CAD在船舶設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

2013-05-25 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

船舶企業(yè)信息化建設(shè)已成為發(fā)展造船生產(chǎn)力的重要手段。船舶三維CAD技術(shù)的應(yīng)用不僅對(duì)提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量有重要作用,而且更是造船企業(yè)信息化的源頭。本文在回顧了造船CAD技術(shù)的應(yīng)用情況以及自主開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想和功能的基礎(chǔ)上,認(rèn)為自主開發(fā)的造船三維CAD系統(tǒng)的應(yīng)用將對(duì)我國“數(shù)字造船”發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用

1概述

1990年代初我國造船業(yè)引進(jìn)了國外三維CAD/CAM系統(tǒng),對(duì)提高我國船舶設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量起到積極作用。但隨著應(yīng)用的深化,也發(fā)現(xiàn)一些問題。這些系統(tǒng)僅以解決設(shè)計(jì)信息為主,不能滿足中國造船工藝的特點(diǎn),特別在CAM上還要作大量的二次開發(fā)。這些系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)管理系統(tǒng)的集成。為此,我國造船業(yè)相關(guān)院、所、企業(yè)在新世紀(jì)初相繼對(duì)造船三維CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行研究開發(fā)。但一些系統(tǒng)的開發(fā)是在國外第三方圖形平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā),難以達(dá)到船舶設(shè)計(jì)各專業(yè)的集成和平行設(shè)計(jì),更為重要的是這樣的系統(tǒng)部分Licens。版權(quán)在國外第三方公司,技術(shù)主動(dòng)權(quán)仍不在開發(fā)者手中。滬東中華造船集團(tuán)積30余年CAD, CAM開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),在白行開發(fā)的三維圖形平臺(tái)基礎(chǔ)上,研發(fā)造船CAD/CAM系統(tǒng),目前已取得了突破性進(jìn)展。在完成船舶胭裝三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)基礎(chǔ)巨,又完成具有三維拓?fù)潢P(guān)系的船體建模設(shè)計(jì)軟件,基本完成了一個(gè)具有獨(dú)立自主版權(quán)的造船三維CAD/CAM設(shè)計(jì)系統(tǒng),并已在數(shù)十家船舶企業(yè)獲得應(yīng)用。

2三維船舶設(shè)計(jì)系統(tǒng)介紹

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

(1)多年來,我們分析了TRIBOV , CADDS' 5 ,CATIA等系統(tǒng)的特點(diǎn),在本項(xiàng)目研究中力求做到盡可能吸收各系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),如TRIBON系統(tǒng)的三維船體結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系技術(shù),CADDS' 5系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)思想,CATIA系統(tǒng)、CADDS' 5系統(tǒng)的三維交互實(shí)體建模實(shí)時(shí)顯示技術(shù)等,力使本項(xiàng)目研究達(dá)到一定的先進(jìn)性。
(2)近10年來,我國造船企業(yè)引進(jìn)了國外各類三維設(shè)計(jì)系統(tǒng),在技術(shù)上這些系統(tǒng)各有特點(diǎn).有些系統(tǒng)貼近造船實(shí)際但開放差;有些系統(tǒng)雖然在通用CAD系統(tǒng)基礎(chǔ)上應(yīng)用到造船,但需要做大量二次開發(fā)工作。軟件商出于商業(yè)利益在技術(shù)上較為封鎖,要滿足我國船舶制造集成需要有一定困難。加之國防的保密需要,在本項(xiàng)日研究中我們?cè)贠PENGL基礎(chǔ)上開發(fā)具有獨(dú)立版權(quán)的圖形處理平臺(tái)和應(yīng)用軟件,使本項(xiàng)目研究開發(fā)、應(yīng)用不受第一方的制約,有利于我國船舶設(shè)計(jì)、制造集成系統(tǒng)的研究開發(fā)。
(3)為適應(yīng)現(xiàn)代造船模式的需要,本項(xiàng)目開發(fā)要體現(xiàn)船舶并行協(xié)同設(shè)計(jì)思想,所生成的圖紙、加工制造信息能滿足"殼、棲、涂一體化"和"設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化"的現(xiàn)代船舶制造技術(shù)。
(4)吸收國外軟件的優(yōu)點(diǎn),在滿足現(xiàn)代船舶制造實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,進(jìn)行研究開發(fā)。對(duì)此國外軟件在應(yīng)用中存在的問題,盡可能加以克服,以休現(xiàn)本系統(tǒng)的特點(diǎn)和先進(jìn)性。
(5)本系統(tǒng)的開發(fā)采用面向?qū)ο蠓椒?。它是一種運(yùn)用對(duì)象、類、繼承、封裝、聚合、消息傳送和多態(tài)性等概念來構(gòu)造系統(tǒng)的軟件開發(fā)方法,具有抽象、繼承、封裝和多態(tài)性四大特征。因此,面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn):由于面向?qū)ο缶庉嫷目芍赜眯?可以在應(yīng)用程序中大量采用成熟的類庫,從而縮小了開發(fā)時(shí)間,效率高,可靠性高;繼承和封裝使得應(yīng)用程序的修改影響更加局部化,使得應(yīng)用程序更易于維護(hù)、更新和升級(jí)。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)本系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和性能優(yōu)化帶來了極大方便。

2.2系統(tǒng)目標(biāo)

系統(tǒng)能滿足船體結(jié)構(gòu)、機(jī)裝、電裝、居裝、甲裝等專業(yè)設(shè)計(jì)的三維全數(shù)字化船舶產(chǎn)品模型軟硬平臺(tái)。通過三維模型對(duì)船舶性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、工藝合理性和制造可行性進(jìn)行分析,這是整個(gè)船舶數(shù)字化制造集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的開發(fā)旨在建立具有獨(dú)立自主版權(quán)的船舶設(shè)計(jì)系統(tǒng),為我國船舶設(shè)計(jì)提供三維設(shè)計(jì)手段。

2.3主要功能

三維船舶設(shè)計(jì)系統(tǒng)能獲得船舶產(chǎn)品所需的設(shè)計(jì)、制造、管理的相關(guān)信息,達(dá)到船舶制造數(shù)字化信息集成。設(shè)計(jì)系統(tǒng)有如下功能:

2.3.1圖形平臺(tái)

圖形平臺(tái)是在Windows操作系統(tǒng)下,基于OpenGL圖形進(jìn)行開發(fā)的CAD基礎(chǔ)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)基本圖形劉一象的生成、顯示、操作、管理、優(yōu)化、輸出、模型構(gòu)造等功能,為應(yīng)用程序提供圖形對(duì)象、操作命令、開發(fā)接口。具體實(shí)現(xiàn)中既考慮到造船行業(yè)的特色又具有一定的通用性,可適用于大規(guī)模集成化制造行業(yè)的CAD軟件開發(fā)。圖形平臺(tái)還可進(jìn)行封裝做成CAD圖形顯示組件嵌人管理等軟件巾,為實(shí)現(xiàn)其他軟件和設(shè)計(jì)軟件的集成提供便利。

2.3.2數(shù)據(jù)管理

由于船舶設(shè)計(jì)中各專業(yè)在設(shè)計(jì)建模過程中產(chǎn)生大量的關(guān)系復(fù)雜的數(shù)據(jù)需要處理,本系統(tǒng)并不采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫來保存整個(gè)數(shù)據(jù),而是采用一種統(tǒng)一的格式,將各種不同的數(shù)據(jù)保存在不同的文件中。同時(shí)提供一個(gè)管理工具對(duì)其進(jìn)行管理,其目的是要減少中間環(huán)節(jié),加快數(shù)據(jù)的存取速度。這種文件格式是一種自主格式的索引數(shù)據(jù)文件在此文件格式基礎(chǔ)上,對(duì)各類數(shù)據(jù)都各提供一套函數(shù)接口。這套接口負(fù)責(zé)處理指定類別數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存取,應(yīng)用程序就通過這套接口存取所需的數(shù)據(jù)。

2.3.3通用設(shè)計(jì)

在艦船設(shè)計(jì)過程中,有些功能多個(gè)專業(yè)都需要用到,作為基本功能提供給各專業(yè)共同使用;另外一些功能與專業(yè)無關(guān),作為獨(dú)立于各系統(tǒng)之外的處理功能。這些功能都屬于通用設(shè)計(jì)的范疇,具有實(shí)體部件設(shè)計(jì)、參數(shù)部件設(shè)計(jì);二維背景圖、模型、圖冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)模型庫管理;模型實(shí)體顯示;模型消隱;圖紙管理;圖紙?zhí)幚?干涉檢查;DXF文件輸人/輸出等功能,能輸出IDES格式,同其他CAD系統(tǒng)進(jìn)行交換。

CAD在船舶設(shè)計(jì)上的應(yīng)用+培訓(xùn)資料圖片1

2.3.4船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是涉及船舶技術(shù)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)全過程的三維建模系統(tǒng)。系統(tǒng)進(jìn)行船體型線定義、結(jié)構(gòu)布置、板材和型材零部件定義、建立具有拓?fù)潢P(guān)系的三維船體結(jié)構(gòu)模型。該模型具有船體結(jié)構(gòu)的幾何、物理、工藝等屬性。從模型中可分解全船結(jié)構(gòu)的板材和型材零件,建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹,生成滿足生產(chǎn)所需的各類安裝制造圖冊(cè)和生產(chǎn)管理表冊(cè),并具有對(duì)其他設(shè)計(jì)系統(tǒng)生成的圖紙、電子文件中二維視圖的處理功能。

2.3.5船體生產(chǎn)信息系統(tǒng)

船體生產(chǎn)信息系統(tǒng)進(jìn)行船體的生產(chǎn)準(zhǔn)備工作,生成船體生產(chǎn)所需的各種下料、加工、裝配、生產(chǎn)管理等信息。船體生產(chǎn)信息系統(tǒng)滿足工廠船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的需要,取代樣臺(tái)人工船體放樣工作,實(shí)現(xiàn)取消1:1實(shí)尺船體樣臺(tái)。船體生產(chǎn)信息系統(tǒng)由外板、結(jié)構(gòu)零件、套料及切割文件、材料管理、生產(chǎn)用表等主要部分組成本系統(tǒng)和TRIBON,CATIA,CADDS'5等系統(tǒng)具有接口,可利用這些系統(tǒng)建立模型后把相關(guān)信息導(dǎo)入本系統(tǒng)后進(jìn)行生產(chǎn)信息處理。

2.3.6管系設(shè)計(jì)系統(tǒng)

管系設(shè)計(jì)系統(tǒng)是以船舶管系設(shè)計(jì)以及其他行業(yè)的管路設(shè)計(jì)為對(duì)象進(jìn)行開發(fā)的,提供交互管系布置界面,建立三維管系模型(見圖1),具有很強(qiáng)的實(shí)用性。系統(tǒng)涵蓋管路設(shè)計(jì)的全過程,有管系原理設(shè)計(jì)、設(shè)備布置、管路布置、零件分割、安裝圖、零件圖到有關(guān)托盤表、管附件表等生產(chǎn)管理信息生成等功能,還具有TRIBON, CARDS' 5等系統(tǒng)管系模型導(dǎo)人接口。

2.3.7風(fēng)管設(shè)計(jì)系統(tǒng)

風(fēng)管設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一套面向船舶通風(fēng)管系的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng),針對(duì)通風(fēng)管系的特點(diǎn),風(fēng)管規(guī)格多變,接頭形式多樣,利用參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行個(gè)性化的風(fēng)管布置、接頭生成和拼接,建立方風(fēng)管和螺旋風(fēng)管的三維實(shí)體模型。

2.3.8船舶電氣設(shè)計(jì)系統(tǒng)

電氣設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)貫穿于電氣詳細(xì)設(shè)計(jì)和電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)整個(gè)過程,采用交互設(shè)計(jì)的操作界面,實(shí)現(xiàn)電氣三維模型設(shè)計(jì),改變目前電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)的手工狀態(tài)。本系統(tǒng)主要完成電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)備布置、主干電纜走向布置、主干電纜表冊(cè)編制、電纜導(dǎo)架安裝圖、電纜開孔圖、中小型電氣設(shè)備基座安裝圖、電纜支承件制造圖冊(cè)、照明燈架制造圖冊(cè),以及托盤管理表、材料定額表等內(nèi)容。

2.3.9設(shè)備布置設(shè)計(jì)系統(tǒng)

設(shè)備布置設(shè)計(jì)系統(tǒng)處理船舶設(shè)計(jì)各專業(yè)對(duì)各類設(shè)備進(jìn)行交互布置,可生成機(jī)艙設(shè)備布置、甲板布置等汽維模型,作管系、風(fēng)管、電纜布置背景應(yīng)用,并產(chǎn)生相應(yīng)的各專業(yè)有關(guān)生產(chǎn)安裝信息。

2.3.10鐵棲件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

船舶鐵棲件設(shè)計(jì)系統(tǒng)是處理船舶設(shè)計(jì)各個(gè)專業(yè)對(duì)各類設(shè)備、管子、風(fēng)管、電纜等系統(tǒng)的定位固定和船舶各艙室暢通行走的輔助裝置和設(shè)備,如管了支架、電纜導(dǎo)架、風(fēng)管吊架、基座、窗、梯、護(hù)欄等鐵曬裝件的三維建模設(shè)計(jì)(見圖2)和生成相應(yīng)的生產(chǎn)信息,以及鐵艇件在船舶設(shè)計(jì)三維建模的定位所需信息。本系統(tǒng)是船舶設(shè)計(jì)各專業(yè)所需的基本設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

CAD在船舶設(shè)計(jì)上的應(yīng)用+培訓(xùn)資料圖片2

2.3.11徐裝生產(chǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

涂裝生產(chǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在設(shè)定涂裝原則工藝的基礎(chǔ),導(dǎo)人船體模型,按照船體涂裝的各個(gè)不同階段和要求,進(jìn)行涂裝艙室劃分,自動(dòng)計(jì)算涂裝面積,并根據(jù)涂裝面積和涂裝工藝信息生成涂裝施工圖紙和表冊(cè)供現(xiàn)場(chǎng)使用,作為涂裝生產(chǎn)管理的基礎(chǔ)信息,供生產(chǎn)使用。

3系統(tǒng)主要特點(diǎn)

3.1自主版權(quán)的圖形平臺(tái)

系統(tǒng)圖形平臺(tái)是在OpenGL基礎(chǔ)上開發(fā)的,這樣可使在此平臺(tái)上的應(yīng)用系統(tǒng)不受第三方圖形平臺(tái)的變化而變化,對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)帶來很大的方便。更為重要的是用戶也不必由于第三方圖形平臺(tái)升級(jí)或變化而支付升級(jí)費(fèi)用,從而減少用戶開支。同樣,自行開發(fā)的圖形平臺(tái)可使用應(yīng)用軟件的發(fā)展不受第三方軟件技術(shù)上的控制,加之系統(tǒng)的開發(fā)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法,使本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展前景更為廣闊。

3.2船體和棲裝模型建立較為完整的拓?fù)潢P(guān)系

系統(tǒng)能建立完整的具有拓?fù)潢P(guān)系的船體、艇裝二維模型。船體模型中,任何一構(gòu)件零件修改,其相接觸的零件均能自動(dòng)更新修改;如某型材規(guī)格或朝向發(fā)生變化,其通過的板材開孔能自動(dòng)調(diào)整。同樣,曬裝模型中,任何管子修改,處于同一管路號(hào)的一系列管子和管附件均能自動(dòng)隨之修正。這樣大大減少了由于設(shè)計(jì)修改而引起的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,提高了設(shè)計(jì)質(zhì)單。

3.3實(shí)體建模和參數(shù)化建模構(gòu)造模型

系統(tǒng)開發(fā)時(shí)考慮到出圖的完整性和滿足船舶出圖的特殊要求,采用了實(shí)體建模和參數(shù)化建模方式。參數(shù)化建?？纱蟠鬁p少棲裝件建模的工作量。在參數(shù)化設(shè)計(jì)中采用r帶有特征的連接信息和反算方法,可極大方便用戶對(duì)鐵艇件的設(shè)計(jì)和交互布置,且定位尺寸和參數(shù)能根據(jù)安裝環(huán)境而自動(dòng)修改。

3.4各專業(yè)模型都可以進(jìn)行干涉檢查

系統(tǒng)所建立的船體結(jié)構(gòu)、管系、風(fēng)管、電纜、鐵胭件等模型均以統(tǒng)一格式存放在同一數(shù)據(jù)庫中。在設(shè)計(jì)一建模中,設(shè)計(jì)者可以對(duì)船體結(jié)構(gòu)、管子、風(fēng)管、電纜、鐵棲件以各種組合形式進(jìn)行干涉檢查,查找碰撞需要進(jìn)行整體或局部模型的干涉檢查,從而減少干涉檢查時(shí)間。

3.5實(shí)現(xiàn)零件加工的工藝仿真

系統(tǒng)在生成管子零件時(shí),能根據(jù)不同型號(hào)的彎管機(jī)參數(shù)對(duì)生成的零件進(jìn)行工藝檢查。若仿真檢查出不合某指定彎管機(jī)工藝要求的零件則將自動(dòng)報(bào)錯(cuò)。系統(tǒng)還可以對(duì)船體生成的板材零件套料板的數(shù)控切割指令,進(jìn)行仿真切割,以檢驗(yàn)套料板和切割路徑是否合理,從而及時(shí)避免不必要的損失。

3.6實(shí)現(xiàn)符合造船特點(diǎn)的三維模型的二維出圖和生產(chǎn)制造信息

系統(tǒng)建立的三維模型,通過各種剖切能生成各專業(yè)所需的滿足詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)的二維圖紙。系統(tǒng)還能生成滿足各專業(yè)所需要的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理的各種圖冊(cè)50余種,還可根據(jù)用戶需要定制所需的表式。

3.7建立和其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口

考慮一些用戶已使用TR IBON , CADDS'5 , CATIA等三維設(shè)計(jì)系統(tǒng),本系統(tǒng)開發(fā)獷與上述設(shè)計(jì)系統(tǒng)的接口,可把RIBON,CATIA系統(tǒng)建立的船舶、管系、管附件模型導(dǎo)人本系統(tǒng),還可把CADDS'5船體模型導(dǎo)人本系統(tǒng)。這樣,一則可彌補(bǔ)上述系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)信息生成的缺陷,二則可為用戶節(jié)省軟件運(yùn)行費(fèi)用,原購系統(tǒng)可照常使用而不浪費(fèi)已購軟件。

4結(jié)束語

本系統(tǒng)在邊開發(fā)邊應(yīng)用中迅速發(fā)展,目前已完成預(yù)期的開發(fā)目標(biāo)。系統(tǒng)已在數(shù)十家船舶設(shè)計(jì)、制造單位和院校獲得成功的應(yīng)用,取得了數(shù)千萬元的經(jīng)濟(jì)效益,打破了國外軟件對(duì)我國造船設(shè)計(jì)軟件的壟斷地位。在此,對(duì)在本系統(tǒng)開發(fā)過程中給予熱情支持、幫助的各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、同仁們表示衷心的感謝。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才