；维护保养；三维模型；c a t i a ； 船体维护保养- - - - 维4 9 型应用及关键技术研究 t h e a p p l i c a t i o na n dk e yt e c h n i q u eo fs h i p3 dm o d e li ns h i p m a i n t e n a n c e a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l de c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，m a r i t i m et r a n s p o r t a t i o nb u s i n e s s ， w h i c hc a r r ym a j o ri m p o r ta n de x p o r tt r a n s p o r tt a s kf o rm a n yc o u n t r y ，i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y i nr e c e n ty e a r s s h i p p i n gi s p l a y i n ga ne v e ri m p o r t a n tr o l ei ni n t e r n a t i o n a lt r a d e a st h e s h i p p i n gi n d u s t r yi sah i g h r i s ki n d u s t r i e s t h ei s s u e s ，h o wt oe n s u r et h ec r e wm e m b e r s ， v e s s e l sa n dc a r g os e c u r i 够，i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs e r v i c e ，w a sc o n c e r n e db yt h es h i p p i n g c o m p a n i e s i no r d e rt os o l v em a r i t i m es e c u r i t y i s s u e s ，t h ei n t e r n a t i o n a ls h i p p i n gi n d u s t r yh a s d e v e l o p e das e r i e so fi n t e r n a t i o n a ls a f e t yc o n v e n t i o n s ，r a n gf r o ms o l a sc o n v e n t i o n ，1914t o m a r p o lc o n v e n t i o n ，19 7 3 m o s to ft h e s ec o n v e n t i o n so n l yc o n c e r nt h es h i pd e s i g n ， n a v i g a t i o nr u l e s ，e q u i p m e n tp e r f o r m a n c e ，o p e r a t i o n a lr u l e s ，e t c ，a n dp r o v i d eas e r i e so f s e c u r i t yt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s ，h o w e v e r ，s h i p p i n gc o m p a n yp r e f e ra 。s e to fm a n a g e m e n t s o l u t i o nw h i c hc a nm a n a g em a r i n ee q u i p m e n ta n ds t r u c t u r a l c o m p o n e n t s o n l ya f t e rt h e c o n d i t i o no f s h i p se q u i p m e n ts t a t u s ，s t r u c t u r ec o r r o s i o na n dd a m a g ei sa c c e s s e dc o m p l e t e l y ， t h es h i pc o m p a n yc a l lc u s t o mm o r ee f f e c t i v em a n a g e m e n tp r o g r a m ，w h i c hc a n g u i d ec r e w st o c a r r yo u ts h i p se q u i p m e n tm a i n t e n a n c e m e a n w h i l e ，r e p a i rp l a ni sc u s t o m i z e da h e a db a s e do n c o m p o n e n t ss t a t u s a l lo ft h i sw o r k sa r ed o n ef o ri m p r o v i n gs e r v i c ee f f i c i e n c ya n ds h i p s a f e t y m a i n t e n a n c em a n a g e m e n ts y s t e m ，u s e di ns h i p p i n gc o m p a n y ，b a s e so nt h es h i pr e p a i ra n d m a i n t e n a n c es y s t e m ( c w s t ) ，g b t16 558 1 7 ( 2 0 0 9 ) b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fh u l l s t r u c t u r ea n dt h el a r g en u m b e ro fc o m p o n e n t s ，i tm a k e su n a b l et od e s c r i b et h es t r u c t u r a l c o n d i t i o no ft h eh u l la c c u r a t e l ya n de f f i c i e n t l yw i t ht h et r a d i t i o n a lt w o d i m e n s i o n a lr e l a t i o n a l d a t a b a s e t h e r e f o r et h e s em a n a g e m e n ts y s t e m s ，i nu s ef o rd e c a d e s ，a r eh a r d l yt om e e tt h e c h a l l e n g e so fs h i ps t r u c t u r ea n dc o a t i n gc o n d i t i o n s an e w s h i pm a i n t e n a n c em e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nt h e3 ds h i pm o d e la n du s e di nt h e s t r u c t u r em a i n t e n a n c ea n dc o a t i n ge x a m i n a t i o n ，i sp r e s e n t e di nt h i s p a p e ri no r d e rt o o v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo ft h et r a d i t i o n a la p p r o a c h i nt h i sm e t h o d ，t h e3 ds h i ps t r u c t u r e m o d e li sc r e a t e dt h r o u g hc u s t o m i z a t i o na n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc a t i a ，a n dt h e p r o p e r t i e sa sw e l la st h es t a t u si n f o r m a t i o no ft h es t r u c t u r ea r es t o r e da n da c c e s s e dw i t hs q l s e r v e rd a t a b a s e t h es h i ps t r u c t u r ea n dc o a t i n gi s m a n a g e dw i t h s o f t w a r eb a s e do n d e v e l o p m e n to f3 d x m lm o d e lb yv b n e t w i t ht h i sm e t h o d ，s h i ps t r u c t u r ea n dc o a t i n gc o u l d i i 大连理工大学硕士学位论文 b ev i e w e df r o mt h e3 dm o d e li n t u i t i v e l y ，a n di ti sa l s op o s s i b l et os e et h ec o r r o s i o na n d d a m a g eo ft h ew h o l es h i ps t r u c t u r ev i s u a l l y ，w h i c hc o u l dg r e a t l yi m p r o v et h em a n a g e m e n t l e v e lo ft h es h i p p i n gc o m p a n y k e yw o r d s ：s h i p ；m a i n t e n a n c e ；3 dm o d e l ；c a t i a i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 名! = 未目：】 日期： 导师签名： 墨鲤 ! 日期： 年二l 月2 二日 年二l 月j l 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1选题依据 在船舶航运过程中，船舶设备的维护保养对于船舶的安全性、提高营运效率具有重 要的意义。设备的正确使用和周期性的精心维护，是设备管理工作中的重要环节。随着 船舶的使用，由于船舶装载、碰撞及海浪会对船体结构造成损伤，另外压载舱内压载海 水的腐蚀及海水对船体甲板和外板的冲刷等作用也会损坏船体结构的涂层，当船体结构 失去涂层的保护时，就会加快腐蚀，造成结构损坏。 由于船体结构损坏严重、涂层状况较差或者设备维护保养不及时等原因，都会导致 。营运船舶无法正常运营，影响船舶的营运效率，情况严重时甚至会导致船舶的灭失，危 及到船员的生命安全。 因此必须要对船体结构和船舶设备的维护保养给予足够的重视，明确检查维修人员 对设备使用维护的责任和确定结构涂层状况的检查工作内容，建立必要的规章制度，同 时使用软件系统配合船员填报、机务审核等工作，保证船舶运营的安全性。 可以根据船员周期性的检查记录，统计易发生构件损坏、腐蚀的区域，为日后的维 护保养、船舶设计提供决策经验。机务也可以根据船舶设备和结构状况，提前制定修理 计划，以免影响船舶运营。 1 2现状概述 目前有许多船公司在线管理软件，比如a b s 船级社的s a f e n e t 船舶管理软件、 s p e c t e c 公司的a m o s 船舶管理软件【l 】、l r 船级社的h u l li n t e g r i t y 船体结构检查管理 系统、中远集运船舶管理信息系统( c o s c o n s m i s ) 【2 】、中海集团航运船舶管理信息 系统等。 国内开发的维护保养系统大多基于船舶维修保养体系( c w b t ) 开发的，c w b t 是 以我国传统的船舶维修管理模式为基础，吸收国外先进的管理经验，结合我国具体实际 而研制的一种现代化船舶技术管理模式，主要是针对运营船舶的机电设备进行管理。 船公司目前对于船体结构以及舱室涂层的管理方式主要是采用二维图纸和文本来 描述和记录缺陷信息，无法直观的表述船体结构和舱室涂层状况，而这些信息对于船舶 的安全性又是极为重要的【3 1 。 船体维护屎养三维模型应用及关键技术研究 1 3 研究方法 针对上述问题，为了将船舶设备、船体构件和舱室涂层同时纳入到维护保养体系中， 方便船公司进行周期性的管理，本文使用三维建模软件c a t i a 建立船舶设备模型、船 体结构模型和舱室涂层模型，使用s q ls e r v e r 管理设备、结构零件b o m 数据和舱室涂 层状态信息，采用v i s u a l b a s i c2 0 0 5 集成3 d x m l p l a y e r 插件进行开发，构建基于船体 设备和结构三维模型的船舶检查维护保养信息管理系统。 通过三维建模软件，建立如图l _ 1 、图1 2 所示的船体舱室和结构的三维模型，可以 方便的浏览舱室和构件信息。 图i l 三维舱室爆炸图 f i 9 1l t h ee x p l o d e dv i e wo f 3 dc o m p m 【m e n t s 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 机舱结构模型 f i 9 12e n g i n er o o m m u c t u r a l m o d e l 船上管理人员在日常维护保养过程中，通过使用该系统对船舶设备和结构模型进行 选择浏览操作，记录相应船舶设备运行、维修状况，根据检查结果记录船体结构零件状 况以及舱室的涂层腐蚀情况，并以不同的颜色进行标示，定期将记录通过卫星连线发往 船舶管理公司服务器。船舶管理公司的管理人员通过浏览三维设备模型、船体结构模型 和舱室涂层模型，查看设备、结构零件状况记录，从整体上了解运营船舶设备运行状况， 下达维护保养指令，指导船员进行船舶构件维护保养，提前定制修理计划。 如图1 3 所示使用三维模型记录船体构件损坏和腐蚀情况，能直观的了解容易发生 损坏和腐蚀的区域，帆务可以提醒船员针对这些区域进行重点维护，有效的防止事故发 生。 f i 9 1 3 图c o la 3 t i n g 涂s 层c o n 状d i 况t i o 检n 壹e v a l u a t i o n 船体维护保养三维模型应用及关键技术研究 2基于三维模型的船体维护保养体系设计 船舶维修保养体系( c w b t ) 是将传统的船舶维修管理和国内外现行的船舶设备计算 机管理信息系统的管理模式、流程相结合，形成集计划、管理、执行、监督、指导于一 体的一种新颖、科学、实用的现代船舶维修保养管理模式，简称为c w b t ，它是由船舶 ( c h u a nb o ) 、维修( w e ix i u ) 、保养( b a oy a n g ) 、体系( t ix i ) 四个词的汉语拼音各按首字母 排列而成。 国标g b t 1 6 5 5 8 1 7 ( 2 0 0 9 ) 中包含七个部分：总则：船舶维修保养体系代码：船 舶维修保养的分级、标准周期代码及周期允差；设备卡、工作卡格式与初始化要求；工 作卡的首排及其运行要求；系统流程及运行管理方法；报表格式【4 】。 2 1 c w b t 特点及不足 2 1 1c w b t 设备编码 为能满足现代船舶设备管理信息化与船岸一体化管理的要求，便于对船舶设备维护 保养工作的监管、履约要求与船舶检验的要求，使船舶与岸基管理部门之间实现快速、 准确的信息传递，又能适合我国船舶技术管理的传统和特点。同时满足船舶设备保养工 作信息化管理要求，船舶设备代码设计应适应计算机的识别、处理之需要，并尽可能考 虑到船舶设备维护保养工作的实际所需【5 1 。 船舶维修保养体系定义了设备名称编码规则，c w b t 代码共采用四组代码，其中前 三组代码表示船舶设备代码，第四组代码供执行人自定义用，中间用“一 连接。c w b t 设备代码结构表示如图2 1 所示。 供执行人自定义。三位数字 维修设备：部件j 代码三位数字码 组件? 设备组代码位数字码 次：子系统代码一位数字码 主系统代码二位字母码 图2 1c w b t 设备编码 f i g2 1 c w b td e v i c ec o d e 大连理工大学硕士学位论文 示例：主系统为空气系统，子系统为启动空气系统，维修部件为主空压机组，自定 义为n 0 3 号的设备代码表示为：a s 一1 0 2 - - 1 5 2 - - 0 0 3 。 2 1 2 保养级别的划分 维修保养级别按船舶实际需要定为八级，前三级为日常维修保养级别，后五级为计 划维修保养级别，进行维修保养时按其计划实施日期排列的一个特检周期内循环执行次 序，其实施原则为向下兼容，即高级别工作卡覆盖低级别维修保养要求。 具体分级及周期见表2 1 。 表2 1 船舶维修保养的循环周期、分级代码、定期制和定时制规定表 ：! 生三：!：垡曼堡垒! 宝2 11 垒虫巴垒垫! 婴竺! 宝型曼! 宝! ：呈! 璺! ! i ! i 里生2 翌1 2 垒曼：! 宝g 竺! 坚型! ! 宝巴塑璺! 墅i 翌g 型! ! 呈巴 循环周期分级代码 定期制定时制 对于航行过程中的维修保养分为三个级别，分别是：出港前k ；抵港前呻： 每航次s 。以每次航行所需时间为周期进行循环。 2 1 3维修保养级别周期允差 针对每一级别的船舶维修保养指令的实施日期设定了其维修保养指令允许偏离计 划日期，但实施日期偏离计划日期的极限不超过维修保养周期允差极限表的规定值及钢 质海船入级规范的要求。 维修保养设备的计划日期加减周期允差，构成了该设备的当前计划日期的前窗口日 期和后窗口日期。若当前日期达到前窗口日期，则该设备即可进行当次的维修保养工作， 若由于其他工作的耽搁，导致不能在制定的计划日期进行维修保养工作，允许在允差时 间范围内完成当次的维修保养工作。 船体维护保养三维模型应用及关键技术研究 表2 2 维修保养级别周期允差极限表 t a b2 2 t h et a b l ea b o u tp e r m i s s i b l ee l t o r so fs h i pm a i n t e n a n c el e v e lc y c l e 级别定期制周期允差定时制周期允差 根据维修保养级别周期允差，以及当次维修保养工作完成的时间，设定3 种完成状 态：提前完成、按期完成、超期完成。 提前完成：是指当前计划的完成日期在“上一次的计划的后窗口日期”和“当前计 划的前窗口日期”之间。 按期完成：是指当前计划的完成日期在“当前计划的前窗口日期”和“当前计划的 后窗口日期”之间。 提前完成：是指当前计划的完成日期在“当前计划的后窗口日期”和“下一次计划 的前窗口日期 之间。 根据对应设备的完成状态，船舶管理人员可以很好的了解的该设备每次维修保养的 完成情况，以便安排后续计划。 2 1 4c w b t 的不足 c w b t 主要存在以下几方面不足： ( i ) c w b t 的管理对象主要为船舶设备，而船舶在实际使用中，由于结构腐蚀、 碰撞等原因，船体结构需要换新。而由于结构件数量众多，即便是在有结构件 清单列表的情况下，也无法清楚的了解船体结构变化情况，因此无法将船体构 件纳入到c w b t 管理中来； ( 2 ) c w b t 采用的二维管理模式，管理的主要是设备数据、图纸资料和维护保 养记录，但是由于船体结构复杂，没有有效直观的方法记录构件信息，这种管 理模式的可视化程度低，不直观。 大连理工大学硕士学位论文 2 2三维模型与c w b t 体系融合方案 针对船体结构复杂，不便于使用二维数据表营理的特点，考虑采用三维模型与二维 表格数据相结合，使用三维浏览插件查看船体结构损坏、涂层腐蚀的状况，通过对船体 构件的选择操作关联二维表格中的对应数据项，使用户可以查看选取设备的详细情况。 船舶设备编码采用c w b t 的设备编码方式，按照c w b t 的要求对设备进行保养级 别划分。船体结构编码参考c w b t 设备编码的方式，采用多字段组合- 其检查周期由 船公司制定 2 _ 3系统开发对三维模型的要求 为了能够实现维护保养系统的记录和显示功能，有效的管理船体构件信息，依据船 体模型的功能性要求，三维模型要求具备以下特点： ( ”船体结构模型中，船体构件可单独选取，也可以多选： ( 2 )船体结构模型中，为保证数据的唯一性，每个构件都要有唯一的i d 名称与 其相对应； 船体维护保养三维模型应用及关键技术研究 ( 3 ) 由于船体结构复杂，所选平台要具备快速建模和参数化建模功能，并提供模 型建制和修改的工具； ( 4 ) 模型加载速度快、体积小，易于储存和网络发布； ( 5 ) 模型浏览器操作简单，功能需求不多，只要选择、隐藏、旋转、修改构件颜 色、高亮等，支持二次开发； 基于到维护保养功能的需要，用户在进行模型浏览时，不允许对模型进行修改，只 有当船舶结构进行修理、设备更换时，由模型发布方统一进行修改。 大魍工大学硬士学位论文 3船体维护保养三维模型建模方法研究 为了实现船体维护保养功能，需要对三维模型的模型分类、建模详细程度、模型中 构件的名称进行定制，以便简化建模流程，加快建模速度，同时能够保证数据的准确性。 3 1模型分类策略 根据船舶设备维护保养、船体构件损坏检查和舱室涂层检查要求的不同，定制3 种 类型的船舶三维模型。即船舶设备检查模型、船体结构检查模型和图层检查模型。 船舶设备检查模型用于设备定期维护保养时，工作单的下达以及船员维修检查完毕 后工作单的填写；结构检查模型用于完成船舶构件维护保养过程中构件损坏的信息录入 与显示，通过对三维实体模型的选择操作可以进行构件重量、萤b 位置、涂装面积的统 计；舱室图层检查模型用于完成压载舱涂层状态的录入与显示。后者依据前者建立，并 通过建立二者之间的参数化关系，实现当结构检查模型发生变化时，舱室图层检查模型 随之更新 31 1船舶设备检查模型 该模型主要为用户在进行船舶维护保养及定制工作时提供3 d 视图，使用户快速定 位到需要保养的设备，通过3 d 视图的操作，用户也可以方便地定位到数据记录表中。 模型如图3 i 所示。 f 3 1t h e 叩p 曲i i o no f m a r i 扯e q 岫咖c b e c k m o d d 在保证模型功能实现的基础上，尽可能降低建模的工作量，可对模型的精细程度做 分类处理。对于油船来说，像上层建筑、步桥、甲板赞油管系、吊车、桅杆等大型设备， 船体维护保井三维模型应用及关链技术研究 会对基于模型的涂层、重量等计算有较大影响，园此这类模型的精细程度要求较高，要 求按实际尺寸建立实体模型。而对于透气孔、通风筒、舱盖、导缆孔、带缆桩等小型设 备，对计算影响不大，对模型的精细程度也较低，可以对模型的详细程度进行简化。 3 1 上船体结构件维护保养模型 该模型记录了船体结构零件的几何实体信息，通过该模型获得的构件属性信息作为 系统的主要数据源对于不同船型，需要采用不同的定制规则。以油船为例，介绍船体 结构件维护保养模型的定制原则。 模型建制过程中，将船体结构分为首部区域、货舱区域、机舱区域、尾部区域、上 层建筑及甲板室区域等几部分，以横向的水密舱壁所在的肋位作为分割的界限。 可以按需要按照不同的详细程度建立结构模型，为了减少建模工作量加快模型显示 速度，可以不建立类似肘板之类的小构件模型。如图3 2 所示。 曙啊露碍覃酲研碾叼崎守亨7 花鬻唧 。 机 o # ， 圈3 2 船体结构检壹模型 f 沁3 2h u l l 由哪h 蛆m o 吲f o r i 呵啊妇 ( 1 ) 船体结构关键区域模型 根据船舶结构特点，对船体易发生应力集中、暑腐蚀的区域单独建立结构模型。便 于船公司管理。关键区模型如图3 3 、图3 4 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图33 关键区模型应用1 f 镕33 t h ea p p l i c a t i o no f c r l t i c a lr e g i o n m o d e l f i g3 4 t h ea p p l i c a t i o no f c r i t i c a lr e g i o n m o d e l 关键区可能分布在船舶的很多地方，很多时候关键区域的范围都不大，这要求关键 区域应当显著地标识出来便于工作人员查看浏览。由于关键区域与结构相关联，所以 将该模型附加在船体结构模型中。 ( 2 ) 船体结构修理区模型 船舶在营运过程中船体发生破损，并对构件进行修理或结构加强，当修理导致原 结构发生较大变化时，需要对原有模型进行修改，此时不删除原有模型，而是采用追加 船体豺保养三维模型应闩j 及关照技术研究 的建模方式，对修理的构件单独建立模型。通过历史记录可以查看船舶在不同时期的结 构状况，查看船舶修理部位，可以统计已发生构件损坏的区域。 3 13舱室涂层检查模型 在船舶营运过程中涂层损坏是导致构件腐蚀的直接原因，而构件腐蚀又是船舶灭失 的最重要的原因。根据舱室涂层检查模型的中构件颜色的变化，可以直观的了解到当前 舱室的涂层状况。 该模型将舱室的顶板和底板包括其上的附属结构各作为一个参考区域；舷侧外扳及 纵舱壁包括其上的附属结构各分为上、中、下三个参考区域：前后横舱壁包括其上的附 属结构各分为上、中、下三个参考区域。管理人员在进行维护保养检查时，可以记录该 舱室对应单元体块的涂层状况，也可针对每个单元面进行记录。舱室涂层检查模型如图 3 5 所示。 3 5c e 图3 m p e a 5 m e 舱室m m 涂层o d e l 检f o r 纛怒h 删mf c o “h 删“ 3 2建模平台选型分析 由于船体结构复杂，通用c a d 设计软件无法满足船体结构建模需求，若开发三维 图形建模系统，投入很大。因此，为了减少建模所用工时，加快结构模型建制速度，降 低成本，从目前主流的船舶三维c a d 建模软件中选择船体结构建模软件，该软件建制 的船体结构模型要满足前文所提到的模型要求，同时还要具备开放性好、可扩展等功能 ( 6 1 7 1 1 s 大连理工大学硕士学位论文 目前主流的通用三维c a d 建模软件有：法国达索公司的c a t i a 软件：i n t e r g r a p h 公司的s m a r tm a r i n e3 d ( s m 3 d ) 软件；西班牙s e n e r 公司的f o r a n 软件；德国西 门子公司的u gn x 软件。分别从建模易用性、扩展性、有限元分析能力、模型轻量化 处理、轻量化模型浏览交互操作、轻量化模型浏览器二次开发支持等方面对以上软件进 行测试【9 】【1 0 i 1 11 1 ，考虑到建模的快速性、模型操作的易用性、轻量化模型的文件大小等因 素，选用c a t i a 软件作为船舶维护保养模型的建模软件，使用3 dx m lp l a y e r 作为模 型浏览器。 c a t i a 是由法国著名飞机制造公司达索( d a s s a u l ts y s t 6 m e s ) 公司开发并由i b m 公 司负责销售的c a d c a m c a b ，p d m 集成化应用系统，在世界c a d c a m c a e 领域中 处于领先地位。c a t i a 起源于航空工业，目前被广泛用于航空航天、汽车制造、造船、 机械制造、电子、电器以及消费品行业，它的集成化解决方案基本覆盖了所有的产品设 计与制造领域，能较好的满足工业领域中各种大、中、小型企业的数字化设计需求。 c a t 认提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，其解决方案提 供了完整的2 d 、3 d 、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子 样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，c a t i a 将机械设计，工程分析 及仿真，数控加工解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，使 c a t i a 拥有宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量 及降低费用的目的。 3 3建模软件的应用研究 c a t i a 软件涉及到的行业众多，根据行业功能需求的不同划分为若干模块，包括 产品风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和 模拟等，各个模块之间转换方便灵活，功能丰富，操作简捷【1 2 】。 在船舶三维模型建模过程中主要用到通用模块中的草图设计模块( s k e t c h e r ) 和创 成式曲面设计( g e n e r a t i v es h a p ed e s i g n ) 模块，由这两个模块建立船壳曲面，作为船体 结构建模的船壳理论面。 3 3 1 草图设计模块 草图设计( s k e t c h e r ) 是整个设计的概念设计模块【1 3 】。通过该模块创建生成特征所 需的二维轮廓线，然后以草图设计中生成的二维轮廓为基础，在三维模式下进行曲线、 曲面的创建或修改操作。在草图中可对一个几何元素或者在多个几何元素之间添加固 定、水平、垂直、平行、相切等几何约束，如图3 6 所示实现几何元素之间的参数驱动。 船体维护保养三维模型应用及关键拄术研究 圈36 草图槿块中几。q 约束的f 划i 】 f i g3 6 t h ea p p l i c a t i o n o f g e o m e t r i cc o n s t r a i m i ns k e t c h m o d u l e 3 32 创成式曲面设计模块( g s d ) 刨成式曲面设计模块( g e n e r a t i v e s h a p e d e s i 鲈) 在曲线、曲面特征的基础上，进行 结构零部件外形设计。如图3 j 所示，它提供了一系列曲线、曲面的工具集，如拉伸、 扫掠、填充、变形桥接等功能用于创建和修改复杂外形设计或混合零件造型中的零部 件外形。它带有智能化的工具，如用于管理特征重用的超级复制功能。以特征为基础的 方法提供了直观和高效的设计环境，系统可以捕捉和重用设计方法以及援范【闻。 创成式曲面设计模块拥有强大的曲面整体修改技术，扩展了c a t i a 创成式曲面设 计创建线框和多种曲面特征的功能。该模块基于高级的智能化工具，允许用户进行快速 的外形修改操作，减少设计时间。 大连理工大学硕士学位论文 圈37 创成式曲面设计模块应用 f 噜37 t h ea p p l i c a t i o n o f g e n e r a t i v es h a p ed e s i g n m o d u l e 333船舶结构功能设计模块( s f d ) 船舶结构功能设计( s u u c t u r ef u n c t i o n a ls y s t e md e s 培n ) 模块能够快速的对船舶进 行整体结构设计，可以对船舶结构模型的板材和骨材进行预布置，划分船壳、舱壁以及 甲板等板材的板缝，定义扳厚材质以及理论线位置，同时定义骨材的材料、型号。通过 预先定义的材料库、型材库等库文件可以快速的建立结构模型】，如图38 、图3 9 所 示。 船体维护保养三维模型应用及关键技术研究 图3 8 型材库定义 f i 9 3 8 t h e d e f i n i t i o no f p r o f i l e l i b r a 口 “，。 ，盟 。镬芝” 一 目r i 一 篷纛、羔妻：手一一夕髓：嵩p 1 一一“”。j， 静蛳一一m 、 、 ；嚣i 誉茎2 ；、t ；， 鐾；菇盔 蓬邕篓篮蠢i 溶渤迭湓醯一滢甾鬣懿 大连理工大学硬士学位论文 3 34船舶结构详细设计模块( s d d ) 船舶结构详细设计模块( s t m c t m td e t a i ls y s t e md e s 函) 是对s f d 模型的扩展，主 要是在s f d 设计的模型基础上定义节点的连接形式、设置骨材的穿越孔、添加连接肘 扳等功能如图3 1 0 、图3 1 l 所示，使得最终生成的船体结构模型与实际船体结构相一 致通过对肘板库、穿越孔形式的定义，在建模过程中能够快速、方便的进行节点设计。 i i j i i i j i i i i i i i i r i i l r 一4 萄 圃一厣广j 百i j 同司f 萝f1 。蜜岛蔓一 广一了照剧团 j 目g 兰弓塞 i 五五五：j 互；：夏：五互：i ! ! 巍! ! ：! 塑塑叠垂童兰兰垒! ! 一： n jl 图3 1 0 型材端部节点 f k 31 0 1 kc a dc i l t o f p r o f i l e 船体维护保养三维模型应用及关键技术研究 e 口n 嘎强厕i ，眄f 啊冈冈臣j 箩j - 一日 ! = 刁笪划团 霸髓墨圈因霹疆疆圈 ：b 曼量堂￥譬墨2 兰咝 91 - 屿毋- ； 觐她铲群白辱$ 蝴o b b 奄 勺 毋 0 盘 1 图3 1 1 穿越孔库 f i g3 1 1c r o s s i n gj i b r m 3 35结构设计通用模块( s r i ) 结拇最汁通用模块( s t r u c t u 陀d e s i g n ) 是对结构零件进行编辑修改的模块。经过结 构详细设计后，将船体每个结构件按装配关系以单个文件的形式保存。同时还可以基于 直线、曲线建立型材结构，或者给予平面或曲面建立板材。也可以对构件进行切削、端 部处理等操作，处理效果如图3 1 2 、图3 1 3 所示。所有的部件都可以通过统一的用户界 面管理，由多部件构成的装配结构件可以通过用户自定义的模板快速生成，这样可以大 大的提高设计效率。而且c a t i a 采用设计表来驱动参数化的结构库，可以根据用户的 不同需求定义零件明细表，将b o m 信息以x m l 或e x c e l 格式的文件输出。 习 麟幽一 大连理工大学硕士学位论文 曼冒 降，5 r = ”7 斟 i。j 曾幽 3 36船体结构模型建制流程 使用c a t i a 软件中的g s d 、s f d 、s d d 、s r i 模块进行船体结构建模，流程如下： ( 1 ) 使用g s d 模块绘制型值点和船型曲线，主要是首尾轮廓线、平底线、平边 线、上甲扳边线通过绘制好的型线构建船壳曲面，做为船体结构建模的船型 基准曲面： ( 2 ) 配置建模环境，定制x y z 三个方向的参考平面、材料库文件、板材厚度库文 件、型材库文件，开孔库文件、肘板库文件； 船体维护保养三维模型应用及关键技术研究 ( 3 ) 使用s f d 模块建立船体主要构件模型，包括外板、甲板、内壳板、舱壁、 横框架、纵桁、肋板、纵骨、横梁等。先建立板材，再建立骨材、开孔，并进 行板缝的划分，同时还应符合实船对理论线、非对称型材方向的定义： ( 4 ) 使用s d d 模块建立船体详细模型，包括建立肘板、加强筋，定义型材端部 形式； ( 5 ) 使用s r l 模块将船体模型转换为零件模型，输出结构件b o m 数据，用于维 护保养系统。 通过使用c a t i a 中的船体结构模块，结合船舶结构图纸和布置图纸，能够快速准 确的建立船体模型，为系统开发提供三维浏览模型，由零件模型获得的b o m 数据反映 了结构件的几何信息，同时为统计涂装面积、钢料重量提供数据源。 3 43 d 舭模型浏览技术分析 3 dx m l 格式标准是由法国达索( d a s s a u l ts y s t 6 m e s ) 公司2 0 0 5 年推出的一种建立 在x m l 基础之上的轻量的、通用的3 d 图形格式标准，使用多层图像表示 ( m u l t i r e p r e s e n t a t i o n a l ) 方法建构的3 d 数据结构、对于复杂的几何数据有较好的压缩能 力，而且文件体积小，易于网络传输，同时具有良好的通用性、操作性1 1 6 1 。通过对3 dx m l p l a y e r 插件进行二次开发定制程序，可将模型中的构件与数据库中的b o m 数据相关联， 从而实现b o m 数据的三维管理，目前达索公司的c a t i a 、d e l m i a 、e n o v i a 、3 d v i a 以及s o l i d w o r k s 这些设计、管理软件都能够很好的支持3 dx m l 格式文件，其操作界面 如图3 1 4 所示。 大连理工大学硕士学位论文 圈3 1 43 d x m l 铡冤晕操作界面 啦3 1 4 t h e b r o w h c z r 血c e o f 3 d x m l 3 4 13 d x m l 模型文件格式特点 3 d x m l 格式文件压缩率高，易于网络发布，通过编写代码可以嵌套在网页中发布， 具有以下几个特点： ( 1 ) 操作简单 3 d x m l p l a y e r 插件操作简单支持旋转，缩放，隐藏等操作，结合- - 次开筮， 可实现查找功能 ( 2 ) 结构树管理 提供产品结构树，可以通过操作结构树完成选择、隐藏等操作，也可以通过结 构树的节点实现分类选择，结构树根好的体现了模型中零部件的关系 ( 3 ) 相容性好 3 d x m l 格式的文件可与m i c r o s o f t o f n 紧密结合，将商品质3 d 模型整合在 w o r d 和p o w e r p o i n t 文件中，可阻在w o r d 和p o w e r p o i n t 中对3 d x m l 文档进 行三维操作。 ( 4 ) 易修改 可以使用x m l 工具软件对3 d x m l 文件进行修改，改变其中的构件位置及属 性，已达到应用的要求0 1 】嘲。 3 d ) 蚍格式模型文件体积小，三维操作简单，二次开发简单，船够实现浏览、选 择、隐藏、缩放以及旋转等功能，满足船体维护保养系统的开发需求。 3 4 23 d x h 也框槊结构 3 d ) 眦标准语言由以下几个主要部分组成： ( ”参考与实例( r e f e r e n c e sa n d i r m a a c e s ) 参考是一个标准化对象可以被重复使用 实倒是参考的实例化。实例包含该参考的相对位置信息，通过6 维矩阵确 定位置。 参考和实例是3 d x m l 的产品结构的主体。通过对参考的多次引用来表达多个相同 的几何圈豫，从而有效的减少模型文件大小，如图3 1 5 所示。 i 罴。，0 r i ? 等“( 。”e e l 皇”：l2 ) l 1 。f n l 。1 ) 奄1 矿_ _ 驾h t e f l t y c t r t i f i c “ 圈a x l e3 d r e 绷c h a 铷：3 d h p 。h 1 “s tx e i a