船体结构产品模型建模.doc

船体结构产品模型建模方法研究 摘 要介绍了在面向对象的编程环境下，以Solidworks作为软件平台，通过二次开发完成三维船体结构产品模型建模的思路和主要方法。在建立船用零件库的基础上，以船体分段结构建模为例，通过调用Solidworks API编程接口提供的Solidworks对象模型，实现船体结构的参数化建模，动态修改和工程数据库的管理，从而在计算机中建立了一个集设计、制造信息于一体的面向船舶产品生命全周期的船体结构数据产品模型。关键词：船舶虚拟设计、数据产品模型、Solidworks API、船体结构中文分类号：TP391.7，U662.90 前言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先进设计技术。它将船舶产品开发全过程数字化，在计算机中实现产品的设计、分析、加工等过程，利用三维实体设计技术，及时发现并更改设计中的问题，同时可实现对船舶产品模型中的信息和数据的集成及动态管理。对提高船舶设计质量，降低船舶建造费用，缩短船舶建造周期，以及实现数字化造船均有实际意义。Solidworks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，该软件对VB、VC、Delphi以及任何其它支持OLE和COM的编程语言提供Solidwors API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设计系统。本文基于Solidworks平台，以VB 6.0作为开发工具实现了对船体结构产品模型的建模，文中着重讨论了船体结构产品模型的开发思想和应具有的主要功能，开发数据产品模型的方法及其中的关键技术。1船体结构产品模型的主要功能在进行船体结构设计时，对船体结构产品模型的功能设想如图1所示。根据构建的船用零件库，通过交互设计方式可实现船体曲面建模、船舶分段划分、结构构件建模、模型动态修改等功能，还应能够对建立的船体结构产品模型进行相应的数据集成和管理，如对构件和分段等进行查询、重量重心计算和生成材料明细表（BOM表）等。图1 船体结构产品模型的主要功能船用零件库：提供各种常见的船用零件，分板材、肘板和型材三类。板材包括平直板和折边板；肘板包括无折边肘板、折边肘板、T型肘板；型材包括圆钢、半圆钢、管子、扁钢、角钢、T型材、球扁钢、工字钢、槽钢等船用标准型材。零件库可直接用于船体结构数据产品模型的构型，通过用户指定零件的型号和主要参数生成三维数字模型，并对零件信息予以保存。船体结构设计：分为船体曲面设计、分段结构划分和结构构件设计三部分。船体曲面设计分为曲面造型和曲面结构设计两部分。曲面造型根据型线设计的结果生成船体外板和甲板曲面的三维实体模型，在以后的分段结构设计中，曲面造型的结果将直接影响构件轮廓的设计。曲面结构设计同样分为外板结构设计和甲板结构设计两部分，主要完成外板展开、板缝划分、焊缝统计等功能。分段结构划分：该模块主要用于定义分段及确定船体的结构形式。包括分段划分、双层底设计、甲板设计、舱壁设计及边舱斜板设计等。这个模块是结构构件设计模块的源数据，通过它定义的许多船体结构的边界参数将被模型系统保存为全局变量，供后续模块调用。结构构件设计：包括船体的主要结构构件的设计。分为肋骨设计、纵桁设计（双层底纵桁、单底纵桁、舷侧纵桁、甲板纵桁）、纵骨设计（外板纵骨、内底板纵骨、舷侧纵骨、甲板纵骨、边舱斜板纵骨）、肋板设计、双层底列板、横梁设计、肘板设计（梁肘板、舭肘板）、扶强材设计（横放、竖放、斜放）、孔的设计（普通形状孔设计、特殊形状孔设计、切口及补板设计）、板缝划分及平板板列设计（外板板列设计、舱壁板列设计、内底板列设计和肋板板列设计）等九个子模块。用户可以按照船舶设计的习惯，以交互方式对构件进行定义，即可完成对船体结构的设计。所有构件信息都可保存到数据库中，以备用户查询及估算钢料信息之用。建模以人机交互方式进行。纵骨、肋骨等构件我们把它称为主构件，它可以由用户决定设计先后顺序进行设计；扶强材、孔和板列的设计我们称为从属构件，用户设计时需要首先完成主构件的设计，然后选中主构件，才能在其上加扶强材、开孔等属性。设计过程中用户不可避免要对设计进行必要的修改，可方便地通过结构修改模块完成，并可保证模型与数据库信息的一致性。产品数据管理：主要实现对各种板材型材耗料的统计及重量重心的估算等。用户可对设计好的产品模型进行信息的查询和管理，并产生钢料预估单、材料明细表等各种表单。二维过程图纸：船体结构产品模型完成后，可对其进行剖切产生二维结构图纸等，供设计人员使用。除上述主要功能以外，还可以借助Solidworks提供用户的三维模型平移、旋转、生成线框模型等功能，对建立的船体结构产品模型进行分析和管理等。 2工程数据库的设计工程数据库记录的是产品模型的数据信息和构形过程，是实现船体结构设计、制造、生产、管理一体化的后台基础，是虚拟设计系统中数据产品模型建立的关键。本文数据库的设计按照船体、分段、构件、零件分层次逐一建表存储。下面给出船体结构产品模型的主要数据表结构，船体其它数据表的设计也可仿照完成。分段表：记录的是该分段的编号、名称和所有构件编号。表1 分段表IDNameDoublebottomProfileGirderLongitudinalFloorInnerplateBracket编号名称双层底设计外板轮廓纵桁纵骨肋板内底板肘板构件表：包括纵桁、纵骨、肋骨、肋板、横梁、内底板、舱壁等表，记录了构件的编号、主要参数和附加构件等。筋、扶强材与孔的表设计类似，作为附加构件，应与主构件表建立多对一的约束关系。主构件表中零件编号应与附加构件表中相应零件编号一致，在表中设置为外健。例如，肋板作为主构件，上面设置筋和孔作为附加构件，具体表结构为：表2 肋板设计表IDTypeLocationDepthPartTypePartIdIfStiffenerStiffenerIdIfHoleholeId编号类型位置厚度零件类型零件编号筋标志筋编号孔标志孔编号表3 筋及扶强材设计表IDTypeLengthLocationModelPartidGoujianid编号类型长度位置型号零件编号所属构件零件表：包括各种型材、板材及肘板的表结构，记录了零件的形状特征、装配特征和物理特征。板材给出最常用的平直板的表结构，折边板与之类似；型材包括扁钢、角钢、球扁钢、T型材等；肘板因为梁肘板与舭肘板的表结构造型中所需参数略有不同，故分开处理。表4 T型材设计表XuhaoLengthWebHWebDPlaneDPlaneWXpositionYpositionZposition编号长度腹板高度腹板厚度面板厚度面板宽度定位点X坐标定位点Y坐标 定位点Z坐标型钢型号表：扁钢、角钢、球扁钢等型钢在加工中有规定的型号，因此数据库中还存储了所有型钢型号，供设计人员选择型号，型钢的相应参数可自动调出。表5 角钢型号表ModelHbdrG型号腹板高度面板宽度厚度导圆角半径理论重量3船体结构产品模型建模的关键技术3.1 船体曲面设计船体曲面模型分为船体外板和甲板两部分，两者都是根据设计好的型线放样后生成的三维实体曲面模型。船体曲面建模涉及到基准面确定、二维样条曲线建立及光顺、三维实体曲面生成及光顺等技术，限于篇幅将另文详述，下面仅就船体曲面的建模主要步骤作简要介绍：沿船长方向在船体的指定位置处建立基准面。生成型线：读取型值，在已建立好的基准面上画出各条型线。对型线进行光顺处理。型线放样：在SolidWorks中利用曲面放样生成船体右舷模型，对曲面进行镜向并缝合曲面。曲面光顺处理。按上述步骤建立的某船三维船体曲面模型如图2所示。图2 船体曲面模型3.2 与船体曲面有关的船体结构建模方法与外板、甲板相交的构件（如舱壁、肋板、肋骨等）需要剖切外板曲面得到切线作为构件的轮廓边线，再根据用户设定的参数生成构件。构件设计的流程如图3中左图所示。图3 与船体曲面有关结构构件设计流程以外板上某根肋骨的建模为例：（1）判断相同编号肋骨是否存在：构件设计中首先要保证数据库中相同构件不存在，因此可查询构件表，是否存在相同编号的构件。若编号相同，应修改编号。用户可以此判断是该肋位上已经设计了肋骨还是该肋骨与其他类位的肋骨重名。（2）生成构件腹板：取基准面，将其平移到构件所在位置。在该位置插入草图生成腹板的草图轮廓，拉伸腹板厚度得到腹板的实体。腹板的草图轮廓由外板切线及其平移腹板高度后的曲线和首尾两直线构成。构件的剖面草图的生成是该系统实现的难点，具体流程图见图3中右图所示：选择基准面，平移到指定位置：boolstatus = part.Extension.SelectByID(前视, PLANE, 0, 0, 0, False, 0, Nothing) /选择纵剖面If dis = 0 Then part.CreatePlaneAtOffset3 dis, False, True/平移到指定位置disElseIf dis 0 Then part.CreatePlaneAtOffset3 Abs(dis), True, TrueEnd If如果为纵向构件，需要将前视基准面沿船中方向左右平移，右舷为正，注意为负值时左舷的处理。横向构件与之类似。插入草图，生成外包矩形平面：t = 基准面 +trim(Text5.Text)boolstatus = part.Extension.SelectByID(t, PLANE, 0, 0, 0, False, 0, Nothing)part.InsertSketch2 Truepart.SketchRectangle startLocation, 0, 0, finalLocation, hig, 0, 1part.InsertPlanarRefSurface外包矩形平面与外板、甲板曲面生成交叉曲线：part.SelectedFeatureProperties 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, t/将外包矩形平面定义为tpart.Insert3DSketchboolstatus = part.Extension.SelectByID(面-剪裁2, SURFACEBODY, 0, 0, 0, True, 0, Nothing)/将外板曲面命名为面-剪裁2part.Sketch3Dintersections编辑曲线，保存曲线上的有效点：boolstatus = part.Extension.SelectByID(t, SKETCH, 0, 0, 0, False, 0, Nothing)/选中切线所在平面草图part.EditSketch/编辑草图part.ClearSelectionFor i = 0 To 15t = Splineu = it = t + uboolstatus = part.Extension.SelectByID(t, SKETCHSEGMENT, 0, 0, 0, False, 0, Nothing)part.SimplifySpline 3.873572324574E-04/化简样条曲线Next ISet theSketch = part.GetActiveSketch2/获得激活草图sketchPointArray = theSketch.GetSketchPoints/取得草图上的点，保存到数组sketchPointArray中。由于数组中的点是无序的，而我们画构件剖面草图轮廓时需要给定有序的点坐标数组，因此需要对求得的切线的点进行排序。程序适用的是冒泡法排序，横剖面上求得的切线上的点首先对Y值进行排序，Y值相等时对X排序；纵剖面求得的切线上的点则先对其X值排序，若X值相等时，对Y值排序。利用保存的点生成构件的剖面草图：根据构件剖面形状，草图有所不同，但草图主要由利用切线坐标数组重画样条曲线和连接样条曲线首尾点端的直线组成。样条曲线的生成根据外板型线的不同也略有差别。以横剖面上生成的切线为例，船中附近在左舷/右舷生成切线通常由一段直线、一段样条曲线、一段直线组成，舷侧为直线，舭部为样条曲线，到了底部平底线内又变成直线。如果船型复杂，切线则可能要分成若干段。因此必须根据切线的端点位置判断所取得的点坐标位于哪段曲线中。因为点坐标的数组为有序的，所以只需对其顶部和底部两个元组进行判断，若其两个元组X值或Y值相差满足精度要求（例如1mm），则认为相应的曲线分段应为直线。其余点值均作为样条曲线处理。If k = pointCount ThenIf Abs(sheet1.cells(k, 3).Value - sheet1.cells(k + 1, 3).Value) 0.001 Thenpart.SketchSpline 1, sheet1.cells(k, 4).Value, sheet1.cells(k, 3).Value, 0part.SketchSpline 0, sheet1.cells(k + 1, 4).Value, sheet1.cells(k + 1, 3).Value, 0End IfEnd IfIf k = 2 ThenIf Abs(sheet1.cells(k, 4).Value - sheet1.cells(k + 1, 4).Value) 1 Then strquery1 = select * from + Tmodel + where For i = List1.ListCount - 1 To 0 Step -1 If List1.Selected(i) Then strquery1 = strquery1 + (xuhao like + Trim(List1.List(i) + %) or List2.AddItem List1.List(i) End If Next i strquery1 = Left(strquery1, Len(strquery1) - 3)End if Tmodel为记录零件表名称的变量，不同的零件表查询项会略有不同。零件分类汇总：strquery2 = select model型号，sum(length)总长度，sum(weight)总重量 from + Tmodel + where xuhao like + Trim(List1.Text) + % + group by model图4 分段信息查询4船体分段结构产品模型建模实例某油船主尺度为：总长77.23m；型宽10.