三维CAD技术在船舶设计上的应用

1、概述

1990年代初我国造船业引进了国外三维CAD/CAM系统，对提高我国船舶设计效率和设计质量起到积极作用。但随着应用的深化，也发现一些问题。这些系统仅以解决设计信息为主，不能满足中国造船工艺的特点，特别在CAM上还要作大量的二次开发。这些系统难以实现对管理系统的集成。为此，我国造船业相关院、所、企业在新世纪初相继对造船三维CAD/CAM系统进行研究开发。但一些系统的开发是在国外第三方图形平台基础上开发，难以达到船舶设计各专业的集成和平行设计，更为重要的是这样的系统部分Licens。版权在国外第三方公司，技术主动权仍不在开发者手中。沪东中华造船集团积30余年CAD, CAM开发应用经验，在白行开发的三维图形平台基础上，研发造船CAD/CAM系统，目前已取得了突破性进展。在完成船舶胭装三维设计系统基础巨，又完成具有三维拓扑关系的船体建模设计软件，基本完成了一个具有独立自主版权的造船三维CAD/CAM设计系统，并已在数十家船舶企业获得应用。

2、三维船舶设计系统介绍

2.1、系统设计指导思想

(1) 多年来，我们分析了TRIBOV , CADDS' 5 ,CATIA等系统的特点，在本项目研究中力求做到尽可能吸收各系统的优点，如TRIBON系统的三维船体结构拓扑关系技术，CADDS' 5系统的参数化设计思想，CATIA系统、CADDS' 5系统的三维交互实体建模实时显示技术等，力使本项目研究达到一定的先进性。
 
(2) 近10年来，我国造船企业引进了国外各类三维设计系统，在技术上这些系统各有特点.有些系统贴近造船实际但开放差;有些系统虽然在通用CAD系统基础上应用到造船，但需要做大量二次开发工作。软件商出于商业利益在技术上较为封锁，要满足我国船舶制造集成需要有一定困难。加之国防的保密需要，在本项日研究中我们在OPENGL基础上开发具有独立版权的图形处理平台和应用软件，使本项目研究开发、应用不受第一方的制约，有利于我国船舶设计、制造集成系统的研究开发。

(3) 为适应现代造船模式的需要，本项目开发要体现船舶并行协同设计思想，所生成的图纸、加工制造信息能满足"壳、栖、涂一体化"和"设计、生产、管理一体化"的现代船舶制造技术。

(4) 吸收国外软件的优点，在满足现代船舶制造实际设计应用的基础上，进行研究开发。对此国外软件在应用中存在的问题，尽可能加以克服，以休现本系统的特点和先进性。

(5) 本系统的开发采用面向对象方法。它是一种运用对象、类、继承、封装、聚合、消息传送和多态性等概念来构造系统的软件开发方法，具有抽象、继承、封装和多态性四大特征。因此，面向对象程序设计具有许多优点:由于面向对象编辑的可重用性，可以在应用程序中大量采用成熟的类库，从而缩小了开发时间，效率高，可靠性高;继承和封装使得应用程序的修改影响更加局部化，使得应用程序更易于维护、更新和升级。这些优点对本系统的功能扩展和性能优化带来了极大方便。

2.2、系统目标

系统能满足船体结构、机装、电装、居装、甲装等专业设计的三维全数字化船舶产品模型软硬平台。通过三维模型对船舶性能、结构强度、工艺合理性和制造可行性进行分析，这是整个船舶数字化制造集成系统的基础。系统的开发旨在建立具有独立自主版权的船舶设计系统，为我国船舶设计提供三维设计手段。

2.3、主要功能

三维船舶设计系统能获得船舶产品所需的设计、制造、管理的相关信息，达到船舶制造数字化信息集成。设计系统有如下功能:

2.3.1、图形平台

图形平台是在Windows操作系统下，基于OpenGL图形进行开发的CAD基础平台，实现基本图形刘一象的生成、显示、操作、管理、优化、输出、模型构造等功能，为应用程序提供图形对象、操作命令、开发接口。具体实现中既考虑到造船行业的特色又具有一定的通用性，可适用于大规模集成化制造行业的CAD软件开发。图形平台还可进行封装做成CAD图形显示组件嵌人管理等软件巾，为实现其他软件和设计软件的集成提供便利。

2.3.2、数据管理

由于船舶设计中各专业在设计建模过程中产生大量的关系复杂的数据需要处理，本系统并不采用标准的数据库来保存整个数据，而是采用一种统一的格式，将各种不同的数据保存在不同的文件中。同时提供一个管理工具对其进行管理，其目的是要减少中间环节，加快数据的存取速度。这种文件格式是一种自主格式的索引数据文件在此文件格式基础上，对各类数据都各提供一套函数接口。这套接口负责处理指定类别数据的数据存取，应用程序就通过这套接口存取所需的数据。

2.3.3、通用设计

在舰船设计过程中，有些功能多个专业都需要用到，作为基本功能提供给各专业共同使用;另外一些功能与专业无关，作为独立于各系统之外的处理功能。这些功能都属于通用设计的范畴，具有实体部件设计、参数部件设计;二维背景图、模型、图册、标准模型库管理;模型实体显示;模型消隐;图纸管理;图纸处理;干涉检查;DXF文件输人/输出等功能，能输出IDES格式，同其他CAD系统进行交换。

2.3.4、船体结构设计系统

船体结构设计系统是涉及船舶技术设计、详细设计、生产设计全过程的三维建模系统。系统进行船体型线定义、结构布置、板材和型材零部件定义、建立具有拓扑关系的三维船体结构模型。该模型具有船体结构的几何、物理、工艺等属性。从模型中可分解全船结构的板材和型材零件，建立产品结构树，生成满足生产所需的各类安装制造图册和生产管理表册，并具有对其他设计系统生成的图纸、电子文件中二维视图的处理功能。

2.3.5、船体生产信息系统

船体生产信息系统进行船体的生产准备工作，生成船体生产所需的各种下料、加工、装配、生产管理等信息。船体生产信息系统满足工厂船体生产设计的需要，取代样台人工船体放样工作，实现取消1:1实尺船体样台。船体生产信息系统由外板、结构零件、套料及切割文件、材料管理、生产用表等主要部分组成本系统和TRIBON,CATIA,CADDS'5等系统具有接口，可利用这些系统建立模型后把相关信息导入本系统后进行生产信息处理。

2.3.6、管系设计系统

管系设计系统是以船舶管系设计以及其他行业的管路设计为对象进行开发的，提供交互管系布置界面，建立三维管系模型(见图1)，具有很强的实用性。系统涵盖管路设计的全过程，有管系原理设计、设备布置、管路布置、零件分割、安装图、零件图到有关托盘表、管附件表等生产管理信息生成等功能，还具有TRIBON, CARDS' 5等系统管系模型导人接口。

2.3.7、风管设计系统

风管设计系统是一套面向船舶通风管系的三维设计系统，针对通风管系的特点，风管规格多变，接头形式多样，利用参数化的设计方法，进行个性化的风管布置、接头生成和拼接，建立方风管和螺旋风管的三维实体模型。

2.3.8、船舶电气设计系统

电气设计系统的开发贯穿于电气详细设计和电气生产设计整个过程，采用交互设计的操作界面，实现电气三维模型设计，改变目前电气生产设计的手工状态。本系统主要完成电气系统设计、电气设备布置、主干电缆走向布置、主干电缆表册编制、电缆导架安装图、电缆开孔图、中小型电气设备基座安装图、电缆支承件制造图册、照明灯架制造图册，以及托盘管理表、材料定额表等内容。

 
2.3.9、设备布置设计系统

设备布置设计系统处理船舶设计各专业对各类设备进行交互布置，可生成机舱设备布置、甲板布置等汽维模型，作管系、风管、电缆布置背景应用，并产生相应的各专业有关生产安装信息。

2.3.10、铁栖件设计系统

船舶铁栖件设计系统是处理船舶设计各个专业对各类设备、管子、风管、电缆等系统的定位固定和船舶各舱室畅通行走的辅助装置和设备，如管了支架、电缆导架、风管吊架、基座、窗、梯、护栏等铁舾装件的三维建模设计和生成相应的生产信息，以及铁艇件在船舶设计三维建模的定位所需信息。本系统是船舶设计各专业所需的基本设计系统。

2.3.11、徐装生产设计系统

涂装生产设计系统是在设定涂装原则工艺的基础，导人船体模型，按照船体涂装的各个不同阶段和要求，进行涂装舱室划分，自动计算涂装面积，并根据涂装面积和涂装工艺信息生成涂装施工图纸和表册供现场使用，作为涂装生产管理的基础信息，供生产使用。

3、系统主要特点

3.1、自主版权的图形平台

系统图形平台是在OpenGL基础上开发的，这样可使在此平台上的应用系统不受第三方图形平台的变化而变化，对应用系统的稳定运行和维护带来很大的方便。更为重要的是用户也不必由于第三方图形平台升级或变化而支付升级费用，从而减少用户开支。同样，自行开发的图形平台可使用应用软件的发展不受第三方软件技术上的控制，加之系统的开发采用面向对象的设计方法，使本设计系统的发展前景更为广阔。

3.2、船体和栖装模型建立较为完整的拓扑关系

系统能建立完整的具有拓扑关系的船体、艇装二维模型。船体模型中，任何一构件零件修改，其相接触的零件均能自动更新修改;如某型材规格或朝向发生变化，其通过的板材开孔能自动调整。同样，晒装模型中，任何管子修改，处于同一管路号的一系列管子和管附件均能自动随之修正。这样大大减少了由于设计修改而引起的设计错误，提高了设计质单。

3.3、实体建模和参数化建模构造模型

系统开发时考虑到出图的完整性和满足船舶出图的特殊要求，采用了实体建模和参数化建模方式。参数化建模可大大减少栖装件建模的工作量。在参数化设计中采用r带有特征的连接信息和反算方法，可极大方便用户对铁艇件的设计和交互布置，且定位尺寸和参数能根据安装环境而自动修改。

3.4、各专业模型都可以进行干涉检查

系统所建立的船体结构、管系、风管、电缆、铁胭件等模型均以统一格式存放在同一数据库中。在设计一建模中，设计者可以对船体结构、管子、风管、电缆、铁栖件以各种组合形式进行干涉检查，查找碰撞需要进行整体或局部模型的干涉检查，从而减少干涉检查时间。

3.5、实现零件加工的工艺仿真

系统在生成管子零件时，能根据不同型号的弯管机参数对生成的零件进行工艺检查。若仿真检查出不合某指定弯管机工艺要求的零件则将自动报错。系统还可以对船体生成的板材零件套料板的数控切割指令，进行仿真切割，以检验套料板和切割路径是否合理，从而及时避免不必要的损失。

3.6、实现符合造船特点的三维模型的二维出图和生产制造信息

系统建立的三维模型，通过各种剖切能生成各专业所需的满足详细设计、生产设计的二维图纸。系统还能生成满足各专业所需要的设计、生产、管理的各种图册50余种，还可根据用户需要定制所需的表式。

3.7、建立和其他系统的数据接口

考虑一些用户已使用TR IBON , CADDS'5 , CATIA等三维设计系统，本系统开发犷与上述设计系统的接口，可把RIBON,CATIA系统建立的船舶、管系、管附件模型导人本系统，还可把CADDS'5船体模型导人本系统。这样，一则可弥补上述系统对生产信息生成的缺陷，二则可为用户节省软件运行费用，原购系统可照常使用而不浪费已购软件。

4、结束语

本系统在边开发边应用中迅速发展，目前已完成预期的开发目标。系统已在数十家船舶设计、制造单位和院校获得成功的应用，取得了数千万元的经济效益，打破了国外软件对我国造船设计软件的垄断地位。在此，对在本系统开发过程中给予热情支持、帮助的各级领导、同仁们表示衷心的感谢。

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