CAD在船舶設計上的應用

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

船舶企業(yè)信息化建設已成為發(fā)展造船生產力的重要手段。船舶三維CAD技術的應用不僅對提高設計效率和質量有重要作用,而且更是造船企業(yè)信息化的源頭。本文在回顧了造船CAD技術的應用情況以及自主開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)的設計的主導思想和功能的基礎上,認為自主開發(fā)的造船三維CAD系統(tǒng)的應用將對我國“數字造船”發(fā)展具有一定的推動作用

1概述

1990年代初我國造船業(yè)引進了國外三維CAD/CAM系統(tǒng),對提高我國船舶設計效率和設計質量起到積極作用。但隨著應用的深化,也發(fā)現一些問題。這些系統(tǒng)僅以解決設計信息為主,不能滿足中國造船工藝的特點,特別在CAM上還要作大量的二次開發(fā)。這些系統(tǒng)難以實現對管理系統(tǒng)的集成。為此,我國造船業(yè)相關院、所、企業(yè)在新世紀初相繼對造船三維CAD/CAM系統(tǒng)進行研究開發(fā)。但一些系統(tǒng)的開發(fā)是在國外第三方圖形平臺基礎上開發(fā),難以達到船舶設計各專業(yè)的集成和平行設計,更為重要的是這樣的系統(tǒng)部分Licens。版權在國外第三方公司,技術主動權仍不在開發(fā)者手中。滬東中華造船集團積30余年CAD, CAM開發(fā)應用經驗,在白行開發(fā)的三維圖形平臺基礎上,研發(fā)造船CAD/CAM系統(tǒng),目前已取得了突破性進展。在完成船舶胭裝三維設計系統(tǒng)基礎巨,又完成具有三維拓撲關系的船體建模設計軟件,基本完成了一個具有獨立自主版權的造船三維CAD/CAM設計系統(tǒng),并已在數十家船舶企業(yè)獲得應用。

2三維船舶設計系統(tǒng)介紹

2.1系統(tǒng)設計指導思想

(1)多年來,我們分析了TRIBOV , CADDS' 5 ,CATIA等系統(tǒng)的特點,在本項目研究中力求做到盡可能吸收各系統(tǒng)的優(yōu)點,如TRIBON系統(tǒng)的三維船體結構拓撲關系技術,CADDS' 5系統(tǒng)的參數化設計思想,CATIA系統(tǒng)、CADDS' 5系統(tǒng)的三維交互實體建模實時顯示技術等,力使本項目研究達到一定的先進性。
(2)近10年來,我國造船企業(yè)引進了國外各類三維設計系統(tǒng),在技術上這些系統(tǒng)各有特點.有些系統(tǒng)貼近造船實際但開放差;有些系統(tǒng)雖然在通用CAD系統(tǒng)基礎上應用到造船,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,在本項日研究中我們在OPENGL基礎上開發(fā)具有獨立版權的圖形處理平臺和應用軟件,使本項目研究開發(fā)、應用不受第一方的制約,有利于我國船舶設計、制造集成系統(tǒng)的研究開發(fā)。
(3)為適應現代造船模式的需要,本項目開發(fā)要體現船舶并行協(xié)同設計思想,所生成的圖紙、加工制造信息能滿足"殼、棲、涂一體化"和"設計、生產、管理一體化"的現代船舶制造技術。
(4)吸收國外軟件的優(yōu)點,在滿足現代船舶制造實際設計應用的基礎上,進行研究開發(fā)。對此國外軟件在應用中存在的問題,盡可能加以克服,以休現本系統(tǒng)的特點和先進性。
(5)本系統(tǒng)的開發(fā)采用面向對象方法。它是一種運用對象、類、繼承、封裝、聚合、消息傳送和多態(tài)性等概念來構造系統(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,面向對象程序設計具有許多優(yōu)點:由于面向對象編輯的可重用性,可以在應用程序中大量采用成熟的類庫,從而縮小了開發(fā)時間,效率高,可靠性高;繼承和封裝使得應用程序的修改影響更加局部化,使得應用程序更易于維護、更新和升級。這些優(yōu)點對本系統(tǒng)的功能擴展和性能優(yōu)化帶來了極大方便。

2.2系統(tǒng)目標

系統(tǒng)能滿足船體結構、機裝、電裝、居裝、甲裝等專業(yè)設計的三維全數字化船舶產品模型軟硬平臺。通過三維模型對船舶性能、結構強度、工藝合理性和制造可行性進行分析,這是整個船舶數字化制造集成系統(tǒng)的基礎。系統(tǒng)的開發(fā)旨在建立具有獨立自主版權的船舶設計系統(tǒng),為我國船舶設計提供三維設計手段。

2.3主要功能

三維船舶設計系統(tǒng)能獲得船舶產品所需的設計、制造、管理的相關信息,達到船舶制造數字化信息集成。設計系統(tǒng)有如下功能:

2.3.1圖形平臺

圖形平臺是在Windows操作系統(tǒng)下,基于OpenGL圖形進行開發(fā)的CAD基礎平臺,實現基本圖形劉一象的生成、顯示、操作、管理、優(yōu)化、輸出、模型構造等功能,為應用程序提供圖形對象、操作命令、開發(fā)接口。具體實現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)。圖形平臺還可進行封裝做成CAD圖形顯示組件嵌人管理等軟件巾,為實現其他軟件和設計軟件的集成提供便利。

2.3.2數據管理

由于船舶設計中各專業(yè)在設計建模過程中產生大量的關系復雜的數據需要處理,本系統(tǒng)并不采用標準的數據庫來保存整個數據,而是采用一種統(tǒng)一的格式,將各種不同的數據保存在不同的文件中。同時提供一個管理工具對其進行管理,其目的是要減少中間環(huán)節(jié),加快數據的存取速度。這種文件格式是一種自主格式的索引數據文件在此文件格式基礎上,對各類數據都各提供一套函數接口。這套接口負責處理指定類別數據的數據存取,應用程序就通過這套接口存取所需的數據。

2.3.3通用設計

在艦船設計過程中,有些功能多個專業(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,作為獨立于各系統(tǒng)之外的處理功能。這些功能都屬于通用設計的范疇,具有實體部件設計、參數部件設計;二維背景圖、模型、圖冊、標準模型庫管理;模型實體顯示;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)進行交換。

CAD在船舶設計上的應用+培訓資料圖片1

2.3.4船體結構設計系統(tǒng)

船體結構設計系統(tǒng)是涉及船舶技術設計、詳細設計、生產設計全過程的三維建模系統(tǒng)。系統(tǒng)進行船體型線定義、結構布置、板材和型材零部件定義、建立具有拓撲關系的三維船體結構模型。該模型具有船體結構的幾何、物理、工藝等屬性。從模型中可分解全船結構的板材和型材零件,建立產品結構樹,生成滿足生產所需的各類安裝制造圖冊和生產管理表冊,并具有對其他設計系統(tǒng)生成的圖紙、電子文件中二維視圖的處理功能。

2.3.5船體生產信息系統(tǒng)

船體生產信息系統(tǒng)進行船體的生產準備工作,生成船體生產所需的各種下料、加工、裝配、生產管理等信息。船體生產信息系統(tǒng)滿足工廠船體生產設計的需要,取代樣臺人工船體放樣工作,實現取消1:1實尺船體樣臺。船體生產信息系統(tǒng)由外板、結構零件、套料及切割文件、材料管理、生產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)建立模型后把相關信息導入本系統(tǒng)后進行生產信息處理。

2.3.6管系設計系統(tǒng)

管系設計系統(tǒng)是以船舶管系設計以及其他行業(yè)的管路設計為對象進行開發(fā)的,提供交互管系布置界面,建立三維管系模型(見圖1),具有很強的實用性。系統(tǒng)涵蓋管路設計的全過程,有管系原理設計、設備布置、管路布置、零件分割、安裝圖、零件圖到有關托盤表、管附件表等生產管理信息生成等功能,還具有TRIBON, CARDS' 5等系統(tǒng)管系模型導人接口。

2.3.7風管設計系統(tǒng)

風管設計系統(tǒng)是一套面向船舶通風管系的三維設計系統(tǒng),針對通風管系的特點,風管規(guī)格多變,接頭形式多樣,利用參數化的設計方法,進行個性化的風管布置、接頭生成和拼接,建立方風管和螺旋風管的三維實體模型。

2.3.8船舶電氣設計系統(tǒng)

電氣設計系統(tǒng)的開發(fā)貫穿于電氣詳細設計和電氣生產設計整個過程,采用交互設計的操作界面,實現電氣三維模型設計,改變目前電氣生產設計的手工狀態(tài)。本系統(tǒng)主要完成電氣系統(tǒng)設計、電氣設備布置、主干電纜走向布置、主干電纜表冊編制、電纜導架安裝圖、電纜開孔圖、中小型電氣設備基座安裝圖、電纜支承件制造圖冊、照明燈架制造圖冊,以及托盤管理表、材料定額表等內容。

2.3.9設備布置設計系統(tǒng)

設備布置設計系統(tǒng)處理船舶設計各專業(yè)對各類設備進行交互布置,可生成機艙設備布置、甲板布置等汽維模型,作管系、風管、電纜布置背景應用,并產生相應的各專業(yè)有關生產安裝信息。

2.3.10鐵棲件設計系統(tǒng)

船舶鐵棲件設計系統(tǒng)是處理船舶設計各個專業(yè)對各類設備、管子、風管、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備,如管了支架、電纜導架、風管吊架、基座、窗、梯、護欄等鐵曬裝件的三維建模設計(見圖2)和生成相應的生產信息,以及鐵艇件在船舶設計三維建模的定位所需信息。本系統(tǒng)是船舶設計各專業(yè)所需的基本設計系統(tǒng)。

CAD在船舶設計上的應用+培訓資料圖片2

2.3.11徐裝生產設計系統(tǒng)

涂裝生產設計系統(tǒng)是在設定涂裝原則工藝的基礎,導人船體模型,按照船體涂裝的各個不同階段和要求,進行涂裝艙室劃分,自動計算涂裝面積,并根據涂裝面積和涂裝工藝信息生成涂裝施工圖紙和表冊供現場使用,作為涂裝生產管理的基礎信息,供生產使用。

3系統(tǒng)主要特點

3.1自主版權的圖形平臺

系統(tǒng)圖形平臺是在OpenGL基礎上開發(fā)的,這樣可使在此平臺上的應用系統(tǒng)不受第三方圖形平臺的變化而變化,對應用系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和維護帶來很大的方便。更為重要的是用戶也不必由于第三方圖形平臺升級或變化而支付升級費用,從而減少用戶開支。同樣,自行開發(fā)的圖形平臺可使用應用軟件的發(fā)展不受第三方軟件技術上的控制,加之系統(tǒng)的開發(fā)采用面向對象的設計方法,使本設計系統(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撲關系

系統(tǒng)能建立完整的具有拓撲關系的船體、艇裝二維模型。船體模型中,任何一構件零件修改,其相接觸的零件均能自動更新修改;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調整。同樣,曬裝模型中,任何管子修改,處于同一管路號的一系列管子和管附件均能自動隨之修正。這樣大大減少了由于設計修改而引起的設計錯誤,提高了設計質單。

3.3實體建模和參數化建模構造模型

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

3.4各專業(yè)模型都可以進行干涉檢查

系統(tǒng)所建立的船體結構、管系、風管、電纜、鐵胭件等模型均以統(tǒng)一格式存放在同一數據庫中。在設計一建模中,設計者可以對船體結構、管子、風管、電纜、鐵棲件以各種組合形式進行干涉檢查,查找碰撞需要進行整體或局部模型的干涉檢查,從而減少干涉檢查時間。

3.5實現零件加工的工藝仿真

系統(tǒng)在生成管子零件時,能根據不同型號的彎管機參數對生成的零件進行工藝檢查。若仿真檢查出不合某指定彎管機工藝要求的零件則將自動報錯。系統(tǒng)還可以對船體生成的板材零件套料板的數控切割指令,進行仿真切割,以檢驗套料板和切割路徑是否合理,從而及時避免不必要的損失。

3.6實現符合造船特點的三維模型的二維出圖和生產制造信息

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

3.7建立和其他系統(tǒng)的數據接口

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

4結束語

本系統(tǒng)在邊開發(fā)邊應用中迅速發(fā)展,目前已完成預期的開發(fā)目標。系統(tǒng)已在數十家船舶設計、制造單位和院校獲得成功的應用,取得了數千萬元的經濟效益,打破了國外軟件對我國造船設計軟件的壟斷地位。在此,對在本系統(tǒng)開發(fā)過程中給予熱情支持、幫助的各級領導、同仁們表示衷心的感謝。

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