船体结构虚拟设计平台的实现

船体结构虚拟设计平台的实现

支新

大连中远海运重工有限公司辽宁大连116113

摘要：计算机技术和网络技术的发展给造船业带来了新的思路和平台。本文研究了基于数字描述和虚拟现实技术相结合的虚拟设计。采用模块化船体结构建模的概念，在初步设计阶段实现了船体结构建模与模型信息的集成管理。由于本文提供的开发平台是基于.NET公共平台，集成了微软提供的.NET程序框架、ADO.NET、ASP.NET和WebService等新技术，它可以很好地支持基于WebService的远程用户管理功能，解决设计人员和生产人员对大量设计信息的管理和查询需求。

关键词：船体结构；虚拟设计

1设计思想

船舶结构设计是一项周期长、信息量大的大型工程设计。它通常涉及到设计过程中许多方面的协调。它需要信息和模型的连接，需要反复修改。本文基于面向对象的思想，将大量的设计过程划分为结构模块。类和对象用作结构开发的基本设计模块。继承了较为复杂的结构模型类，采用多态思想处理相似结构模块或同类结构模块的设计问题。从而开发出模块化、可重复使用和可维护的船舶结构。虚拟设计系统。

采用N层结构的C/S模型实现了客户机与服务器之间的数据交换，包括数据访问层、安全层和导航层的设计。采用分布式产品数据管理，支持产品开发过程中各种应用工具的数据操作需求，满足地理分布中设计人员的需求。

在设计中，模型信息表示为特征的有机组合。实体建模技术用于存储结构模型的几何和拓扑信息。根据船舶数据的特点，在XML数据文档中定义了一个完整的数据结构。在船舶结构设计中，除了包含部件的基本几何和拓扑信息外，还包含非形状信息，如特征约束和制造信息。系统的装配仿真设计将所有的结构模块装配在一起。数据结构基于组件，包括设计数据和设计关系。建立标准的通用零件库和扩展的特征库，选择特征或零件，将其组装成零件或组件，然后将其组装成不同的部件，组装成整艘船的模型。最后，建立了包含所有建模信息的船体三维结构数字模型，并由船舶设计CAD/CAM/CAE系统共享。

2主要功能及关键技术

基于上述设计思想，建立了船体结构虚拟设计平台。主要功能有船体表面设计、分段肋骨设计、外板展开设计、子部件设计计算、船体结构设计、结构信息管理和装配设计仿真等。

2.1船体曲面设计

船体表面模型的建立是船舶虚拟设计的基础。建立包括设计参数、几何约束和拓扑关系在内的完整的三维曲面模型，不仅能直观、准确地表达船体外形，而且为后续设计和施工阶段的信息集成和共享提供了依据。

2.2船体结构设计

在船体结构设计部分，建立了系统的剖面数据库，存储各种剖面的标准类型。用户选择相应的配置文件和模型来构建组件，每个组件都存储为单独的文件，组件之间的相关信息也同步保存。在相应的功能界面中，用户可以一次构建一个组件，也可以同时构建一批组件。建立模型时，可以同时存储主要设计参数和相关信息。

从建模的角度来看，船体结构构件可分为两种主要类型：一种与船体表面形状有关，另一种与船体表面形状无关，在建模中单独处理。在建造与船体表面有关的构件如肋骨、肋骨等的过程中，需要得到构件的轮廓，即相应船体表面的形状曲线，然后建立构件模型。构件构建首先从数据库中获取构件号，然后判断是否执行获取船体表面信息的操作。如果与船体表面的形状相关，请打开船体表面文件。根据零件的位置，通过对三维曲线进行放样来建立截面，与船体表面的交线是零件的轮廓线。计算的交线长度用于统计焊缝信息。然后去除二阶几何约束作为交叉线，拟合并添加控制点。控制点的数量由拟合度决定。将控制点的坐标读取到数组中并进行排序。将创建一个新文件。根据轮廓类型计算阵列中的坐标信息，建立构件模型。参数信息保存在指定的表中。在船体结构设计中，大部分构件都与船体表面或相应的表面形状有关。

2.3板材及板缝设计

船体面板信息为造船生产和订购提供数据。本文的设计系统提供了接缝分割的功能。根据设计师给出的设计，可以在板展开图上自动建立接缝。提供用户交互设计模块，修改已建立的板缝。用户给出每个位置的外板厚度，并依次建立每个外板的模型。从模型中，得到了各外板的长度、宽度、厚度、面积、体积、表面积、重量和属性（曲面或平板），并将其存储在数据库中。构件中的平面板按尺寸直接划分建立。外板信息管理模块可以根据航段、厚度和组合查询整个船舶的外板信息，提供外板数据的添加、删除和修改操作。

接缝信息包括船体接缝、分段接缝和构件接缝。通过查询，可以得到各煤层的长度和类型，输出各区段的所有煤层信息，分配实际生产中的工时和类型。

2.4分段结构管理

段结构管理部分主要是对段中各个组件的查询、选择、组装和修改。例如，分段结构设计提供了分段结构中所有组件的选择、检查和组合，分段结构的尺寸和相关组件需要在设计中定义。用户可以通过段数据查询模块查询各组装段各部件的相关信息，查看段质量特性中的重量、重心等信息，并将建立模型所需的设计生产信息和施工信息存储在数据库视图中。

系统还提供对组件信息的查询和管理。设计人员可以输出部件的生产信息和主要设计参数。在船舶设计中，许多用户同时进行设计。对于这些设计人员来说，需要在不同的数据库之间交换和共享数据和信息，并实现多个客户机用户操作同一个数据库。本文开发了一个通用的数据访问层组件，将重要的数据访问功能封装成一个自定义的组件类，利用XML的数据组织能力，有效地访问数据库中存储的文档。

2.5分舱设计

用户通过分区设计建立各分区的实体模型，计算分区容量因子。在客舱模型的建立过程中，首先输入各典型断面客舱外形线控制点的坐标，建立舱壁外形模型。船舱的三维模型与实船相同，船舱是空心的。舱型控制点和舱壁位置存储在数据表中，建立各舱的实体模型。此时，整个机舱空间都是实心的。在客舱容量计算界面选择客舱名称，系统可以自动计算客舱容量元素，由下至上，并根据计算要求保存到数据库中。用户还可以选择一系列的客舱来计算组合客舱容量，得到所需的客舱容量元素表。

由于分舱可能涉及多个设计人员的操作，因此使用VRML转换器转换模型格式，并基于VRML与XML之间的相似性，将其保存为XML文档，用于模型数据的传输。客户需要安装VRML浏览器，通过查询客舱信息表和选择客舱号来浏览和设计模型。

2.6装配仿真的集成设计

船体结构模型建立后，通过装配仿真可以发现实际装配中由于设计不当而可能出现的间隙过小或过大、零件间干涉等问题。编制SolidWorks装配文件，优化装配矩阵，形成装配树，包括各种装配顺序，并生成合理、经济的装配计划。

装配模块用于装配每个分段模型、三维分段和总分段。最后，对整个船舶模型进行了装配。程序集信息存储在数据库中。对整个装配过程进行查询和演示，及时发现和解决可能出现的问题。

结论

本文设计开发的船体结构虚拟设计平台，可以在设计过程中动态修改船体三维产品模型，快速发现和解决问题。对工程数据进行管理，为各种分析模型的工具提供检索到的数据信息。系统对分析程序进行了选择和设计，保证了分析程序的优化处理。本研究对于实现船舶设计制造的数字化、信息化和一体化具有重要的理论意义，也是提高船舶制造技术含量的技术之一。

参考文献：

[1]战翌婷，刘寅东.船体结构虚拟设计平台的实现[J].系统仿真学报，2006，18（10）.

[2]邹劲，刘旸.计算机辅助船舶制造[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003.

[3]胡显涛.基于虚拟现实的船体设计系统框架的研究[D].华中科技大学，2004.