CATIA軟件在船舶設計中的幾點應用

摘 要：以某集裝箱船雙層底分段為例，介紹CATIA軟件在船舶設計中的三維建模、有限元分析、焊接設計三點應用。討論使用CATIA軟件進行船舶計算機輔助設計工作的優點，為船舶工程相關技術人員使用CATIA軟件提高工作效率提供參考。

關鍵詞：CATIA；船舶設計；三維建模；有限元分析；焊接設計

CATIA是法國達索公司出品的優秀三維軟件，該軟件在航天航空、汽車等一些高端技術制造行業得到非常廣泛的應用并取得非常成功的效果。近年來，該軟件也開始越來越多的應用于船舶設計之中。CATIA軟件甚至專門開發了一個船舶結構詳細設計模塊，并將其集成在設計系統中，遺憾的是由于該模塊價格較高，我國使用范圍較窄。然而，即便在缺少船舶專用模塊的情況下，CATIA的常規功能仍然可以在船舶的設計中發揮巨大的作用，本文將以某集裝箱船船底分段為例，對CATIA軟件在船舶設計中的典型應用予以介紹。

一、分段三維建模

三維建模功能是CATIA軟件最主要的功能，借助此功能可以將傳統的船舶二維平面結構圖紙轉化成三維空間結構模型。與機械零件相比，船體構件的形狀相對簡單，主要是鋼板和軋制型材。

圖1給出了某船雙層底分段的橫剖面圖。

從圖中可以看出，該分段構件主要包括船底板、內底板、縱桁、船底縱骨、內底縱骨、實肋板、加強筋等構件，并且各構件的二維投影輪廓也已清晰的給出。現以內底縱骨為例，說明創建三維實體的方法。本船內底縱骨采用HP180×10，首先在AutoCAD中分離出內底縱骨的剖面輪廓，（也可根據標準繪制該球扁鋼剖面圖，）保存成單獨一張dwg圖。退出“草圖”工作臺，選擇“凸臺”功能，輸入該骨材的長度，即可形成內底縱骨的三維實體模型，如圖2。

同理可制作出其他板材、骨材的三維模型。船體平行中體處的分段，構件沒有曲率變化，全部使用“凸臺”功能即可完成。當構件有曲率變化時，可以使用曲面功能實現建模。

全部構件建模完成之后，即可對分段進行裝配。這里模擬船廠實際分段的裝配順序，以內底板為基面進行反造。在CATIA中新建一裝配體，點擊“產品結構工具”-“現有產品”，將制作好的內底板構件載入，通過“共面”（相合）約束各塊船底板的相互位置。而后將內底縱骨調入裝配體，由于內底縱骨牌號相同，同一零件可多次調入，通過設置“共面”（相合）、偏移、接觸等約束，形成如圖3所示的效果。進一步，將縱桁、肋板、船底板等構件依次調入裝配體，分段最終裝配成型，如圖4所示（為更加清晰的反應內部構件結構，已將部分船底板設置成隱藏）。

通過二維結構圖生成三維結構實體，對于船舶設計尤其是生產設計有很大的幫助作用。與二維結構圖紙相比，三維圖能夠更加清晰的反應復雜的結構形式，更加明確的給出構件之間的連接方式，甚至可以通過動畫說明不同構件的裝配順序，從而極大提高生產設計人員和現場施工人員對復雜結構的理解程度，提高生產設計和現場施工的效率和準確性。此外，借助CATIA軟件自身的“材料清單”功能，可以生產全部零件的零件表，借助“測量慣性”功能，可以方便的計算各個構件的面積、重量、重心位置、慣性矩等參數，從而為整個分段重量、重心、涂裝面積等計算提供準確清晰的信息。圖5給出了系統對中縱桁和第一旁縱桁間肋板的有關測量信息。

CATIA軟件集成了強大的出圖功能，可以方便的生成三維結構任意剖面的投影或剖切視圖。依然以此雙層底分段為例，在全部裝配完成中，選擇“機械設計-工程制圖”功能，選擇空白布局，進入機械制圖工作臺。選擇內底板作為主視圖，選擇“偏移截面視圖”或“剖切截面視圖”，在相應的橫向和縱向位置進行標識，即可得到相應位置的投影視圖和剖切視如圖6所示。應指出的是，由于船舶工程圖特殊的線型規定，由CATIA生成的圖紙還不能直接用于生產，此問題可通過軟件二次開發解決。

總而言之，通過三維建模、零件表生成、工程圖繪制等功能，CATIA軟件能夠為生成設計工作提供極大的輔助作用。在缺少大型生成設計軟件的情況下，通過AutoCAD與CATIA的配合，也完全可以完成生產設計的任務。除此之外，由二維圖紙繪制三維結構，也可以對各平面結構圖起到檢查的作用，相當于在數字環境中對分段進行“虛擬建造”。通過提前發現并改正圖紙中潛在的不合理之處，使實際建造能夠提高效率，避免返工。

二、有限元分析

在現代船舶結構設計中，有限元分析已經發展成為非常重要的一種計算工具。前文中重點討論了利用CATIA三維建模功能輔助生產設計的相關內容。事實上，CATIA軟件也集成了相當強大的有限元分析功能，包括靜態分析和動態分析。分析的流程可圖7簡單表示。

利用創建好船體結構三維模型，可以快速簡便地有限元分析，為船體局部強度的計算和總縱強度的校核提供有力的支持。完整的有限元分析理論比較復雜，本文僅以分段結構中船底板格彎曲應力計算為例，說明使用CATIA軟件進行有限元分析的基本流程。

本船采用縱骨架式，船底縱骨間距620，肋板間距2150，結構吃水5米。根據以上數據，船底板格可簡化2150×620，承受5米水頭均布載荷，四周剛性固定的矩形板。在CATIA中首先制造該板的三維實體，而后選擇[開始]-[分析與模擬]-[Generative Structural Analysis]，進入有限元分析模塊。彈出的對話框中可以選擇靜態分析（Static Analysis）、限制狀態固有頻率分析（Frequency Analysis）和自由狀態固有頻率分析（Free Frequency Analysis）三項。簡單起見，選擇Static Analysis。選擇[Restraints]-[clamp]，點選矩形板四周界，添加四周剛性固定約束；點擊[Loads]-[pressure]，在彈出的對話框中輸入載荷大小（49KN/m2），完成載荷的添加。如圖8。點擊“compute”命令，即可自動劃分網格并開始運算。運算結束后可查看點擊[Image]菜單中的命令，可查看網格劃分情況、應力分布情況、位移分布情況等。圖9給出了應力分布圖。通過工具中的“Image Extrame”命令，可以顯示最大應力點。從圖9可以看出，板格的最大應力分布在大約長邊中點處，這與理論上的解是吻合的。在更加復雜的計算中，通過[Restraints]菜單項，可以實現各種不同的約束；通過[Loads]菜單項，可以添加不同的載荷；通過[開始]-[分析與模擬]advanced meshing tools工具，可以對網格進行細化和優化，從而更加準確的計算結果。

三、焊接設計

船舶建造過程中包含大量焊接作業，CATIA軟件集成了強大的焊接設計功能，可以對不同構件進行“虛擬焊接”，實現焊接效果的可視化。現已縱桁和內底板的焊接為例，說明CATIA軟件焊接設計功能的使用過程。

選擇縱桁和內底板，按上文所述方法組成裝配體，選擇[開始]-[機械設計]-[Weld Design]進入焊接設計工作臺。在此工作臺下可實現單、雙面角接焊；方形對接焊；單、雙面V型對接焊縫等共16種焊接形式。縱桁與內底板的焊接應采用雙面角接焊接，這里為了對比焊接效果，采用兩次單面角接焊接。選擇“fillet weld”命令，打開創建焊接對話框，勾選“selection assistant”，根據提示依次選擇縱桁右側面和內底板面，輸入焊接結構高度5mm，完成右側面與內底板面的焊接。再次選擇“fillet weld”命令，依次選擇縱桁左側面和內底板面，輸入焊接結構高度10mm，完成左側面與內底板面的焊接。如圖10所示。

圖中可以明顯看出左側和右側的焊縫高度的變化。借助CATIA焊接設計的功能，船舶設計人員可以直觀的發現不同參數對焊接效果的影響，從而為制定最優的焊接方案提供參考。

四、結語

本文簡要討論了CATIA軟件在船舶設計中的幾點應用。可以看出，該軟件可以為船舶工程中的許多工作提供支持。在船舶工程界越發強調數字化造船技術的今天，合理有效的利用此軟件，必能對船舶行業提高設計和建造水平帶來幫助。由于作者水平有限，加之CATIA軟件功能非常強大，文中的內容難免有不足和疏漏之處，肯定老師們給予補充指正。

參考文獻：

[1]盛選禹，CATIA曲線和曲面功能詳解，北京：機械工業出版社，2004.

[2]盛選禹，CATIA有限元分析命令詳解與實例，北京：機械工業出版社，2005.

[3]盛選禹，CATIA焊接設計實例教程，北京：機械工業出版社，2007.