在CATIA環(huán)境中游艇機艙布置可視化實現(xiàn)及分析研究

付 磊， 蔡 薇， 陳高澎

(武漢理工大學 交通學院, 湖北 武漢 430063)

在CATIA環(huán)境中游艇機艙布置可視化實現(xiàn)及分析研究

付 磊， 蔡 薇， 陳高澎

(武漢理工大學 交通學院, 湖北 武漢 430063)

三維設(shè)計在船舶工業(yè)已有大量應(yīng)用，本文應(yīng)用CATIA對超級游艇機艙分別進行了常規(guī)推進設(shè)計和吊艙推進設(shè)計的三維再現(xiàn)與仿真，探究實現(xiàn)機艙可視化的方法和過程，并對可視化效果進行了檢驗，優(yōu)化調(diào)整后得到可指導施工安裝的機艙布置圖。研究表明，CATIA強大的船舶建模技術(shù)可滿足實際船舶工程設(shè)計要求，能極大地提高設(shè)計效率。

游艇 三維設(shè)計 CATIA 機艙可視化 吊艙推進

1 引言

機艙作為全船最重要的功能艙室，其設(shè)計是總布置設(shè)計中的一個重要內(nèi)容。機艙內(nèi)設(shè)備眾多，管線繁雜，多學科交織，機艙空間相對狹小，設(shè)備布置受限，如何合理高效地完成機艙布置一直是設(shè)計者所關(guān)心和考慮的問題。設(shè)計人員希望能在游艇總體設(shè)計中感受機艙環(huán)境，了解機艙設(shè)備的布置可達性。三維建模技術(shù)通過立體形象的表現(xiàn)形式，可以實現(xiàn)機艙內(nèi)布置可視化，通過智能優(yōu)化可以極大提高設(shè)計效率。

CATIA是目前船舶行業(yè)普及較高的設(shè)計軟件，為造船工業(yè)提供了優(yōu)秀的解決方案。本文以某大型游艇機艙資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用CATIA構(gòu)建機艙可視化場景，探討機艙三維可視化實現(xiàn)過程和布置評價。

2 大型游艇機艙布置

2.1 一般機艙布置原則

(1) 暢通性原則：機艙內(nèi)設(shè)備布置應(yīng)考慮到工作人員通行方便，故障處置時能夠快速到達設(shè)備空間，樓梯通道力求合理，防止形成阻礙。

(2) 安全有效性：設(shè)備布置要考慮到功能實施的安全可靠。例如布置動力裝置時，在一定范圍內(nèi)保證其功能在船舶橫傾工況下仍舊可以可靠工作。另外，防火排水也是需要重點考慮的方面，需要滿足入級規(guī)范和有關(guān)法規(guī)、規(guī)則的各項要求[1]。

(3) 合理性：設(shè)備布置合理性直接影響到輪機人員的可操作性和工作效率，其布置應(yīng)該考慮人員的空間，設(shè)備拆修空間要充分。各種設(shè)備都有自己的特點，對環(huán)境的要求不盡相同，布置時應(yīng)考慮布置后帶來的不良后果，對于工作中想配合的機械設(shè)備，應(yīng)盡可能靠近布置，方便操作管理。

2.2 常規(guī)推進與吊艙推進方式機艙布置特點

2.2.1 常規(guī)推進機艙布置

常規(guī)推進系統(tǒng)是利用柴油機直接或間接驅(qū)動軸系帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生推進動力的一種推進方式。常規(guī)推進系統(tǒng)往往具有較長軸系，要求有較大的機艙空間。軸系將機艙分割成不連續(xù)布置空間，主機和相關(guān)輔助設(shè)備的布置都會受到影響，限制了艙內(nèi)的交叉布置與連接，一定程度上影響了機艙容積利用率，局限了設(shè)計人員的布置理念和優(yōu)化思想。

2.2.2 吊艙推進機艙布置

吊艙電力推進是一種在電力推進基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興船舶推進方式。電力推進是主機驅(qū)動主發(fā)電機發(fā)電，然后并網(wǎng)，再由電網(wǎng)供電給電動機驅(qū)動螺旋槳的一種傳動形式。吊艙推進系統(tǒng)位于船體外，占用較少船內(nèi)空間，利于提高機艙空間利用率，且主機和螺旋槳間沒有機械聯(lián)系，機、槳可在任意距離布置，機組布置更具靈活性。

3 機艙布置可視化

CATIA具有強大的參數(shù)化設(shè)計能力,提高了建模以及修改優(yōu)化的速度；提供了智能化且邏輯清晰的結(jié)構(gòu)樹，便于用戶快捷重復修改；提供了多模型銜接的工作環(huán)境和混合建模方式，利于實現(xiàn)并行協(xié)同設(shè)計。利用CATIA建立船體外殼、船體結(jié)構(gòu)及艙內(nèi)設(shè)備和管路的模型，再集中裝配構(gòu)成可視化的三維機艙。

3.1 船體曲面建模

CATIA具有優(yōu)秀的曲面設(shè)計功能，可以達到很高的曲面連續(xù)性和高精度，從而得到較好效果的船體曲面。船體曲面建模是一個由線性設(shè)計生成線框，再到利用線框生成曲面模型的過程，其幾何特征由眾多船體表面上的型值點所控制。通過運行CATIA安裝文件中關(guān)聯(lián)excel中的相關(guān)宏，可得到若干條代表船體型線的樣條線，對于曲率變化較大的艏艉部應(yīng)加密橫剖線來保證緩和過渡，再經(jīng)過創(chuàng)成式外形設(shè)計里的多截面曲線、填充等命令可得到完整船體外殼曲面，最后優(yōu)化修正得到最終船體外殼。

3.2 機艙結(jié)構(gòu)建模

一條游艇結(jié)構(gòu)件眾多，特征相同或相似的開孔或者型材非常多，要提高工作效率，減少不必要的工作，在對游艇結(jié)構(gòu)設(shè)計之前應(yīng)該對全船結(jié)構(gòu)件進行統(tǒng)計歸類，然后根據(jù)統(tǒng)計內(nèi)容進行構(gòu)件基礎(chǔ)庫的建立，以便在進行結(jié)構(gòu)建立時可直接調(diào)取相關(guān)構(gòu)件。

機艙區(qū)域作為一個分段獨立建模，在建立之前要先把機艙段分割出來。為了操作流暢性和其他專業(yè)使用模型的便利，在CATIA的船舶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計中可將機艙區(qū)域結(jié)構(gòu)劃分為船殼、甲板、縱艙壁、橫艙壁、零散結(jié)構(gòu)等多個子Part，再在各Part中建立相應(yīng)結(jié)構(gòu)。

機艙結(jié)構(gòu)主要包括板型材、開孔以及局部加強。CATIA結(jié)構(gòu)庫中存在大量板材、型材模型，可以直接調(diào)取放在支持面。在要求材料、規(guī)格和大小相同的情況下，板型材可以采取批量式建模思路一次生成。由于實際情況是游艇機艙段位于艉部，曲面曲率變化大，各處的板型材有差異，因此需要添加后再剪切。舷側(cè)縱桁在添加時會根據(jù)類別選擇來識別外板曲面的變化自動生成。舭肘板、船底龍骨腹板通過切割成型，面板作為自由邊上的板材來創(chuàng)建。游艇上存在多種有類似特征的開孔，比如人孔、流水孔、減輕孔、貫穿孔等。通過建孔庫的方式可以提高開孔速度，另外板材的開孔還可以通過直接草繪開孔或者以空間存在的三維對象投影生成孔輪廓。機艙內(nèi)存在一些特殊部位，因承受多種靜態(tài)載荷或動態(tài)載荷的作用，需要局部加強，如基座。由于樣船是單層底，主機基座縱桁同時也起到內(nèi)龍骨的作用。縱桁腹板高度比肋板大，為防止縱桁左右傾倒，縱桁兩旁應(yīng)用肘板加強。首先分割出機艙段外殼，Part下定義合適平面系統(tǒng)作為肋位或者甲板所在支持面，依照二維結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，添加板型材并開孔，建立的機艙段結(jié)構(gòu)設(shè)計效果如圖1所示。

圖1 機艙段單層底結(jié)構(gòu)模型

3.3 設(shè)備實體建模

機艙中各設(shè)備都是作為零部件單獨建模，通過CATIA中零部件設(shè)計模塊和創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊中的基于草圖特征、修飾特征、基于曲面特征、變換特征等工具可以建立機艙內(nèi)主要設(shè)備的簡單模型。

3.4 管路建模

CATIA中管路庫包括管路、接頭、閥件、法蘭、墊片等在內(nèi)的多種零部件，且具備功能類和物理類屬性。管路標準件的創(chuàng)建過程與開孔不同的是，創(chuàng)建時通過選擇功能物理類型，模型直接繼承庫中標準件所具有的相關(guān)屬性。在此應(yīng)注意創(chuàng)建設(shè)計表時參數(shù)的定義要按照標準來進行，比如公稱通徑、端面類型、壓力等級、材料類別等。

3.5 機艙環(huán)境虛擬裝配

CATIA裝配設(shè)計可將機艙產(chǎn)品的所有組成部分按照布置規(guī)范標準進行集中虛擬裝配[2]組合，從而得到三維機艙模型。先導入船體結(jié)構(gòu)，然后逐個導入建立好的設(shè)備，按照二維布置方案中的設(shè)備位置確定設(shè)備在機艙空間的位置，利用分析工具分析裝配后的結(jié)構(gòu)和設(shè)備間、設(shè)備和設(shè)備間有無干涉，根據(jù)情況適當調(diào)整。機艙內(nèi)的管路走向和長度控制可以通過定義管段節(jié)點的空間坐標來實現(xiàn)。

根據(jù)某大型游艇的機艙布置數(shù)據(jù)，對機艙設(shè)備進行空間布置，并添加多個管路系統(tǒng)，所得兩種推進形式下可視化機艙模型如圖2、圖3所示。

圖2 常規(guī)推進可視化機艙模型

4 基于人機工程學的可視化效果檢驗

完成的可視化機艙內(nèi)的設(shè)備布置并不能完全符合實際布置情況，需要通過各種手段對可視化效果進行檢驗，反復優(yōu)化得到滿足要求的可視化機艙效果，進而得到可實際應(yīng)用的機艙布置圖。

圖3 吊艙推進可視化機艙模型

機艙布置設(shè)計不僅要考慮設(shè)備間的合理布置，也要考慮到輪機人員在機艙中的操作管理需要。人機工程設(shè)計與分析功能可以將數(shù)字化人體模型置于機艙可視化空間，通過人的視線來觀察機艙場景，視點高度位置和角度更符合實際，利于準確觀察機艙。視野的類型、范圍和距離都可以調(diào)整，當人體模型移動時，視線跟著實時移動。用這種方式可以對機艙布置的可視化效果進行合理性驗證。

人體工作空間分析可以檢查人與設(shè)備間的距離和空間是否符合要求，可以測量不同對象間的最小距離，也可以計算出分析對象處于用戶定義范圍內(nèi)的區(qū)域。在未發(fā)生干涉情況下，可通過設(shè)定距離范圍以檢查設(shè)備及設(shè)施的布置是否為人員通行及操作管理留下足夠空間。

5 可視化環(huán)境下兩種推進方式的比較分析

常規(guī)推進和吊艙推進兩種推進方式的配套設(shè)備有差異，總體布置上也有不同，通過三維建模呈現(xiàn)各自布置，可以清晰對比觀察兩種推進方式下的機艙布置環(huán)境。機艙布置圖如圖4、圖5所示，在可視化的環(huán)境中我們可以清楚地看出兩種推進方式有著很大的差異。

圖4 常規(guī)推進機艙布置

圖5 吊艙推進機艙布置

5.1 從布置靈活性方面考慮

從圖4可以看出常規(guī)推進系統(tǒng)配備了很長的軸系，將機艙空間劃分為不連續(xù)的三段，且軸系周邊一定范圍內(nèi)不能布置設(shè)備，進而限制部分管路和構(gòu)件的交叉連接。這也給設(shè)備布置帶來一定障礙，并且壓縮了機艙可利用空間，使機艙顯得擁擠。由圖5可以看出吊艙推進器只占機艙很小范圍的空間，且是狹小利用價值不大的船艉區(qū)域，吊艙推進系統(tǒng)中的許多設(shè)備都布置在其他區(qū)域，所需機艙空間相對較小，機艙內(nèi)布置相對整齊緊湊，方便機艙設(shè)備的布置和輪機人員的日常管理維護，提高了空間利用率。

常規(guī)推進系統(tǒng)的整套動力設(shè)備都被限制在艙底布置，而吊艙推進系統(tǒng)的電動機與螺旋槳直接連接，沒有傳動軸系，原動機的位置不再受到螺旋槳的影響，發(fā)電設(shè)備可以不受推進電動機和螺旋槳的限制，可根據(jù)全船的配置合理安排，甚至可在全船空間內(nèi)進行立體布置。如果從消防和安全性的角度考慮，還可把發(fā)電機分成幾組[3]分別布置在不同的艙室中。由于機艙艉部不需要安裝柴油機，為了滿足平衡性的要求，可以把一些重量較輕的設(shè)備向艉部布置，重量較重的設(shè)備多布置在中間位置。原動機可以不在艙底布置，總體設(shè)計人員可根據(jù)船型特點開辟空間單獨布置，有利于艦船布置的全面優(yōu)化。隨著電機技術(shù)的發(fā)展，吊艙內(nèi)所用電機的尺寸和重量不斷減小，吊艙推進裝置的比重已經(jīng)降低到25 kg/kW。將驅(qū)動電機置于吊艙內(nèi)，集推進裝置和操舵裝置于一體，省去了軸系和舵可使得空間布置更加靈活，便于自由分配。尤其是對空間布置要求較高的游艇，更好的空間靈活性也就意味著具有更多布置方案供選擇。

5.2 從其他方面考慮

在水動力性能方面，相對于常規(guī)推進，吊艙推進器改善了船艉型線，提升船艉流場品質(zhì)，使得推進器在比較理想的伴流中工作，船體流體性能得到充分改進，提高水動力性能[4]。據(jù)測算，經(jīng)過優(yōu)化后的船型效率比使用常規(guī)槳可提高15%左右，優(yōu)化設(shè)計后的POD推進器的流體性能比常規(guī)槳提高約4%。POD的螺旋槳比常規(guī)螺旋槳小，產(chǎn)生空泡現(xiàn)象的臨界速度高，可改善振動與噪聲性能，還可以在船體內(nèi)靈活布置，以獲取最佳的推進性能。

在操縱性能方面，相比于應(yīng)用柴油機推進系統(tǒng)的船舶，采用電力推進系統(tǒng)的操縱性能有了顯著的提升。整個吊艙推進器可由旋轉(zhuǎn)電動機或液壓馬達控制實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，省去了舵及側(cè)推器等裝置，也就沒有最大舵角的限制，具有靈活的航向控制能力。不同推進方式的船舶操縱性能對比如表1所示。

機動性和舒適性是大型豪華游艇設(shè)計建造的主要追求目標，通過在以上各方面的對比可知吊艙推進相對于常規(guī)推進有較大的優(yōu)勢。除此之外，吊艙推進還有以下特點：

(1) 推進裝置的總功率可以由多個機組承擔，當一臺原動機發(fā)生故障時其他原動機可作為總動力源，船舶推進不受影響，即推進裝置與原動機之間可交叉連接[6]；在阻力經(jīng)常變化的航態(tài)下可維持動力設(shè)備工作在恒定功率，提高了動力設(shè)備效率。

(2) 吊艙推進器采用變速驅(qū)動的推進電機，原動機與螺旋槳之間無硬性連接，幾乎消除了噪音和振動，大大提高了乘客的舒適性，因此特別適用于豪華游艇[7]。

表1 不同推進方式的船舶操縱性能對比[5]

(3) 電力推進系統(tǒng)的廢氣排放更少，更符合未來綠色船舶的發(fā)展趨勢和環(huán)保要求。

吊艙式推進系統(tǒng)是豪華郵輪推進方式的主流配置，吊艙電力推進器的功率范圍可完全滿足大型游艇的功率需求，相信隨著國際海事組織節(jié)能減排政策的逐步實施和深入以及游艇的大型化，吊艙推進系統(tǒng)日益顯現(xiàn)出其先進性，更能適應(yīng)未來大型游艇的各項性能要求，使更多的應(yīng)用成為可能。

6 結(jié)束語

機艙設(shè)計涉及面寬廣，過程復雜，三維技術(shù)符合現(xiàn)代船舶設(shè)計特點，CATIA通過三維表現(xiàn)的可視化方式，集成多方面數(shù)據(jù)資源，保證各設(shè)計部門高效的并行協(xié)同設(shè)計，是船舶數(shù)字化設(shè)計的一大體現(xiàn)。本文通過CATIA軟件對機艙可視化實現(xiàn)進行的研究表明：

(1) CATIA的船舶設(shè)計模塊可以完成船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備建模，并可將船舶設(shè)計多學科有效集成進行同步設(shè)計，以用來后期同步修改。

(2) 利用CATIA可以對建立好的可視化機艙模型進行有效檢驗，設(shè)計者根據(jù)問題進行再設(shè)計，從而得出高質(zhì)量的設(shè)計產(chǎn)品。

[1] 刁有明，錢自行，韓凌志等.近海拖網(wǎng)漁船機艙布置實例[J].大連水產(chǎn)學院學報，2009,s1.

[2] Wu Dianliang,Zhen Xijin,Fan Xiumin.A virtual environment for complex products collaborative assembly operation simulation[J].Journal of Intelligent manufacturing, 2012,23(3): 821-833.

[3] 陳家金，王和平.船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展[J].世界海運，2006,29(4)：9-11.

[4] Ghassemi H, Iranmanesh M. Comparison of hydrodynamic characteristics on two ship propulsors (PRS and AZIPOD)[J].Iranian Journal of Science and Technology Transaction.

[5] http://www.docin.com/p-414380337.html.

[6] 韓秋平，曾凡其.船舶電力推進系統(tǒng)的應(yīng)用[J].交通科技，2008,s10.

[7] http://www.abb.com.cn/cawp/seitp202/6930cb9a9e 8340ce482578f0002644ed.aspx.

Visualization and Analysis of Yacht Engine Room Arrangement Based on CATIA

FU Lei, CAI Wei， Chen Gao-peng

(Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063, China)

3D design has been widely used in ship industry.CATIA is applied in this paper which has carried on 3D reproduction and simulation of the conventional propulsion design and pod propulsion design respectively to the super yacht, to explore the ways and process of achieving the visualization of engine room. The visualization effects were tested, and arrangement diagram of engine room which can be used to guide the production and installation after optimizing and adjusting can be obtained. The study shows that powerful ship modeling techniques of CATIA can meet the actual ship engineering design requirement and enormously improve design efficiency.

Yacht 3D design CATIA Engine room visualization POD propulsion

工信部高技術(shù)船舶專項，***大型游艇設(shè)計建造關(guān)鍵技術(shù)研究，工信部聯(lián)裝[2010]337。

付 磊(1987-)，男，碩士研究生。

U662.9

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