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)日研究中我們在OPENGL基礎(chǔ)上開發(fā)具有獨(dú)立版權(quán)的圖形處理平臺和應(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。這些優(yōu)點(diǎn)對本系統(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。通過三維模型對船舶性能、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

圖形平臺是在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,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、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。

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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和生產(chǎn)管理表冊,并具有對其他設(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,取代樣臺人工船體放樣工作,實(shí)現(xiàn)取消1:1實(shí)尺船體樣臺。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、照明燈架制造圖冊,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)。

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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供現(xiàn)場使用,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

系統(tǒng)圖形平臺是在OpenGL基礎(chǔ)上開發(fā)的,這樣可使在此平臺上的應(yīng)用系統(tǒng)不受第三方圖形平臺的變化而變化,對應(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升級或變化而支付升級費(fèi)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(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)不同型號的彎管機(jī)參數(shù)對生成的零件進(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,打破了國外軟件對我國造船設(shè)計(jì)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(lǐng)導(dǎo)、同仁們表示衷心的感謝。

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